医学遗传学虚拟实验室建设及设计原则

1、医学遗传学虚拟实验室建设及设计原则杨玲 郭锋 李锦燕 王浩 左伋 刘雯*复旦大学基础医学院细胞与遗传医学系，上海 200032摘要：随现代医学研究以及互联网和计算机技术的发展，虚拟实验室被更多地应用到医学实验教学中。本文论述了医学遗传学虚拟实验室的建立的意义、可行性和设计原则， 为医学遗传学实验教学的创新模式的探索提供了新的思路。关键词：医学遗传学；虚拟实验室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资助项目：复旦大学基础医学院教学改革研究项目通讯作者：刘雯医学遗传学是遗传学知识在医学领域应用的一门学科，是医学生的基础课程之一。在医学遗传学的授课过程中理论教学与实验教学相辅相成，实验教学是深化理论教学，培养科研与创新能力的重要手段，是从理论走向实践的重要环节。伴随现代医学研究的发展，人们逐步认识到很多疾病的发生、发展、疗效及转归均与遗传有关。并且随着基因功能研究的逐步深入，医学遗传学涵盖的范围已扩展至分子领域。目前多种分子生物学的技术与遗传学研究相结合，为医学遗传学的发展提供了更多的研究手段。加之传统遗传学（如染色体分析等）的各种研究方法，医学遗

4、传学实验教学课程不仅需要向学生讲授各种技术，更需要讲授不同技术如何组合应用，合理的解释遗传现象。1. 传统实验教学的缺陷 医学遗传学实验的改革一直在各大专院校展开，以期达到更好的教学目的，紧跟医学遗传学知识的更新。然而，迄今为止，国内绝大部分高校的医学遗传学实验课程还采用的是传统的教学方法，即在有着真实操作台的实验室完成教学。目前传统的实验课教学存在着时间、空间及资源不足等诸多问题：1.不能保证每位同学在每次实验过程中均有动手机会；2.由于条件限制，有些操作过于复杂、危险性大的实验无法设计到教学过程中；3.有些实验的完成需要连续三至四天进行，而现有实验课程设置为每周或隔周一次，影响实验效果；4

5、.实验中有些步骤等待时间较长，课堂时间利用率差；5.由于时间、师资等限制尚无法对实验内容进行举一反三。因而急需搭建一个可以弥补上述缺陷的实验教学平台，通过和现有实验教学相配合，优势互补，从而获得更好的教学效果。2虚拟实验室特点与优势 随着互联网和计算机技术的迅猛发展，虚拟技术和虚拟实验室在实验教学过程中应运而生。虚拟实验室（Virtual Laboratory）是一种运用虚拟现实技术模拟实物实验的计算机辅助教学软件，采用多媒体信息技术在计算机上建立虚拟实验教学环境，使学生利用互联网通过接近真实的人机交互界面完成实验。虚拟实验室的概念是1989年William Wolf提出的，描述了一个计算机网

6、络化的虚拟实验室环境1，一个无墙的研究中心。相对于虚拟实验室而言，目前传统的实验室称为真实实验室（Real laboratory）2。从技术角度讲，虚拟实验系统是在各种相关技术的支撑下，用软件方法模拟硬件设备的功能。相关技术包括VR技术，Lab VIEW技术，交互式Flash技术，ASP技术，Active技术及JaVa等。虚拟实验室由以虚拟仪器技术为核心的仿真引擎、处理因素数据库、虚拟环境界面和虚拟操作等模块组成。在虚拟实验室中，每一个可视化器件代表一种实验器材，无论是学生还是教师都可以随时进入虚拟实验室，通过鼠标的点击与拖拽操作仪器，进行各种实验3。以医学遗传学最基础的染色体制备实验为例，学

7、生可以通过鼠标点击电脑屏幕上的各个物品，最终完成制备悬液、滴片、制片等过程。而更复杂的医学遗传学实验也可以在虚拟实验室中完成。与传统的真实实验室相比，虚拟教学实验室不拘泥于实验场地，打破时间、空间的限制，使得学生和教师均可以在任何时间，任何地点接入互联网进行实验操作。计算机、平板电脑乃至智能手机的普及，使学生更是可以随时随地登录虚拟实验室4，利用各种零散时间完成课程学习。同时虚拟实验室还节省了医学遗传学实验过程中需要等待的时间。对于一次实验不能很好掌握的复杂实验，虚拟实验室也比传统真实实验室具有更大的优势，学生可以反复操作、练习直至完全掌握。医学遗传学相关技术日新月异，新的实验方法，研究思路不

8、断涌现。传统实验教学需要不断更新才能紧跟科学的前沿，而这将需要仪器设备、试剂等的更换来完成，需要一定的时间，有时还受到经费等的限制。而虚拟实验室具有很好的可扩充性，较好的解决了这个问题，可以在较短的时间内增加新的虚拟设备，而且用户也可以根据自身需要在平台中增加或删减相应的虚拟实验。虚拟实验平台还可以提供在线指导功能，学生在遇到问题时能向老师询问或与其他同学交流，老师也可以通过平台给所有在线的学生讲解实验的流程。综上所述，虚拟实验室较好的解决了现实实验教学中时间、空间及资源不足的情况，弥补了传统实验教学的不足。虚拟实验室概念的提出至今已有二十多年，由于其显著的优点，广阔的应用前景，很多国家都进行

9、了关于虚拟实验室研究与建设的工作。近年出现并逐步成熟的虚拟现实（Virtual Reality）技术使得虚拟实验室的功能得以进一步延伸。目前虚拟实验室在教育领域的应用也越来越广阔，成为一种新的教学形式并被人们认可。虚拟实验室是一个无墙的中心，就虚拟教学而言，一旦建成，除本校学生可以享用外，亦可通过资源共享，提供给其他院校。这对于一些实验条件和人力资源均有限的小医学院校而言将带来极大的便利，使这些学校的学生亦可享受到名校的教学条件和资源。虚拟实验室的建成和使用将成为我国解决实验资源紧缺和远程实验教育难等问题的重要途径。目前国外的很多著名大学，都拥有建好并投入使用的虚拟实验平台，覆盖了各个学科和专

10、业。如美国霍普金斯大学的虚拟工程与科学实验室（/virtlab/virtlab.html）；卡耐基-梅隆大学的卡耐基-梅隆虚拟化学实验室（ HYPERLINK /activities/vlab/1 /activities/vlab/1）；德国汉诺威大学的虚拟自动化工作平台；意大利帕瓦多大学的远程虚拟教育实验室。国内的虚拟实验室也在逐步建立，如清华大学的工程力学虚拟实验室（ HYPERLINK /resource/thcw/j53/index.htm /resource/thcw/j53/index.htm），浙江大学的有机化学虚拟实验室（ HYPERLINK /100/ /100/），北京科技

11、大学的材料虚拟实验室（ HYPERLINK /sytj.asp?fid=229 /sytj.asp?fid=229）。针对医学遗传学方面的虚拟实验室在国外的大学中也有建立，如美国犹他大学遗传学实验室/content/labs/extraction/等。国内医学遗传学的虚拟实验室尚不多见，因而我国医学遗传学虚拟实验室的建设势在必行。3医学遗传学实验教学虚拟实验室的设计原则 虚拟实验室是基于网络技术、虚拟仿真技术构建的开放式网络化的实验教学系统，以计算机硬件和软件作为支撑。虚拟实验室的构建首先要确定设计原则和目标，并以此为虚拟实验室建立的指导方向；之后，选择合适的体系结构模板及技术进行系统设计，最

12、后进行网络发布工作。先确定设计规则和工作流程，即明确“做什么”；之后做出具体的程序设计，即确定“如何做”。因而虚拟实验室的建立需要电子、计算机、机械等各方面人才的通力合作，共同搭建。然而具体到医学遗传学，则首先需要熟悉该学科教师选择需要进行的实验，设定实验方案，并以此为整个实验室搭建的指导方向。我们所设想建立的医学遗传学虚拟实验室应该具备以下四个条件：1.实验技术全，尽可能涵盖医学遗传学的所有技术；2.具有好的扩展性，新的技术一旦出现，可以尽快纳入虚拟实验室；3.该实验室可以完成综合实验的设计；4.具备互动平台。具体而言，我们的医学遗传学虚拟教学实验室可以提供两种实验教学方式。其一，学生可以在

13、虚拟教学实验室对医学遗传学各项实验技术进行学习、操作和熟悉；其二，学生可以自行选择实验设备，试剂，搭建实验组合，完成实验或某项遗传学诊断，最终获得相应的实验结果或诊断结果。以某疾病遗传诊断的实验为例，学生可以通过临床诊断（涉及病史问询、系谱绘制等）、细胞学检查（涉及染色体核型分析等）、分子诊断（涉及荧光原位杂交、聚合酶链反应等技术）获得最终结果。且在该过程中，需要学生的主观判断和选择，明确下一步的诊断应该选取什么样的方法；获得的结果如何解释。因而整个实验结束时，学生操作能力得到提高的同时，学生的分析判断能力、设计能力和创新意识也得到了提升，对所掌握实验技术的应用也有了更深入的了解。此外，虚拟实

14、验室可以提供学生举一反三的机会，深化教学效果。例如现实实验教学课堂最多提供二到三种疾病相关检测和设计，而虚拟实验室可以提供更多地选择，让学生在熟悉一种实验设计的同时，触类旁通，对相似的检测或研究都了然于心。此外，我们的医学遗传学虚拟实验室需要具备很好的互动平台。在学习过程中，老师可以对学生的设计及操作给予指导和点评，学生碰到问题可以向老师请教，同学间也可以互相探讨。综上所述，严谨完整的设计，是虚拟实验室成功建立的关键和首要步骤。通过建立医学遗传学虚拟实验室的建立能成为传统真实实验室的有效补充，是医学遗传学课程建设的需要。同时，虚拟实验室的建立通过融入网络技术和计算机技术等各种先进的技术与手段，使医学教育开始走上了网络教学、远程教学的道路。参考文献：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