虚拟仿真技术在生物化学教学中的应用

摘 要  随着现代科学技术发展，虚拟仿真技术逐渐由商业环境走向现代教育领域。生物化学中生物大分子的结构和物质代谢过程是学生学习的重点和难点，三维模型不仅能够形象地展示生物大分子的微观结构，还可以帮助学生更好的理解教学内容。本文对三维模型在生物化学中的应用进行了初步探讨。

关键词 虚拟仿真技术;生物化学教学;生物大分子;三维模型

中图分类号： Q5-4;G434               文献标识码： A

生物化学是一门研究生物体的化学组成、分子结构和物质代谢过程的科学，其理论性强、名词众多、概念抽象，是最晦涩难懂的生物学科之一。在教学过程中，学生往往反映生化知识难学难记，教师也发现学生对知识的掌握程度参差不齐。

1 生物化学的教学方式

传统的生物化学教学往往靠“一本教材、一支粉笔、一块黑板”，在这样的教学氛围里，教师讲得累、写得累，学生听得累、记得累。这种单一的传统教学模式已不适应时代发展的需要。随着计算机技术的迅速发展，多媒体教学已经普及，它能将文字、声音、图像、动画等素材结合起来，丰富了课堂教学的形式，提高课教学效果。目前，运用多媒体辅助教学已成为高等学校生物化学的普遍教学方式。如果将生物化学中的基本概念、生物大分子的结构与功能、代谢过程恰当地运用图片、动画和视频等多媒体形式来阐述和展示，就会使该课程中抽象难懂的理论知识变得具体清晰，这将极大地提高学生的学习兴趣。目前，生物化学教师的计算机水平参差不齐，制作的课件往往不能准确表达教师的意图。由于制作优良的多媒体课件不仅需要制作者具有较高的专业知识水平和较高的计算机软件应用水平，而且还需耗费很多的时间和精力，因此很多生物化学教学课件的质量不高，甚至有的是单纯将讲稿变为电子版进行演示，这使得多媒体教学的优势难以真正发挥。

2 虚拟仿真技术在生物化学教学中的应用

虚拟仿真技术是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统，它综合利用了计算机图形学、仿真技术、三维建模技术、多媒体技术、人工智能技术和计算机网络技术等模拟真实存在的场景或想象中的世界。虚拟仿真应用于教育是教育技术发展的一个飞跃，它营造了“自主学习”的环境，由学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型學习方式代替了传统的“以教促学”的学习方式[1]。

生物大分子如核酸、蛋白质和糖类都是立体的空间结构，二维图片无法直观展示其形态，但三维建模可以清晰、形象地展示这些大分子的结构，有很多生物化学教师开始探索三维模型在生物化学教学中的应用。朱素琴等[2]在讲解胰凝乳蛋白酶三联体催化机制时采用三维动画的形式，展示催化三联体中“Asp102-His57-Ser195”构成的氢键体系—电荷中继网，突出Ser残基中活性“O”的亲核攻击力，将酶催化肽键水解中的共价催化、酸碱催化机制很简明、生动、直观地表现出来，学生普遍反映对这部分内容的学习很轻松，也很感兴趣。此外，梁亦龙[3]开发的虚拟PCR实验和黄佳玲[4]开发的聚丙烯酰胺凝胶电泳虚拟实验都有助于学生了解实验原理和步骤。但目前关于生物化学分子结构的三维模型还比较少，在教学中的应用还不广泛。针对上述问题，结合生物化学的特点，我们采用三维软件（3D Max、ZBrush等）制作了生物大分子的三维模型，用于展示三维大分子的微观结构。如在讲解蛋白质的高级结构时，我们制作了肌红蛋白的三维模型，该模型能够清晰地显示肌红蛋白的三级结构，我们用不同的颜色显示肌红蛋白的8段α螺旋（A到H）不对称盘曲的形状，而血红素分子被C、E、F和G螺旋包围（图1）。通过虚拟交互编程，我们还可以操作该模型进行360°旋转，让学生从不同角度观察血红蛋白的结构。这种教学模式不仅能激发学生的学习兴趣，培养学生的创新意识与实践能力，满足不同理解能力学生的学习要求，而且能很好地解决传统课堂上重讲解、内容多、学生被动接受的不足。

3 前景展望

将虚拟现实技术应用在生物化学教学中，可以形象地展示生物大分子的微观结构，改变以教师为中心的授课形式，建立以学生为中心的个别化教学和有目的自我学习的学习模式;而且观看三维模型和三维动画能够提高学生学习的积极性，提高教学效果，使学生扎实掌握生物化学基础知识，利于后续相关专业课的学习。

参考文献

[1]刘春英.虚拟实验在生物化学实验教学中的应用[J].科技视界， 2015（35）：163.

[2]朱素琴，季本华.生物化学教学改革的实践与探索[J].微生物学通报，2010，37（08）：1238-1242.

[3]梁亦龙，卢利平，范欢，等.虚拟实验在生物化学实验教学中的运用[J].实验室科学，2012，15（02）：45-47.

[4]黄佳玲，马生健，曾富华.基于Flash的生物化学虚拟实验室研究与开发——聚丙烯酰胺凝胶盘状电泳[J].高校生物学教学研究（电子版），2014，4（02）：52-56.