“biochemistry cells”生化學(xué)習(xí)互動程序設(shè)計的實踐與思考

余其奕，金俊昌，張一東，宋瀟達，李植

（中國藥科大學(xué)，江蘇南京 211198）

隨著科技的發(fā)展，計算機輔助教學(xué)逐漸成為一種新型的教學(xué)方式，其中尤以虛擬仿真實驗最受學(xué)生的歡迎，但是市面上沒有關(guān)于生物化學(xué)的計算機輔助實驗軟件。近年來，模擬經(jīng)營類游戲的受眾面越來越廣，已經(jīng)延伸至高校學(xué)生群體，目前已有將游戲化設(shè)計在教學(xué)中應(yīng)用的案例[1]。

受以上案例啟發(fā)，課題組將生化知識與計算機輔助教學(xué)結(jié)合，融入模擬經(jīng)營類游戲元素，設(shè)計開發(fā)出一款學(xué)習(xí)互動實驗軟件——“biochemistry cells”。

1 技術(shù)路線設(shè)計

1.1 軟件開發(fā)流程

通過應(yīng)用2D平面游戲開發(fā)引擎“喚境”開展生物化學(xué)學(xué)習(xí)程序的研究。為更好地完成生化學(xué)習(xí)軟件的制作，實驗小組成員對生物化學(xué)與分子生物學(xué)各反應(yīng)原理進行相關(guān)研究，尋找出具有典型性并易于展示的基本內(nèi)容，最終從自身實際經(jīng)驗出發(fā)，綜合學(xué)生對生化學(xué)習(xí)的反饋，考慮到開發(fā)難度，決定選擇生物氧化為制作內(nèi)容。通過比對市面上多種開發(fā)軟件的優(yōu)劣，進而對開發(fā)軟件進行了廣泛篩選，以突出更強的可操作性和更好的視覺沖擊，綜合考慮到引擎的使用難度，采用“喚境”引擎開發(fā)2D平面展示部分。

“喚境”引擎實現(xiàn)了對游戲場景的搭建以及生化基本反應(yīng)的表現(xiàn)。在編寫過程中，課題組成員對二維細(xì)胞及線粒體2D平面模型進行素材收集繪制，以完成程序場景搭建。在第一圖層（細(xì)胞）中，實驗使用添加按鈕的方式，在細(xì)胞圖層中的線粒體上添加事件，通過細(xì)胞圖層中的可選部分線粒體跳轉(zhuǎn)至第二圖層（線粒體）。在細(xì)胞圖層中需要突出體現(xiàn)線粒體的輪廓，方便用戶進行識別與點擊。在線粒體圖層中，實驗將預(yù)設(shè)各類參數(shù)，圖層上方展示預(yù)設(shè)的各類參數(shù)變量，這些參數(shù)變量包括生化反應(yīng)所需的典型原料與反應(yīng)條件等。線粒體圖層中通過安放按鈕并加入條件設(shè)置，完成“交易”功能。線粒體圖層中的“交易”界面以圖層上方的各類參數(shù)變量為基本“交易單位”，程序可通過“交易”事件展示生化反應(yīng)的基本要素與流程（見圖1）。

圖1 交易界面

2.2 軟件設(shè)計

考慮到細(xì)胞中線粒體的代謝活動以及學(xué)生學(xué)習(xí)生物化學(xué)的實際需求，開發(fā)人員選擇圍繞細(xì)胞呼吸-電子傳遞鏈這一生物氧化中不可或缺的組成部分構(gòu)建相關(guān)的程序。同時考慮到ATP是能量流通的主要形式，本程序以ATP的變化體現(xiàn)生物氧化反應(yīng)的進行。

電子傳遞鏈通過復(fù)合物1～復(fù)合物4來傳遞電子，程序的核心是在一次生物氧化反應(yīng)中，通過調(diào)節(jié)復(fù)合物參數(shù)來影響電子的傳遞，從而改變反應(yīng)最終的結(jié)果——ATP的生成量。因此，開發(fā)組將4種復(fù)合物設(shè)置為核心參數(shù)，用以控制反應(yīng)。使用者在一次電子傳遞開始前，可以在相關(guān)的界面內(nèi)消耗已有的ATP，控制細(xì)胞合成復(fù)合物并使其參與本次的電子傳遞過程。同時調(diào)控界面內(nèi)也有相關(guān)的知識介紹，讓使用者在直觀感受生物氧化反應(yīng)調(diào)控的同時也能收獲到相關(guān)的生物化學(xué)知識。

細(xì)胞所處的環(huán)境會對細(xì)胞的代謝活動產(chǎn)生影響，因此開發(fā)人員引進溫度作為環(huán)境變量，同時引入解偶聯(lián)劑變量作為平衡溫度影響的手段。溫度會對線粒體中電子的傳遞和細(xì)胞呼吸產(chǎn)生很大的影響，例如當(dāng)溫度過低時反應(yīng)效率大大降低，此時可以消耗ATP主動解偶聯(lián)平衡溫度的不利影響。引入外部環(huán)境因素和內(nèi)部應(yīng)對手段，可以讓使用者直觀地感受到生物體對外界環(huán)境的應(yīng)答與適應(yīng)性，在了解相關(guān)知識的同時對細(xì)胞的“動態(tài)平衡”有更深的理解。

為了保證程序的科學(xué)性并符合實際，經(jīng)過測試人員認(rèn)真測試并反饋，開發(fā)人員多次嚴(yán)謹(jǐn)論證調(diào)整參數(shù)，在保證程序的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性同時確保不影響趣味性。同時為了增加程序的趣味性和挑戰(zhàn)性，開發(fā)人員針對此部分設(shè)置了特定目標(biāo)（可選），即在規(guī)定反應(yīng)次數(shù)內(nèi)生成特定數(shù)量的ATP，這使得學(xué)有余力的同學(xué)能夠活用收獲的知識，探尋反應(yīng)的可能性，讓學(xué)生在使用程序的過程中既能學(xué)習(xí)到生化知識，又能感受到生物化學(xué)的趣味之處。

2.3 軟件使用方法

在進行生物氧化反應(yīng)之前，操作者可以消耗細(xì)胞中已有的ATP來調(diào)整參與此反應(yīng)的4種復(fù)合物的數(shù)量，以此控制反應(yīng)的產(chǎn)物量（主要為ATP）。反應(yīng)產(chǎn)生的ATP可以用于調(diào)整下一刻反應(yīng)，也可用于細(xì)胞中其他場所的反應(yīng)。同時下一刻反應(yīng)受上一輪反應(yīng)的結(jié)果反饋，并影響更下一刻的反應(yīng)。

3 軟件的測試及結(jié)果

3.1 實驗設(shè)計

招募有生化學(xué)習(xí)經(jīng)歷的3個班級學(xué)生作為測試者，每個班級為一組，隨機分為3個測試組。測試組1使用“biochemistry cells”生物化學(xué)學(xué)習(xí)互動程序；測試組2觀看有關(guān)生物氧化知識的視頻《電子傳遞鏈Electron transport chain》[2]，綜合考慮游戲時長和視頻時長，決定學(xué)習(xí)時長均為8 min；測試組3不進行任何形式的復(fù)習(xí)。在實驗結(jié)束2 min后，利用手機平臺發(fā)布測試：生化互動學(xué)習(xí)軟件成果測試問卷，測試內(nèi)容為有關(guān)生物氧化知識的考題（共8題），匿名提交，不公布成績與錯題，并叮囑測試者不要查找正確答案或進行復(fù)習(xí)，將3個測試組得分進行統(tǒng)計。測試組1另做一份關(guān)于生化互動學(xué)習(xí)軟件評價的問卷，并對本軟件發(fā)表看法。

3.2 結(jié)果與分析

最終收集了共59份生化互動學(xué)習(xí)軟件成果測試問卷的反饋，其中測試組1有12份、測試組2有19份、測試組3有28份，匯總統(tǒng)計結(jié)果如圖2所示。實驗結(jié)果表明，測試組1和測試組2平均成績提高明顯，分別較測試組3高出10.13%和22.61%。平均成績的提升表明使用“biochemistry cells”生物化學(xué)學(xué)習(xí)互動程序?qū)ι镅趸闹R掌握有著明顯的促進作用。

圖2 生化互動學(xué)習(xí)軟件成果測試問卷成績

4 改進方案

收集到的游戲評價中，部分測試者認(rèn)為參與感不強，建議增強程序的可操作性和趣味性，結(jié)合測試結(jié)果顯示測試組1的平均成績低于測試組2，認(rèn)為此程序現(xiàn)階段開發(fā)部分較少，編程功能有限，無法完全做到游戲的趣味性和學(xué)習(xí)程序的教育性相結(jié)合，此軟件現(xiàn)階段還不能完全代替經(jīng)典的生化教學(xué)視頻的作用和地位。大多數(shù)測試者給出了積極的評價，愿意推薦給他人，并期待著此軟件的進一步更新。課題組充分吸取了實驗得到的經(jīng)驗和建議，對本程序做出了如下改進。

4.1 使用3D游戲開發(fā)引擎

目前，2D平面游戲開發(fā)引擎“喚境”功能較少，只能展示平面結(jié)構(gòu)，不能將各個生物大分子及細(xì)胞器直觀地展示出來，項目中預(yù)期的設(shè)想無法完全用此引擎達到。經(jīng)過項目組的調(diào)研，Unity 3D以及配套的3D建模軟件3D Studio Max可以滿足展示立體結(jié)構(gòu)和復(fù)雜變換等功能，足以滿足現(xiàn)階段項目的需求。

項目組成員學(xué)習(xí)了3D Studio Max建模方法，聯(lián)系了會使用Unity 3D的開發(fā)人員，目前于2D游戲上的思路正在逐步嫁接到3D平臺上，并出現(xiàn)了顯著的成效。如圖3所示，3D引擎的使用使得生物大分子結(jié)構(gòu)更加清楚，生化過程更加清晰，更有益于使用者對生化知識的理解。

圖3 使用Unity 3D建模后的3D細(xì)胞圖

4.2 增加程序趣味性

部分測試者認(rèn)為此程序趣味性不強，建議增強程序中教育功能和游戲趣味的結(jié)合。如圖4所示，項目組進行了初步的嘗試，暫時加入了一個小游戲板塊。在每一輪調(diào)整參與反應(yīng)的4種復(fù)合物的數(shù)量之前，增加一個操縱細(xì)胞“捕捉”葡萄糖的小游戲，時長為20 s，捕捉到的葡萄糖用于接下來的ATP合成。這個環(huán)節(jié)的設(shè)置，在不失教育性的情況下增加了游戲環(huán)節(jié)，增添了本程序趣味性。今后，會考慮繼續(xù)借鑒當(dāng)下熱門游戲的玩法，在軟件持續(xù)開發(fā)過程中保持游戲環(huán)節(jié)的比例，使得本軟件更加吸引使用者，提升用戶友好性，讓生化學(xué)習(xí)不再枯燥單調(diào)。

圖4 模擬細(xì)胞攝取葡萄糖數(shù)據(jù)變化統(tǒng)計界面

5 結(jié)語

在軟件開發(fā)時，小組成員認(rèn)識到該應(yīng)用程序具有高度的拓展性與兼容性。此設(shè)計思路不但可以應(yīng)用于生物化學(xué)的學(xué)習(xí)中，還可以拓展至醫(yī)學(xué)藥學(xué)等相關(guān)學(xué)科。例如，針對神經(jīng)細(xì)胞、干細(xì)胞、肝細(xì)胞、視錐細(xì)胞等細(xì)胞的類似應(yīng)用的開發(fā)；引入“對抗”機制，開發(fā)細(xì)胞與病原體的對抗，讓使用者對病原體的致病性有一定的了解；引入“突發(fā)事件”，還可以將病理學(xué)和藥理學(xué)結(jié)合起來，產(chǎn)生新的玩法；將宏觀的組織和器官與微觀的細(xì)胞相結(jié)合，運用生化知識，結(jié)合策略類游戲玩法，讓生理學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、生物化學(xué)有機結(jié)合，從而讓使用者對機體的正常生命活動有一個全面而清晰的認(rèn)識。