醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及設(shè)計(jì)原則

1、醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及設(shè)計(jì)原則楊玲 郭鋒 李錦燕 王浩 左伋 劉雯*復(fù)旦大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院細(xì)胞與遺傳醫(yī)學(xué)系，上海 200032摘要：隨現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究以及互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)室被更多地應(yīng)用到醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。本文論述了醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立的意義、可行性和設(shè)計(jì)原則， 為醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新模式的探索提供了新的思路。關(guān)鍵詞：醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)；虛擬實(shí)驗(yàn)室Abstract：With the development of medical science and information technology, virtual laboratory will be more and more a

2、pply in the medical experimental courses. In this article, we discussed about the significance, feasibility and the designed principle of virtual laboratory of medical genetics. It will be provide a new view of the innovation mode of experimental teaching of medical genetics.Key words：Medical geneti

3、cs; Virtual Laboratory資助項(xiàng)目：復(fù)旦大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院教學(xué)改革研究項(xiàng)目通訊作者：劉雯醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)是遺傳學(xué)知識(shí)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的一門學(xué)科，是醫(yī)學(xué)生的基礎(chǔ)課程之一。在醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)的授課過程中理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相輔相成，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是深化理論教學(xué)，培養(yǎng)科研與創(chuàng)新能力的重要手段，是從理論走向?qū)嵺`的重要環(huán)節(jié)。伴隨現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究的發(fā)展，人們逐步認(rèn)識(shí)到很多疾病的發(fā)生、發(fā)展、療效及轉(zhuǎn)歸均與遺傳有關(guān)。并且隨著基因功能研究的逐步深入，醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)涵蓋的范圍已擴(kuò)展至分子領(lǐng)域。目前多種分子生物學(xué)的技術(shù)與遺傳學(xué)研究相結(jié)合，為醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)的發(fā)展提供了更多的研究手段。加之傳統(tǒng)遺傳學(xué)（如染色體分析等）的各種研究方法，醫(yī)學(xué)遺

4、傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程不僅需要向?qū)W生講授各種技術(shù)，更需要講授不同技術(shù)如何組合應(yīng)用，合理的解釋遺傳現(xiàn)象。1. 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的缺陷 醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)的改革一直在各大專院校展開，以期達(dá)到更好的教學(xué)目的，緊跟醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)知識(shí)的更新。然而，迄今為止，國內(nèi)絕大部分高校的醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)課程還采用的是傳統(tǒng)的教學(xué)方法，即在有著真實(shí)操作臺(tái)的實(shí)驗(yàn)室完成教學(xué)。目前傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)存在著時(shí)間、空間及資源不足等諸多問題：1.不能保證每位同學(xué)在每次實(shí)驗(yàn)過程中均有動(dòng)手機(jī)會(huì)；2.由于條件限制，有些操作過于復(fù)雜、危險(xiǎn)性大的實(shí)驗(yàn)無法設(shè)計(jì)到教學(xué)過程中；3.有些實(shí)驗(yàn)的完成需要連續(xù)三至四天進(jìn)行，而現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置為每周或隔周一次，影響實(shí)驗(yàn)效果；4

5、.實(shí)驗(yàn)中有些步驟等待時(shí)間較長，課堂時(shí)間利用率差；5.由于時(shí)間、師資等限制尚無法對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行舉一反三。因而急需搭建一個(gè)可以彌補(bǔ)上述缺陷的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，通過和現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)相配合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而獲得更好的教學(xué)效果。2虛擬實(shí)驗(yàn)室特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì) 隨著互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬技術(shù)和虛擬實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中應(yīng)運(yùn)而生。虛擬實(shí)驗(yàn)室（Virtual Laboratory）是一種運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬實(shí)物實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件，采用多媒體信息技術(shù)在計(jì)算機(jī)上建立虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，使學(xué)生利用互聯(lián)網(wǎng)通過接近真實(shí)的人機(jī)交互界面完成實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念是1989年William Wolf提出的，描述了一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)

6、絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境1，一個(gè)無墻的研究中心。相對(duì)于虛擬實(shí)驗(yàn)室而言，目前傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室稱為真實(shí)實(shí)驗(yàn)室（Real laboratory）2。從技術(shù)角度講，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是在各種相關(guān)技術(shù)的支撐下，用軟件方法模擬硬件設(shè)備的功能。相關(guān)技術(shù)包括VR技術(shù)，Lab VIEW技術(shù)，交互式Flash技術(shù)，ASP技術(shù)，Active技術(shù)及JaVa等。虛擬實(shí)驗(yàn)室由以虛擬儀器技術(shù)為核心的仿真引擎、處理因素?cái)?shù)據(jù)庫、虛擬環(huán)境界面和虛擬操作等模塊組成。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，每一個(gè)可視化器件代表一種實(shí)驗(yàn)器材，無論是學(xué)生還是教師都可以隨時(shí)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室，通過鼠標(biāo)的點(diǎn)擊與拖拽操作儀器，進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)3。以醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)最基礎(chǔ)的染色體制備實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)

7、生可以通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊電腦屏幕上的各個(gè)物品，最終完成制備懸液、滴片、制片等過程。而更復(fù)雜的醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)也可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室中完成。與傳統(tǒng)的真實(shí)實(shí)驗(yàn)室相比，虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)室不拘泥于實(shí)驗(yàn)場地，打破時(shí)間、空間的限制，使得學(xué)生和教師均可以在任何時(shí)間，任何地點(diǎn)接入互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。計(jì)算機(jī)、平板電腦乃至智能手機(jī)的普及，使學(xué)生更是可以隨時(shí)隨地登錄虛擬實(shí)驗(yàn)室4，利用各種零散時(shí)間完成課程學(xué)習(xí)。同時(shí)虛擬實(shí)驗(yàn)室還節(jié)省了醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中需要等待的時(shí)間。對(duì)于一次實(shí)驗(yàn)不能很好掌握的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)室也比傳統(tǒng)真實(shí)實(shí)驗(yàn)室具有更大的優(yōu)勢(shì)，學(xué)生可以反復(fù)操作、練習(xí)直至完全掌握。醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)相關(guān)技術(shù)日新月異，新的實(shí)驗(yàn)方法，研究思路不

8、斷涌現(xiàn)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要不斷更新才能緊跟科學(xué)的前沿，而這將需要儀器設(shè)備、試劑等的更換來完成，需要一定的時(shí)間，有時(shí)還受到經(jīng)費(fèi)等的限制。而虛擬實(shí)驗(yàn)室具有很好的可擴(kuò)充性，較好的解決了這個(gè)問題，可以在較短的時(shí)間內(nèi)增加新的虛擬設(shè)備，而且用戶也可以根據(jù)自身需要在平臺(tái)中增加或刪減相應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還可以提供在線指導(dǎo)功能，學(xué)生在遇到問題時(shí)能向老師詢問或與其他同學(xué)交流，老師也可以通過平臺(tái)給所有在線的學(xué)生講解實(shí)驗(yàn)的流程。綜上所述，虛擬實(shí)驗(yàn)室較好的解決了現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中時(shí)間、空間及資源不足的情況，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足。虛擬實(shí)驗(yàn)室概念的提出至今已有二十多年，由于其顯著的優(yōu)點(diǎn)，廣闊的應(yīng)用前景，很多國家都進(jìn)行

9、了關(guān)于虛擬實(shí)驗(yàn)室研究與建設(shè)的工作。近年出現(xiàn)并逐步成熟的虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）技術(shù)使得虛擬實(shí)驗(yàn)室的功能得以進(jìn)一步延伸。目前虛擬實(shí)驗(yàn)室在教育領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣闊，成為一種新的教學(xué)形式并被人們認(rèn)可。虛擬實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)無墻的中心，就虛擬教學(xué)而言，一旦建成，除本校學(xué)生可以享用外，亦可通過資源共享，提供給其他院校。這對(duì)于一些實(shí)驗(yàn)條件和人力資源均有限的小醫(yī)學(xué)院校而言將帶來極大的便利，使這些學(xué)校的學(xué)生亦可享受到名校的教學(xué)條件和資源。虛擬實(shí)驗(yàn)室的建成和使用將成為我國解決實(shí)驗(yàn)資源緊缺和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教育難等問題的重要途徑。目前國外的很多著名大學(xué)，都擁有建好并投入使用的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，覆蓋了各個(gè)學(xué)科和專

10、業(yè)。如美國霍普金斯大學(xué)的虛擬工程與科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（/virtlab/virtlab.html）；卡耐基-梅隆大學(xué)的卡耐基-梅隆虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室（ HYPERLINK /activities/vlab/1 /activities/vlab/1）；德國漢諾威大學(xué)的虛擬自動(dòng)化工作平臺(tái)；意大利帕瓦多大學(xué)的遠(yuǎn)程虛擬教育實(shí)驗(yàn)室。國內(nèi)的虛擬實(shí)驗(yàn)室也在逐步建立，如清華大學(xué)的工程力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室（ HYPERLINK /resource/thcw/j53/index.htm /resource/thcw/j53/index.htm），浙江大學(xué)的有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室（ HYPERLINK /100/ /100/），北京科技

11、大學(xué)的材料虛擬實(shí)驗(yàn)室（ HYPERLINK /sytj.asp?fid=229 /sytj.asp?fid=229）。針對(duì)醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)方面的虛擬實(shí)驗(yàn)室在國外的大學(xué)中也有建立，如美國猶他大學(xué)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)室/content/labs/extraction/等。國內(nèi)醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)室尚不多見，因而我國醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)勢(shì)在必行。3醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)原則 虛擬實(shí)驗(yàn)室是基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建的開放式網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)硬件和軟件作為支撐。虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建首先要確定設(shè)計(jì)原則和目標(biāo)，并以此為虛擬實(shí)驗(yàn)室建立的指導(dǎo)方向；之后，選擇合適的體系結(jié)構(gòu)模板及技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最

12、后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布工作。先確定設(shè)計(jì)規(guī)則和工作流程，即明確“做什么”；之后做出具體的程序設(shè)計(jì)，即確定“如何做”。因而虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立需要電子、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等各方面人才的通力合作，共同搭建。然而具體到醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)，則首先需要熟悉該學(xué)科教師選擇需要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，設(shè)定實(shí)驗(yàn)方案，并以此為整個(gè)實(shí)驗(yàn)室搭建的指導(dǎo)方向。我們所設(shè)想建立的醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該具備以下四個(gè)條件：1.實(shí)驗(yàn)技術(shù)全，盡可能涵蓋醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)的所有技術(shù)；2.具有好的擴(kuò)展性，新的技術(shù)一旦出現(xiàn)，可以盡快納入虛擬實(shí)驗(yàn)室；3.該實(shí)驗(yàn)室可以完成綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)；4.具備互動(dòng)平臺(tái)。具體而言，我們的醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)室可以提供兩種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式。其一，學(xué)生可以在

13、虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)室對(duì)醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)、操作和熟悉；其二，學(xué)生可以自行選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)備，試劑，搭建實(shí)驗(yàn)組合，完成實(shí)驗(yàn)或某項(xiàng)遺傳學(xué)診斷，最終獲得相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果或診斷結(jié)果。以某疾病遺傳診斷的實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)生可以通過臨床診斷（涉及病史問詢、系譜繪制等）、細(xì)胞學(xué)檢查（涉及染色體核型分析等）、分子診斷（涉及熒光原位雜交、聚合酶鏈反應(yīng)等技術(shù)）獲得最終結(jié)果。且在該過程中，需要學(xué)生的主觀判斷和選擇，明確下一步的診斷應(yīng)該選取什么樣的方法；獲得的結(jié)果如何解釋。因而整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，學(xué)生操作能力得到提高的同時(shí)，學(xué)生的分析判斷能力、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新意識(shí)也得到了提升，對(duì)所掌握實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用也有了更深入的了解。此外，虛擬實(shí)

14、驗(yàn)室可以提供學(xué)生舉一反三的機(jī)會(huì)，深化教學(xué)效果。例如現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂最多提供二到三種疾病相關(guān)檢測和設(shè)計(jì)，而虛擬實(shí)驗(yàn)室可以提供更多地選擇，讓學(xué)生在熟悉一種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的同時(shí)，觸類旁通，對(duì)相似的檢測或研究都了然于心。此外，我們的醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室需要具備很好的互動(dòng)平臺(tái)。在學(xué)習(xí)過程中，老師可以對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)及操作給予指導(dǎo)和點(diǎn)評(píng)，學(xué)生碰到問題可以向老師請(qǐng)教，同學(xué)間也可以互相探討。綜上所述，嚴(yán)謹(jǐn)完整的設(shè)計(jì)，是虛擬實(shí)驗(yàn)室成功建立的關(guān)鍵和首要步驟。通過建立醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立能成為傳統(tǒng)真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的有效補(bǔ)充，是醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)課程建設(shè)的需要。同時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立通過融入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等各種先進(jìn)的技術(shù)與手段，使醫(yī)學(xué)教育開始走上了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、遠(yuǎn)程教學(xué)的道路。參考文獻(xiàn)：1A. Ferrero , V. Piuri. A Simulation Tool for Virtual Laboratory Experimentsin a WWW environment. IEEE Transaction on Instrumentation andMeasurement. 1999:741-746.2 Slavko Kocijancic, Cohn OSullivan. Real or virtual laboratories in science tea