高春霞 胡松

摘 要：穩(wěn)定同位素技術(shù)是廣泛應(yīng)用于海洋生態(tài)學(xué)研究中的一項重要生化示蹤技術(shù)，針對海洋生態(tài)學(xué)實驗教學(xué)中存在的因該技術(shù)前處理復(fù)雜、測試儀器和實驗成本昂貴等因素導(dǎo)致的無法推廣教學(xué)這一困難問題，設(shè)計了相應(yīng)的前處理和大型儀器虛擬仿真實驗操作模塊。結(jié)合現(xiàn)代化仿真技術(shù)構(gòu)建多元化的虛擬仿真實驗平臺，通過實現(xiàn)魚組織樣品干燥、粉碎、稱量及同位素儀器測試的虛擬仿真過程，加強(qiáng)教學(xué)過程的直觀性、可視性和易操作性，不僅保護(hù)了精密儀器，避免了資源浪費(fèi)，更便于學(xué)生理解，優(yōu)化教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，最終達(dá)到學(xué)生能獨(dú)立上手進(jìn)行同位素樣品實際測試以及獨(dú)立開展科學(xué)研究的目的。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真???實驗教學(xué)???穩(wěn)定同位素???前處理和測試

中圖分類號：X52?????????????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Virtual?Simulation?Design?for?Pretreatment?and?Testing?of?Stable?Isotopes

GAO?Chunxia??HU?Song*

（College?of?marine?and?sciences，?Shanghai?Ocean?University，?Shanghai，?201306?China）

Abstract：?Stable?isotope?technology?is?an?important?biochemical?tracer?technique?which?is?widely?used?in?marine?ecology?research.?In?view?of?the?difficult?problem?that?the?teaching?can?not?be?promoted?in?the?experimental?teaching?of?marine?ecology?due?to?the?complex?pretreatment?and?the?high?cost?of?testing?instruments?and?experiments?of?this?technology，?virtual?simulation?experiment?operation?modules?of?the?corresponding?pretreatment?and?large-scale?instruments?are?designed.?Combined?with?modern?simulation?technology，?a?diversified?virtual?simulation?experiment?platform?is?constructed，?and?through?the?realization?of?the?virtual?simulation?process?of?drying，?crushing，?weighing?and?isotope?instrument?testing?of?fish?tissue?samples，?the?intuitiveness，??visuality?and?easy?operation?of?the?teaching?process?are?strengthened，?which?not?only?protect?the?precision?instruments?and?avoid?the?waste?of?resources，?but?also?make?it?easier?for?students?to?understand，?optimize?the?teaching?effect，?and?stimulates?students'?learning?interest?and?innovative?ability，?and?finally?achieve?the?goal?that?students?are?able?to?independently?carry?out?practical?testing?of?isotope?samples?and?independently?carry?out?scientific?research.

Key?Words：?Virtual?simulation;?Experimental?teaching;?Stable?isotope;?Pretreatment?and?testing

海洋生態(tài)學(xué)是海洋學(xué)科人才培養(yǎng)的重要課程[1]，而穩(wěn)定同位素技術(shù)現(xiàn)已成為海洋生態(tài)學(xué)中的重要技術(shù)手段，被廣泛應(yīng)用于海洋生態(tài)系統(tǒng)中追蹤基礎(chǔ)碳源和食源、構(gòu)建食物網(wǎng)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和示蹤污染物等研究中，在海洋生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)動力學(xué)領(lǐng)域以及漁業(yè)資源管理學(xué)科中應(yīng)用前景廣闊[2]。與傳統(tǒng)食性技術(shù)相比，穩(wěn)定同位素技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于對海洋攝食生態(tài)學(xué)以及生態(tài)系統(tǒng)中食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)、營養(yǎng)關(guān)系共存等問題進(jìn)行定量化研究，揭示生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的動態(tài)變化規(guī)律[3]。目前該技術(shù)與生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)交叉融合已經(jīng)產(chǎn)生出穩(wěn)定同位素生態(tài)學(xué)這一獨(dú)立的新分支學(xué)科，應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)、環(huán)境科學(xué)和法醫(yī)學(xué)等研究領(lǐng)域[2]。穩(wěn)定同位素測定依賴于同位素質(zhì)譜儀，該儀器是檢測行業(yè)的重要精密儀器，掌握樣品前處理和質(zhì)譜操作技能將有助于學(xué)生在今后的科學(xué)研究以及檢測行業(yè)等具有無限廣闊的前途。

實驗教學(xué)關(guān)系到人才培養(yǎng)的實踐能力和創(chuàng)新能力，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式受限于各種條件的約束，學(xué)生只能在限定的時間和地點(diǎn)完成特定的實驗內(nèi)容，極大地制約了學(xué)生研究能力的培養(yǎng)[4]。魚類穩(wěn)定同位素測試是海洋生態(tài)專業(yè)實驗教學(xué)的重要組成部分，然而穩(wěn)定同位素樣品前處理和測試過程具有多項微觀實驗步驟，其操作環(huán)節(jié)繁瑣、關(guān)鍵實驗步驟難以把握、實驗耗時長、儀器設(shè)備臺數(shù)與實驗室空間不足、儀器設(shè)備精密以及實驗成本昂貴等問題都嚴(yán)重制約著學(xué)生全程參與實踐教學(xué)。虛擬仿真實驗是近年來興起的新的教學(xué)方式，采用虛實結(jié)合、以虛補(bǔ)實的教學(xué)方法彌補(bǔ)實體教學(xué)的不足，促進(jìn)教育的不斷創(chuàng)新，目前已經(jīng)在多個教學(xué)領(lǐng)域得到廣泛使用[5-9]。該實驗設(shè)計依托上海海洋大學(xué)雄厚的科研積累和水產(chǎn)科學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心以及大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)教育部重點(diǎn)實驗室，通過虛擬仿真技術(shù)，將同位素前處理以及樣品測定實驗過程中微觀的操作宏觀化，通過反復(fù)地操作來加深學(xué)生對實驗過程和精密儀器機(jī)理的理解，提升學(xué)生的實驗動手能力和自主學(xué)習(xí)的能力，為學(xué)生獨(dú)立的科研能力培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

1???設(shè)計策略

1.1???實驗設(shè)計目標(biāo)

穩(wěn)定同位素仿真實驗的首要設(shè)計目標(biāo)是緊貼教學(xué)大綱，滿足學(xué)生反復(fù)多次實驗需求，彌補(bǔ)實驗中不能到現(xiàn)場操作實際設(shè)備的短板，其次是促進(jìn)學(xué)生快速掌握不同生物樣品的組織處理方法和精密儀器的操作方法，培養(yǎng)學(xué)生具備良好的實驗素質(zhì)。在人工智能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)等現(xiàn)代化信息技術(shù)的指導(dǎo)下，結(jié)合海洋學(xué)和水產(chǎn)學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建高度仿真的二維或三維虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，提高科學(xué)實驗的可視化程度，使學(xué)生感受真實的現(xiàn)場沉浸，突破傳統(tǒng)實驗的時空界限，實現(xiàn)與虛擬對象的自由交互，從而調(diào)動學(xué)生進(jìn)行實驗的主動性和積極性，使其能夠獲得真實的體驗，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果。

1.2???實驗設(shè)計原則

穩(wěn)定同位素虛擬現(xiàn)實技術(shù)仿真實驗需要遵循一定的設(shè)計原則，具體如下。

1.2.1?科學(xué)性原則

穩(wěn)定同位素在自然界中含量較低，因此對實驗測定過程中的各項科學(xué)操作精度都要求較高，故科學(xué)性是此次實驗設(shè)計中必須要遵循的首要原則和最根本的原則。虛擬仿真實驗的內(nèi)容、過程與方法要遵循穩(wěn)定同位素前處理和儀器操作、測定的真實過程，所有儀器構(gòu)造、圖表繪制、操作步驟等均要求科學(xué)性和合理性，“凡事預(yù)則立，不預(yù)則廢”，科學(xué)的實驗設(shè)計不僅提升了學(xué)生的真實感受，而且有助于學(xué)生掌握科學(xué)的實驗原理和技術(shù)。

1.2.2??交互性原則

交互性原則是虛擬仿真實驗的重要評價指標(biāo)之一[10]。所有模擬場景制作逼真，學(xué)生在自然狀態(tài)下與虛擬環(huán)境的實驗對象進(jìn)行交互，使學(xué)生產(chǎn)生真實環(huán)境的感受和體驗，強(qiáng)烈的沉浸感進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生的主觀能動性，吸引學(xué)生真正融入實驗中，可以通過自主練習(xí)訓(xùn)練其操作技能，達(dá)到實驗教學(xué)目的。

1.2.3??開放性原則

建構(gòu)主義理論強(qiáng)調(diào)學(xué)生是學(xué)習(xí)活動的主體，而虛擬仿真設(shè)計為學(xué)生提供了不受時間和空間限制的實驗環(huán)境；另外，教師也可借助相關(guān)模塊了解學(xué)習(xí)效果，形成學(xué)生—教師雙向交互、互相反饋的教學(xué)循環(huán)，實現(xiàn)了學(xué)生主動學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)的目的。

2???主要虛擬模塊與功能

2.1???實驗平臺

同位素虛擬仿真實驗平臺主要依托上海海洋大學(xué)國家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心、大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)教育部重點(diǎn)實驗室、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大洋漁業(yè)開發(fā)重點(diǎn)實驗室、海洋科學(xué)與技術(shù)實驗教學(xué)示范中心等實體平臺，遵循“虛實結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實不虛”的原則[11]，結(jié)合學(xué)科和技術(shù)的優(yōu)勢、特色，借助現(xiàn)代化計算機(jī)、多媒體、視頻、圖像、人機(jī)交互等信息技術(shù)，綜合運(yùn)用元素分析-穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀、超聲波清洗儀、冷凍干燥機(jī)、冷凍混合球磨儀等操作界面為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，開展樣品的干燥、粉碎、稱量等前處理實驗以及同位素測試等實驗。

2.2???主要功能模塊

同位素測試虛擬仿真實驗的主界面（見圖1）分為學(xué)習(xí)模式和考核模式兩種，方便學(xué)生的學(xué)習(xí)以及后續(xù)的技能考核，兩種模式中實驗步驟相似，但步驟操作方式由指示性操控轉(zhuǎn)變?yōu)闊o指示操控模式，從而達(dá)到鍛煉學(xué)生的實驗技能目的。選擇模式之后進(jìn)入菜單界面，學(xué)生可以較快了解到菜單界面內(nèi)容包括實驗菜單欄、系統(tǒng)功能、信息提示欄和模式切換，清楚操作的具體位置。

整個虛擬仿真操作界面簡單明了，左側(cè)為實驗菜單工具欄區(qū)域，學(xué)生通過點(diǎn)擊按鈕獲取實驗簡介、設(shè)備和樣品認(rèn)知、實驗步驟、模式以及視頻資料等信息，其中實驗簡介模塊（見圖2）向?qū)W生詳細(xì)闡明該實驗的目的和實驗意義，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)之前深刻理解穩(wěn)定同位素技術(shù)在海洋生態(tài)學(xué)研究中的重要地位以及掌握這項技術(shù)的重要性。

為了能讓學(xué)生盡快熟悉實驗環(huán)境以及更快地掌握后續(xù)操作，通過設(shè)置設(shè)備認(rèn)知和樣品認(rèn)知模塊（見圖3）來達(dá)到這一目的。在樣品認(rèn)知模塊，向?qū)W生展示攝食生態(tài)研究中的常見樣品類型，如魚類、蝦類樣品，向?qū)W生描述不同種類特征、其樣品肌肉的采集位置以及采集中的注意事項，高度逼真的3D建模保證了仿真的真實性和交互性。在設(shè)備認(rèn)知模塊中逐一向?qū)W生展示樣品前處理過程中涉及冷凍干燥機(jī)、超聲波清洗儀、冷凍混合球磨儀等重要儀器的知識，并且以360°立體展示儀器構(gòu)造，加深學(xué)生的記憶以及通過三維技術(shù)提高他們對實驗的興趣，寓教于樂。

認(rèn)知模塊之后帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入實驗步驟模塊，該模塊通過將每一個操作步驟虛擬化，學(xué)生在線學(xué)習(xí)每一個操作步驟熟悉實驗流程，達(dá)到真實教學(xué)的效果。模塊中再細(xì)分出5個實驗步驟（見圖4），學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中可以根據(jù)實際需要重復(fù)學(xué)習(xí)某一步驟，這樣能夠極大地提高教學(xué)效果?？紤]到實際操作過程中存在一些注意事項和實驗細(xì)節(jié)（如樣品包埋過程）以及為了進(jìn)一步鞏固學(xué)生的認(rèn)知，增加視頻資料模塊（見圖4），針對其中4個實驗?zāi)K錄制視頻來展示操作過程及其注意事項，從視覺上進(jìn)一步加深學(xué)生對實驗步驟的記憶和梳理每個步驟的細(xì)節(jié)之處，以視覺和虛擬實體感覺相結(jié)合的方式加深學(xué)生對實驗的熟悉程度以及提高學(xué)生的理解力，真正做到讓每一個學(xué)生都能理解和操控實驗，具備專業(yè)的實驗技能。

該實驗中應(yīng)用到的儀器種類較多，包括冷凍干燥機(jī)、冷凍混合球磨儀、百萬分之一的精密天平和元素分析-穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀，為了讓學(xué)生更快熟悉儀器操作，如前所述，在虛擬仿真設(shè)計中，通過設(shè)置儀器設(shè)備認(rèn)知模塊、儀器虛擬操作步驟模塊和視頻資料模塊來提高教學(xué)效果，尤其是在儀器虛擬操作中，通過虛擬仿真技術(shù)將儀器操控軟件界面（見圖5）展示給每一位學(xué)生，學(xué)生的操作猶如實體操作，相比實景操作學(xué)生只能遠(yuǎn)觀，無法人人操作的弊端，該技術(shù)讓每一位學(xué)生身臨其境，對高效教學(xué)的輔助貢獻(xiàn)巨大。

在學(xué)生的操作階段，該虛擬仿真實驗還設(shè)計了針對每一步驟對應(yīng)的不同考核題（見圖6），以檢驗學(xué)生的操作成果，這樣不僅加強(qiáng)學(xué)生對實驗的理解，也有利于提高學(xué)生的獨(dú)立思考能力。

3???設(shè)計特色及教學(xué)效果

穩(wěn)定同位素測試仿真實驗具備高度逼真的三維空間、儀器構(gòu)造和科學(xué)的模塊設(shè)計，這是本實驗的主要特色之一。本著“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，將傳統(tǒng)的以教師PPT授課為主的單一灌輸式模式變更為鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，將實驗場景從圖片中轉(zhuǎn)移到高度仿真的虛擬環(huán)境中，通過開放式和交互式的方式，有效鍛煉和提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)技能。該虛擬仿真設(shè)計通過設(shè)置實驗流程模塊讓學(xué)生們學(xué)習(xí)樣品前處理儀器及質(zhì)譜儀操作知識、了解實驗操作流程，掌握實驗關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)；通過設(shè)置考核模塊加深學(xué)生對儀器的理解和提升對遇到問題的解決能力。整個虛擬仿真實驗教學(xué)過程虛實結(jié)合、以虛補(bǔ)實、循序漸進(jìn)，教師的“教”水到渠成，學(xué)生的“學(xué)”融會貫通，這種實驗教學(xué)新模式有效地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，增強(qiáng)學(xué)生的實驗動手能力，充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

在該虛擬仿真實驗中對各資源模塊進(jìn)行了合理化設(shè)計，包括設(shè)置清晰明了的導(dǎo)航欄目、學(xué)習(xí)過程直接跳轉(zhuǎn)到指定模塊、操作模塊高亮化、微觀實驗視頻圖解等，初學(xué)者按照界面導(dǎo)航指引，有條理性地進(jìn)行學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)習(xí)資源的最大化利用，有力避免了無效學(xué)習(xí)。同位素測試仿真實驗的交互性促進(jìn)了學(xué)生對同位素實驗原理、操作步驟及理論知識的掌握，更通過提供反復(fù)練習(xí)的環(huán)境為學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中構(gòu)建出“已有知識深化—難點(diǎn)問題分析和解決—形成新知識”的良好學(xué)習(xí)循環(huán)，這種高效的交互性不僅拓展了學(xué)生對知識理解的廣度和深度，也提升了其分析和解決問題的能力。

4???結(jié)語

隨著現(xiàn)代信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真教學(xué)通過逼真的三維立體表現(xiàn)形式將抽象的實驗過程形象地演示出來，最大限度發(fā)揮了虛擬資源的優(yōu)勢，極大地提升了教學(xué)效果，未來將會成為海洋科學(xué)和水產(chǎn)學(xué)領(lǐng)域?qū)嶒灲虒W(xué)的重要手段。學(xué)生通過虛擬仿真互動實驗學(xué)習(xí)掌握穩(wěn)定同位素樣品前處理及測試方法、質(zhì)譜儀等常用儀器的操作規(guī)程，為學(xué)生的創(chuàng)新思維和動手能力培養(yǎng)奠定堅實的基礎(chǔ)。通過在線網(wǎng)絡(luò)開放式自主學(xué)習(xí)、師生討論和自我測試，熟悉科學(xué)研究的過程等，對穩(wěn)定同位素技術(shù)進(jìn)行了直觀深入的探索，滿足虛擬仿真實驗教學(xué)目標(biāo)，最大程度提高學(xué)習(xí)效果，起到寓教于樂的良好效果。

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