图片由Carolina Biological Supply Company提供

用虚拟实验室培养下一代生物学家

2021年4月22日
对于学习生物学的学生而言,没有什么比得上做实验的体验。教科书和讲义当然至关重要,但是亲手制造生物学反应并观察结果演变是没有任何东西能够替代的——哪怕这种反应是虚拟的。 

虽然还不到完全不可能的地步,但随着班级规模不断增大,学校内的空间又变得寸土寸金,为每个学生提供素材并在实验室里亲手探索已经变得越来越不切实际。但是如果能把实体实验室搬到网上,用网络访问作为补充,又会怎样?更有甚者,如果能通过混入一点游戏元素来吸引新一代的学生来学习生物学,又会怎样? 

这就是生物学教授Baktybek Asanakunov博士和总部位于北卡罗来纳州的Carolina Biological Supply Company打算通过“Carolina生物技术模拟器”做到的事——逼真再现一个使用虚幻引擎创建的生物学实验室的开放世界场景。从墙上的安全宣传海报到风格化的石砌地板,这款模拟器提供了仅次于设备齐全的实验室的环境,让学生足不出户就能做实验。
 

失败的自由

除了创造一个可供学生远程访问的虚拟空间外,Baktybek和Carolina还利用Epic Games的虚幻引擎中的工具,提供了围绕个人选择设计的独特教学计划。这些课程并不强制学生按照一系列严格受控的步骤操作,而是提供了开放数字化空间所固有的自由——包括失败的自由。 

在实体实验室中,学生需要严格按照指导原则一步步操作,这既是为了保证他们自身的安全,也是由材料的有限性所决定的。具有讽刺意味的是,这种实验室里可以说并不提倡试错。但是任何一个受过专业训练的科学家都会告诉你,失败就是实验过程的一部分。这是大部分实体学生实验室无法提供的奢侈,但这在生物技术模拟器中却是受到鼓励的。实验可能成功也可能失败,但是在虚拟环境中,学生总是有重试的机会。
图片由Carolina Biological Supply Company提供
“实验室里的错误可能在时间和金钱两方面都让人付出高昂代价,但是犯错对于学习过程来说,实在太重要了。”Carolina Biological Supply Company的产品经理Dhani Biscocho说,“虚幻引擎使得这种自由和灵活性成为可能,从而帮助学生拥有自信,为成功做好准备。”

高分数,高成绩

探索生物技术模拟器的学生将先从“教程”部分开始,该部分会向他们介绍掌握实验所需的工具和概念。完成教程后,他们将进行一系列交互式的测验。由于学生从未被告知哪些答案是正确的,他们需要证明自己真正理解了课程才能继续。测试的设计让人感觉它与其说是测试,不如说是技能挑战,而后者是大部分游戏玩家都熟悉的概念。失败了就重新开始,成功了就进入下一关。
图片由Carolina Biological Supply Company提供
完成测验部分之后,学生就会进入练习场地来开展实验。生物技术模拟器为他们提供了操作细菌转化的机会,重点是一个类似于胰岛素制备的过程。不过,真实世界中的学生本质上就是按照说明操作的交互式过客,而在模拟器中,他们却会成为积极主动的参与者,像拼图一样进行实验。

“这套模拟器的开发理念是,用基于游戏的方法进行学习可以提高积极性和认知能力。”Biscocho说,“如果学习过程像游戏,它就更容易被学生接受,可以帮助教师寓教于乐地传授艰深的科学概念,说不定就能启发正在成才的未来生物学家。”

在虚拟实验室中,学生们首先要选择他们将使用的菌落。然后他们要处理实验的每一步,包括热激、培养和观察。学生在实体实验室中为了做实验而需要做的任何事情都会在模拟中呈现,学生需要逐一执行每个步骤。
图片由Carolina Biological Supply Company提供
虽然在开放世界学习中有明确的成败衡量标准和设定的目标,但模拟器并没有要求学生遵循的具体路线。他们可以按照他们喜欢的任何顺序执行每个步骤,可能由此找到宝贵的捷径,也可能犯下严重的错误。这是一种非线性的教学方式,给了学生自主成功或失败的自由,也给了以后打算在实体实验室中教导学生的教师一个机会,使学生做好实操练习的准备。

在某些人看来,生物技术模拟器将帮助学生接触到更多实验室的工作和操作程序,包括一整套新的术语和对细菌转化的实用理解。而在另一些人看来,它可以成为一个毫无痛苦(甚至很有趣)的入门过程,引导学生进入一个常常令人望而生畏和难窥门径的领域。 
图片由Carolina Biological Supply Company提供

创造更高层次的教学 

生物技术模拟器的理念来自实践需求与创新思考的结合。Baktybek是吉尔吉斯国立大学的生物学教授,他曾经苦苦思考,怎样才能既提高课堂教学质量,又吸引一代熟悉游戏逻辑甚于生物学反应的学生。他找不到能够很好地适应他需求的工具,所以他决定自己打造一个。 
图片由Carolina Biological Supply Company提供
Baktybek的目标不是取代课堂或实体实验室体验,而是改进它们。这就意味着易学易用是关键。学生需要能够轻松探索虚拟实验室,以对于一代游戏玩家来说很自然的方式进行交互。Epic Games的虚幻引擎是满足这些需求的必然选择,因此Baktybek决定自学虚幻引擎。 

他自主学会了怎样使用这款游戏引擎,然后重点研究它的蓝图可视化脚本系统。面向非编程人员的蓝图使这位教授得以根据自己的个人经验构建一个虚拟实验室,并提供在实验室中自由走动的功能。但是,在确定机制和实验室设计后,他需要别人帮助他创建数字化素材。Baktybek通过Carolina Biological为学生提供的实践工具包和产品熟悉了这家公司。在快速浏览该公司的网站后,教授联系了该公司,探询是否可以合作。经过几次对话,他们就建立起了合作关系。
图片由Carolina Biological Supply Company提供
Carolina以Baktybek的虚拟实验室为基础,根据他提供的规范创建了操作程序和实验。他们使用手部动画模拟了做实验所需的基本操作和动作,包括试管、培养皿和孵化器门的操作。随后Carolina Biological还制作了透照器、水浴盖和计时器的动画,创造出了迄今为止最逼真的远程实验室体验之一。

Baktybek凭借这一工作获得了Epic MegaGrant,并在Carolina Biological的帮助下将这款模拟器推向市场。在Baktybek的学生试用两年后,Biotechnology Simulator如今按为期一年的许可协议面向中学和大学的个人用户和班级用户提供。目前在该模拟器中可以学习四门不同的细菌课程,共有六小时的动态内容供教师讲解。 

下一个实验

从许多方面来讲,Carolina生物技术模拟器本身就是一个实验。不过,每一次的实验成功都使综合性虚拟实验室教学计划的设想显得更有前途。

“我们从教师群体中得到的反馈是惊人的;这个模拟器确实能吸引喜欢课程的游戏性质的学生。”Biscocho说,“这不仅证明了它的价值,也让我们打算未来为他们设计更多课程。在虚拟实验室中有着无数的可能性,既然我们已经在虚幻引擎中打好了基础,那么真正的问题就变成了:接下来要做什么?”

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