基因工程虚拟实验室的设计与实现
时间：2021-04-09 12:07:15 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
【摘要】基因工程是一门非常注重实践的课程，但其实验具有价格贵，周期长的特点，因而虚拟实验室的创建有助于缓解实验资源与教学需求之间存在的矛盾。本文依托广东省高校现代教育技术“151工程”项目“基因工程虚拟实验室”的工作，对基因工程虚拟实验室的设计与实现进行了探讨，以期为同类虚拟实验室或相关学习资源的开发和应用提供思路和借鉴。
【关键词】基因工程，虚拟实验室，3D游戏引擎
【中图分类号】G434【文献标识码】B【论文编号】1009—8097（2006）05—0060—05
基因工程作为一门以实验为主的自然科学，除了要求学生掌握扎实的基础理论知识、紧跟基因工程技术的最新进展外，更要求把实验与理论结合起来，培养学生的观察能力、思维能力和动手能力。但由于分子生物学试剂、仪器设备价格昂贵等种种条件限制，目前我国大部分高校都没有开设基因工程实验课。虚拟实验室可以与传统的基因工程实验室优势互补，更好地提高教学质量，有效地缓解日益增长的教学需求与现有实验条件不足的矛盾。在这样的背景下，为了充分利用我校现有的生命科学学院基因工程重点实验室一千多万元现代化基因工程仪器设备的优势，我们申请了“生物制药技术虚拟实验室的建设与研究”项目，并获得了广东省“151工程”计划立项，同时获得深圳大学校教改项目的大力资助。
本研究希望通过将实验室、器材、试剂等实验元素三维虚拟化，使学习者在虚拟的实验环境中，能“身临其境”地操纵虚拟仪器和其他实验器具来完成实验，同时，摆脱传统实验的种种限制，为高校实验教学引入现代多媒体技术提供一种新的尝试与探索。
一、基因工程虚拟实验室的设计
1．设计目标与设计思想
基因工程虚拟实验室的设计目标是，利用虚拟现实技术，为学生提供一个纯粹的3D虚拟实验环境，建成具有形象化展示功能以及强大的交互性能和对现实制药技术的模拟功能的虚拟实验室（如图1）。为了使场景更加逼真，对实验室、实验仪器和其他实验室物品全部按照真实比例3D建模，并且要求虚拟实验室中的物品摆放位置和现实中都一模一样，真正做到把实验室“搬”进电脑，让做虚拟实验的学生可以从任何角度观察实验室中任意物体，以获得尽可能强的真实感。另外，在交互性方面，能让学生以第一人称视角通过键盘、鼠标以及其他输入设备对场景中的“自己”完全控制，实现移动、转动、抬头、低头，甚至跑、跳的视觉效果，再赋予3D音效和背景音乐甚至网络联机的多用户实时对话和聊天等功能，组成一个逼真的虚拟世界[1]。另外，考虑到软件的可重用性和可扩展性，采用虚拟实验室系统平台和具体的虚拟实验分离的思想，把具体实验步骤编辑交给生命科学专业老师或同学，而软件开发人员的任务是构建一个虚拟实验室软件平台，由平台完成虚拟实验室所需要的一切功能，并提供一种脚本语言或图形界面编辑系统作为接口，让非计算机专业的人员也可以编辑实验步骤，只要把编辑好的实验步骤描述文件放到指定目录，就可以做这个虚拟实验。
设计强调充分运用虚拟现实技术，并从需求出发，结合多种媒体表现手段和形式，如基因工程制药生产流程实况部分，就采用了流媒体的片断视频。通过在线聊天室或配套的论坛网站进行讨论研究，进一步突出以学生为主体的学习模式，充分发挥他们的主观能动性。通过虚拟实验和传统实验相结合的方式，改革我们的实验教学模式，高效、优质地完成实验教学[2]。
2．系统结构
本软件严格按照现行基因工程课程要求进行开发，主要由实验室介绍、虚拟实验、虚拟仪器、知识库等四部分组成（如图2、图3）。
实验室介绍模块介绍了本校重点实验室建设情况、日常规章制度，和关于虚拟实验室项目的背景、目的、操作说明等信息，目的是让学生对实验室有一个初步的了解。
虚拟实验模块包括四大基础实验：基因的克隆、目的蛋白的表达、发酵工程和蛋白纯化，今后还会建设一些其他的生物制药实验。学生在3D的环境下进行虚拟实验的学习，并完成实验步骤的操作，然后把实验结果提交给评分系统打分，如果学生对分数不满意，可以重做实验直到熟练为止，最后给学生生成实验报告清单，学生填写后连同虚拟实验分数发送到老师的电子邮箱。
虚拟仪器（如图4）：以3D形式展现基因工程实验中常用的主要仪器设备，这些仪器和现实中的仪器有一样的操作逻辑和操作面板，学生通过鼠标点击以熟悉仪器的操作，并且可以从各个角度观察仪器，了解仪器的主要构造。
知识库包括了基因工程的精品课程电子版（如图5）、常用术语、常用试剂、和基因工程制药的生产流程实况等。这里通过精辟的文字和实物图片让学生充分掌握每个实验相关信息，还通过对我国最大的乙肝疫苗生产企业（深圳康泰生物制品股份有限公司）基因工程生产流程的视频录像（如图6），让学生了解生产一线的实际操作，使得理论与实践结合得更加紧密。
只要在计算机系统上安装该软件，通过上网联机到服务器端获取实验资源与相关权限，就能够进行实验。这样，基因工程实验既不受时空和设备的限制，又完成了验证性实验，激发了学生的学习兴趣，进一步增强学生的动手、科研和创新的能力。
3． 技术的选取
技术选取的合适与否对本项目预期目标的实现有着直接而且很重要的关系，在选取过程中主要有两个依据：实验室要实现的功能和技术应用的可行性[3]，并遵循“技术设计为教学设计服务的原则”[4]。为此，我们进行了广泛的调研，考虑到基于浏览器的3D技术存在画面不流畅、辅助功能不强、系统实现复杂等诸多问题，我们从当今蓬勃发展的3D网络游戏得到启发，在最复杂和关键的虚拟实验模块，我们选用了著名的3D游戏开发引擎 Torque 作为虚拟实验室的开发平台，主要考虑以下三点原因：（1）只要用很少费用就可以买到Torque游戏开发引擎，其中包括Torque的所有源码和游戏Demo，这是在课题组经费有限的条件下的一个非常好的选择，也方便按需修改引擎；（2）Torque游戏引擎的功能毫不逊色于市面上的其他专业游戏引擎，已经有很多基于Torque的非常成功的游戏，如Tribes 2，保证了虚拟实验室预期功能的实现。（3）Torque的官方网站上有很详细的文档和分类很细的论坛，使开发人员很容易上手，并且Torque带有一系列的可视化场景和GUI编辑器，易学好用，也符合了用“平民化”的技术实现教学型虚拟实验室的原则。
二、基因工程虚拟实验室的实现
1.3D建模技术
由于游戏引擎必须高效实时的渲染大量的几何体及其效果，为了优化帧频率，在Torque游戏引擎中使用两种不同的3D模型，一种是DTS类型的3D模型格式，一种是DIF类型的3D模型格式。DTS文件格式适合一些细节比较多而且相对比较小的物体，比如人物、桌子、仪器等。建模的工具可以选用3D Studio Max、MilkShape、Maya等。Torque都有相应的插件工具，通过这些插件来导出DTS格式的文件，所以建模人员可以把主要精力放在建模本身，而不必知道DTS的具体文件格式细节，而且因为采用通用的3D建模工具，降低了学习和使用的门槛，加快了开发的进度。Torque中的另外一种格式是DIF格式，这种格式适合于场景中的大型建筑物，比如实验室的房子，这种格式的好处是本身就带有碰撞和灯光信息，比DTS格式运算更少，但没有DTS文件精细。我们使用当前比较流行的一个开源软件QuArk来编辑，并通过相应插件导出格式为DIF的文件。
