虛擬仿真技術在生物化學教學中的應用
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摘 要 隨著現代科學技術發展，虛擬仿真技術逐漸由商業環境走向現代教育領域。生物化學中生物大分子的結構和物質代謝過程是學生學習的重點和難點，三維模型不僅能夠形象地展示生物大分子的微觀結構，還可以幫助學生更好的理解教學內容。本文對三維模型在生物化學中的應用進行了初步探討。
關鍵詞 虛擬仿真技術;生物化學教學;生物大分子;三維模型
中圖分類號： Q5-4;G434 文獻標識碼： A
生物化學是一門研究生物體的化學組成、分子結構和物質代謝過程的科學，其理論性強、名詞眾多、概念抽象，是最晦澀難懂的生物學科之一。在教學過程中，學生往往反映生化知識難學難記，教師也發現學生對知識的掌握程度參差不齊。
1 生物化學的教學方式
傳統的生物化學教學往往靠“一本教材、一支粉筆、一塊黑板”，在這樣的教學氛圍里，教師講得累、寫得累，學生聽得累、記得累。這種單一的傳統教學模式已不適應時代發展的需要。隨著計算機技術的迅速發展，多媒體教學已經普及，它能將文字、聲音、圖像、動畫等素材結合起來，豐富了課堂教學的形式，提高課教學效果。目前，運用多媒體輔助教學已成為高等學校生物化學的普遍教學方式。如果將生物化學中的基本概念、生物大分子的結構與功能、代謝過程恰當地運用圖片、動畫和視頻等多媒體形式來闡述和展示，就會使該課程中抽象難懂的理論知識變得具體清晰，這將極大地提高學生的學習興趣。目前，生物化學教師的計算機水平參差不齊，制作的課件往往不能準確表達教師的意圖。由于制作優良的多媒體課件不僅需要制作者具有較高的專業知識水平和較高的計算機軟件應用水平，而且還需耗費很多的時間和精力，因此很多生物化學教學課件的質量不高，甚至有的是單純將講稿變為電子版進行演示，這使得多媒體教學的優勢難以真正發揮。
2 虛擬仿真技術在生物化學教學中的應用
虛擬仿真技術是一種可創建和體驗虛擬世界的計算機系統，它綜合利用了計算機圖形學、仿真技術、三維建模技術、多媒體技術、人工智能技術和計算機網絡技術等模擬真實存在的場景或想象中的世界。虛擬仿真應用于教育是教育技術發展的一個飛躍，它營造了“自主學習”的環境，由學習者通過自身與信息環境的相互作用來得到知識、技能的新型學習方式代替了傳統的“以教促學”的學習方式[1]。
生物大分子如核酸、蛋白質和糖類都是立體的空間結構，二維圖片無法直觀展示其形態，但三維建模可以清晰、形象地展示這些大分子的結構，有很多生物化學教師開始探索三維模型在生物化學教學中的應用。朱素琴等[2]在講解胰凝乳蛋白酶三聯體催化機制時采用三維動畫的形式，展示催化三聯體中“Asp102-His57-Ser195”構成的氫鍵體系—電荷中繼網，突出Ser殘基中活性“O”的親核攻擊力，將酶催化肽鍵水解中的共價催化、酸堿催化機制很簡明、生動、直觀地表現出來，學生普遍反映對這部分內容的學習很輕松，也很感興趣。此外，梁亦龍[3]開發的虛擬PCR實驗和黃佳玲[4]開發的聚丙烯酰胺凝膠電泳虛擬實驗都有助于學生了解實驗原理和步驟。但目前關于生物化學分子結構的三維模型還比較少，在教學中的應用還不廣泛。針對上述問題，結合生物化學的特點，我們采用三維軟件（3D Max、ZBrush等）制作了生物大分子的三維模型，用于展示三維大分子的微觀結構。如在講解蛋白質的高級結構時，我們制作了肌紅蛋白的三維模型，該模型能夠清晰地顯示肌紅蛋白的三級結構，我們用不同的顏色顯示肌紅蛋白的8段α螺旋（A到H）不對稱盤曲的形狀，而血紅素分子被C、E、F和G螺旋包圍（圖1）。通過虛擬交互編程，我們還可以操作該模型進行360°旋轉，讓學生從不同角度觀察血紅蛋白的結構。這種教學模式不僅能激發學生的學習興趣，培養學生的創新意識與實踐能力，滿足不同理解能力學生的學習要求，而且能很好地解決傳統課堂上重講解、內容多、學生被動接受的不足。
3 前景展望
將虛擬現實技術應用在生物化學教學中，可以形象地展示生物大分子的微觀結構，改變以教師為中心的授課形式，建立以學生為中心的個別化教學和有目的自我學習的學習模式;而且觀看三維模型和三維動畫能夠提高學生學習的積極性，提高教學效果，使學生扎實掌握生物化學基礎知識，利于后續相關專業課的學習。
參考文獻
[1]劉春英.虛擬實驗在生物化學實驗教學中的應用[J].科技視界， 2015（35）：163.
[2]朱素琴，季本華.生物化學教學改革的實踐與探索[J].微生物學通報，2010，37（08）：1238-1242.
[3]梁亦龍，盧利平，范歡，等.虛擬實驗在生物化學實驗教學中的運用[J].實驗室科學，2012，15（02）：45-47.
[4]黃佳玲，馬生健，曾富華.基于Flash的生物化學虛擬實驗室研究與開發——聚丙烯酰胺凝膠盤狀電泳[J].高校生物學教學研究（電子版），2014，4（02）：52-56.
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