免疫荧光实验虚拟仿真教学模式构想①

唐超智 刘庆荟 张顺利

(河南师范大学生命科学学院，新乡 453007)

1941年，Coons首次用荧光标记抗体与抗原特异结合成功，免疫荧光标记技术问世[1]。经过不断发展和完善，免疫荧光标记技术已成为现代分子生物学、免疫学和临床医学领域的常用实验技术，广泛应用于组织抗原定位定量分析、病原微生物鉴定、抗体检测、肿瘤诊断及免疫球蛋白代谢监测等方面，表现出极高的灵敏度、特异性和准确率[2]。

尽管免疫荧光实验在科学研究事业和生产生活领域均具有广泛的应用，当前我国高等学校生命科学、畜牧兽医学和检验医学等专业本科生的实验教学培养体系中，绝大多数并未开设免疫荧光实验项目。其主要原因是传统实验教学模式下，免疫荧光实验项目的开设成本较高，比如高品质的进口荧光标记抗体价格往往比较贵，而高分辨率的荧光显微镜也很难达到每个学生一台。此外，一些其他的限制因素也使得免疫荧光实验开设困难重重，比如暗室观察荧光时难以在多人班级的课堂上实现，该实验的时间相对较长也不便于正常单元课堂的时间内完成等。缺乏免疫荧光实验的技能培训导致许多本科生在今后的工作中应用免疫荧光实验技术时缺乏充分的知识经验和实践操作能力，难以满足岗位招聘的即用需求。

1 虚拟仿真实验教学模式发展现状

虚拟仿真技术是指运用计算机软件构建一个虚拟系统来模仿现实世界的技术，又称虚拟现实技术。置身于该虚拟系统中，操作者感知到跟现实世界十分接近的场地环境和目标对象，开展着与现实世界十分雷同的事物发生过程。虚拟仿真技术可帮助人们反复获取重要的知识经验，却不会受到现实世界的诸多限制，其已成为工农业生产、国防建设、临床治疗医学和现代教育事业发展的重要手段[3]。

近年来，我国高等教育教学领域掀起了应用虚拟仿真技术的浪潮。当前的工科和医学院校，已在逐步抛弃具有高昂实验成本、巨大安全隐患和场地条件要求苛刻等弊端的传统实验教学模式，建立虚拟仿真实验教学模式。为鼓励发展虚拟仿真实验教学模式，教育部于2015年设立了100个国家级虚拟仿真实验教学示范中心，2016年又新增了200个，2017年则提出在未来4年(2017～2020年)内立项国家级虚拟仿真实验项目1 000项。

通过参加国内虚拟仿真实验教学研讨会，笔者发现免疫荧光实验技术虚拟仿真教学体系开发的呼声很高，但由于研发免疫荧光虚拟仿真实验系统不仅要求构建者团队具有渊博的免疫学专业知识，且须熟悉3DS Max、Photoshop、Flash和Dreamweaver等软件的操作[4-6]，这种难度较高的挑战使得该实验项目的虚拟仿真教学系统研发迟迟难以启动。为此，本文提出了构建免疫荧光实验项目虚拟仿真教学系统的具体方法，期望有助于推动该项工作的快速发展。

2 免疫荧光实验项目虚拟仿真教学模式构建方法

2.1免疫荧光实验虚拟教学软件整体设计 应用Dreamweaver制作虚拟仿真教学网页，设置免疫荧光实验虚拟教学软件的登录主界面模块和具体实验教学模块，实验教学模块下设实验项目选择、实验原理、实验器材、实验操作流程、具体实验操作、结果获得和分析6个子菜单选项，如图1所示。

图1 虚拟仿真实验教学平台整体结构图Fig.1 Whole structure diagram of virtual simulation experiment teaching platform

在实验教学模块下，实验项目选择很容易设置，实验原理和结果分析部分为通识内容，整理文献资料填充即可，实验器材、具体实验操作需依据实验操作流程确定。因此，制定实验操作流程，按照实验操作流程制作实验操作需用的各种二维图片、三维虚拟模型及动画素材，再把这些素材按照实验操作流程的顺序整合成计算机语言，形成虚拟实验操作程序，是开发整个实验教学模块的关键环节。

2.2免疫荧光实验操作流程制定 参考当前国内外普遍使用的实验方案，免疫荧光实验的具体操作流程主要包括样本取材、制片、脱蜡复水、封闭、一抗和二抗孵育、结果观察等步骤[7]，如图2所示。

2.3虚拟模型和动画的确定及制作 对实验流程中涉及的环境、器材、试剂和人等虚拟内容进行归纳整理，应用Photoshop、3DS Max、Flash等软件建立二维图、三维虚拟模型和动画素材，如表1所示。

2.4将素材嵌入虚拟仿真平台 建模完成后，还需经过以下几个环节将其嵌入虚拟仿真平台，完成免疫荧光虚拟仿真实验项目的构建。

图2 免疫荧光实验基本流程Fig.2 Basic flow of immunofluorescence experiment

表1虚拟实验模型素材汇总

Tab.1Asummaryofvirtualexperimentmode

素材类别虚拟对象类别虚拟模型名称二维图片类(Photoshop)背景类背景图标识修饰类图标、不规则符号、装饰图等三维模型类(3DS Max)人教师、学生、实验技术人员、管理员等环境设施类常规实验室、实验台、暗室等仪器设备类荧光显微镜、切片机、恒温箱、摇床等器皿工具类烧杯、染色缸、PBS洗瓶、胶头滴管、废液缸、载玻片、盖玻片、染色架、离心管、离心管架、避光湿盒、滤纸、计时器等试剂一抗、荧光标记二抗、山羊血清封闭液、pH7.4 PBS缓冲液、三蒸水等特殊对象类水滴、水流、水雾、荧光等动画视频类(Flash)结果观察及分析的动画视频正确、错误结果观察及分析的动画视频展示

第一，转换在不同建模软件中制作的各种模型的格式，使其能够插入到虚拟平台中，变为能被调用和处理的对象。第二，在Dreamweaver中创建站点后，进行网页制作，之后进行站点的测试和发布。每一界面是通过超文本标记语言(Hypertext markup language,HTML)编写的文件，把这些素材按照实验操作流程的顺序分门别类整合到不同的网页界面，使用浏览器将HTML语言翻译成浏览者看到的绚丽多彩的界面。第三，设置鼠标点击选择的交互方式完成各个虚拟模型之间的人机交互、元素交互，搭建成为虚拟实验系统。第四，将虚拟实验软件转变为可执行文件，整合成计算机语言，形成虚拟实验操作软件程序，最终实现虚拟实验教学软件的漫游功能、演示功能、互动功能和考核功能，在网页上发布，有效运用到学生实验教学之中。

综上所述，通过Photoshop 进行二维图片整理、3DS Max进行三维模型建立、Flash进行视频动画制作获取需用的虚拟实验素材，运用Dreamweaver软件和专业HTML编辑器，进行网页设计、编码和开发，把各种素材整合，以PC机为硬件平台，完成免疫荧光实验的虚拟仿真教学软件构建。

3 结语

虚拟仿真教学模式在国内外多个领域内的发展均十分迅速，国外的一些虚拟实验室使用了功能更强大的3D CAD进行机器人智能领域建模[8]。高端生物学技术的实验项目近年来也正在逐步开展虚拟仿真实验教学模式[9]，张玲等[10]基于 VRP 和 3DS Max 构建了SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳虚拟实验取得了成功。

本文对免疫荧光实验项目虚拟仿真教学模式的构建方法进行了精心设计，系统整理和归纳了构建的各个环节，其在具体构建时可根据需要，插入补充模块。此外，网页设计技术的精湛程度，素材模拟效果的逼真情况，虚拟平台与数据库的连接状况均是极具挑战性的操作环节。由于生物学实验虚拟仿真教学领域的发展目前才刚刚起步，可借鉴的现成资源相对缺乏，构建出效果优良的免疫荧光实验项目需要进一步实践应用。