生物學虛擬仿真實驗教學資源建設

李 兵, 王玉鳳, 賀占魁, 姚漢超, 熊國梅, 胡 原 , 楊繼紅

(1. 華中師范大學 生命科學學院, 湖北 武漢 430079；2. 華中師范大學 實驗室與設備管理處, 湖北 武漢 430079)

實驗教學研究

生物學虛擬仿真實驗教學資源建設

李 兵1, 王玉鳳1, 賀占魁2, 姚漢超1, 熊國梅1, 胡 原1, 楊繼紅1

(1. 華中師范大學 生命科學學院, 湖北 武漢 430079；2. 華中師范大學 實驗室與設備管理處, 湖北 武漢 430079)

結合華中師范大學生物學國家級虛擬仿真實驗教學中心建設實際,闡述了該中心基于創(chuàng)新人才培養(yǎng)的虛擬仿真實驗教學資源建設的重要意義、思路、內容、成效及特色,探討了虛擬資源建設與真實實驗教學有機結合,大大提高人才培養(yǎng)質量的做法和體會,為高校虛擬仿真中心建設、實驗教學改革和創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供借鑒。

生物學； 虛擬仿真； 資源建設

華中師范大學作為教育部教育信息化試點高校,積極推進信息技術與教育教學深度融合,用信息化推動新一輪實驗教學改革[1-6],于2015年組織申報并獲批了國家級生物學虛擬仿真實驗教學中心(以下簡稱中心),自主研發(fā)了一批綜合性和設計性虛擬仿真實驗教學資源并應用于實驗教學,有效推動了教學理念、方式、方法和內容的改革,既拓展了學生實驗的時空,又豐富了實驗教學體系,虛實結合的實驗教學還激發(fā)了學生的學習積極性,促進了學生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[7-9],為創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供了一條新途徑。

1 生物學虛擬仿真實驗教學資源建設的意義

(1) 順應“互聯(lián)網(wǎng)+”時代發(fā)展。目前,互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等信息技術深刻改變著人類的思維、生活和學習方式,學習越來越不受時間、空間和教師的限制,通過互聯(lián)網(wǎng)獲取知識越來越便捷。為此,教育部積極推進教育信息化工作,于2013年啟動了虛擬仿真實驗教學中心建設評審工作。虛擬仿真實驗順應發(fā)展需要,滿足了新時期信息化環(huán)境下在線學習和虛擬實驗操作需要。

(2) 適應現(xiàn)代生命科學高速發(fā)展。隨著生命科學的快速發(fā)展,高新技術和自主創(chuàng)新科研成果不斷涌現(xiàn),傳統(tǒng)實驗教學面臨新技術、新方法的挑戰(zhàn)。生命科學研究已進入后基因組時代,許多生命現(xiàn)象機制研究難以通過傳統(tǒng)實驗完成,如基因序列分析、藥物分子設計等就需要借助計算機或虛擬仿真實驗來完成[10]。

(3) 解決真實實驗制約因素。隨著實驗教學改革的進一步推進,傳統(tǒng)的真實實驗教學遇到了一些實際困難和問題,導致有些實驗項目無法開出,主要制約因素有:一是動物實驗倫理學和動物福利制度的制約[11]；二是高危、極端實驗環(huán)境的制約,如高致病性病原微生物實驗、放射性、強腐蝕性和劇毒類物質實驗,開設面臨較大風險；三是生物實驗材料難采集的制約,例如由于各級自然保護區(qū)禁獵,導致很多動物標本無法獲得,由于生境、季節(jié)、天氣等因素影響，導致有些植物標本難以采集,另外人體解剖學實驗所需人體尸體及器官標本更是難求；四是實驗周期長、操作難度大、實驗成本高等因素的制約,例如細胞和分子生物學實驗、生物化學實驗、生物技術大實驗中的綜合性創(chuàng)新性實驗項目等。

虛擬仿真實驗為解決上述真實實驗中存在的困難和問題提供了新的途徑和可能。虛擬仿真實驗資源是開展虛擬仿真實驗的重要前提和根本保證,如果沒有科學合理的實驗資源,虛擬仿真實驗就成了“無源之水”“無本之木”,根本無法開展。因此,我們在虛擬仿真實驗教學中心建設中,始終將虛擬仿真實驗資源作為核心和關鍵來建設。

2 虛擬仿真實驗教學資源建設理念與思路

在虛擬仿真實驗教學資源建設過程中,中心始終以“科學規(guī)劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續(xù)發(fā)展”為指導思想,本著“把方法教給學生,將時間還給學生”的建設理念,堅持“虛實結合、相互補充、能實不虛、以虛促實”的建設原則,遵循“危險實驗安全化、昂貴實驗經(jīng)濟化、抽象實驗形象化”的建設思路,利用虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡通信等技術,構建豐富的具有自主特色的虛擬仿真實驗項目,全面促進學生在線學習、自主實驗、自主創(chuàng)新,為培養(yǎng)適應時代發(fā)展需要的高素質、創(chuàng)新型人才發(fā)揮積極作用。

3 生物學虛擬仿真實驗教學資源建設內容

根據(jù)生物學本科人才培養(yǎng)方案和實驗教學實際需要,中心以培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新能力為核心,全力推動“以學為主,問題導向,任務驅動”的虛擬仿真實驗教學改革,采用3D虛擬和VR技術,探索構建了 “三層次”“四水平”“六模塊” 共75個實驗項目的虛擬仿真實驗教學資源體系,其中“六模塊”實驗主要包括分子生物學實驗、生物形態(tài)學實驗、動物生理及人體解剖學實驗、師范生實驗教學技能訓練、儀器設備使用培訓和動植物野外實習,各模塊具體內容如下:

(1) 分子生物學實驗模塊。該模塊涉及生物化學與分子生物學實驗、生物技術大實驗等內容,中心自主研發(fā)了果蠅基因過量表達和基因敲降、抗血清制備及效價測定、棉花轉基因技術研究、細胞凋亡的誘導和檢測等10多項綜合性創(chuàng)新性虛擬仿真實驗,既克服了真實分子生物學實驗成本高、周期長和操作難度大等困難,又豐富了虛擬仿真實驗教學資源,增強了對學生生物學前沿實驗技能訓練的力度,大大提高了學生的實踐創(chuàng)新能力。

(2) 生物形態(tài)學實驗模塊。該模塊屬于基礎性、經(jīng)典性實驗內容,由動物、植物、微生物形態(tài)學虛擬實驗、3D哺乳動物頭骨標本和數(shù)字切片資源庫子模塊組成。中心成功研發(fā)了家鴿解剖、蝦解剖、不同生境下葉解剖結構的比較實驗、微生物形態(tài)學實驗等19個虛擬實驗項目,以及200個3D哺乳動物頭骨標本和648張數(shù)字切片,重點圍繞基礎性實驗中實驗材料稀缺、安全風險高、操作難度大等實驗項目開展虛擬仿真實驗,一方面,為生物形態(tài)學實驗教學提供了大量便捷的實驗教學資源,另一方面,通過多次反復虛擬操作,為真實實驗奠定良好基礎,有利于提高實驗教學效果。

(3) 動物生理及人體解剖學實驗模塊。該模塊由動物生理學虛擬實驗及人體解剖學虛擬實驗2個子模塊組成,其中動物生理學模塊包括離體心臟灌流綜合實驗、尿的形成觀察等9個虛擬實驗項目,67個虛擬子實驗；人體解剖學模塊包括數(shù)字人體解剖系統(tǒng)和人體解剖學虛擬實驗2部分,重點解決了尸體及人體器官標本難求、醫(yī)學倫理限制和重點難點的綜合性生理及解剖學實驗等問題,尤其是數(shù)字人體系統(tǒng),通過三維技術可任意角度旋轉、縮放、移動和切刀,任意部位和器官的顯示、分離和復位,并添加詳細標注,讓實驗教學更加生動形象、逼真有趣。

(4) 師范生實驗教學技能訓練模塊。該模塊主要選取中學生物學實驗教學中具有代表性的重點和難點實驗來開展虛擬仿真實驗教學,如行為生態(tài)學、果蠅雜交、動物細胞培養(yǎng)、生物標本制作、分解纖維素微生物的分離等多個實驗,以加強師范生實驗教學技能訓練,為國家培養(yǎng)卓越的中學生物學師資。同時該虛擬實驗教學資源還對中學教師開放共享,直接為中學生物學實驗教學服務。

(5) 儀器設備使用培訓模塊。新生在使用大型儀器設備前都需進行使用操作培訓,但由于培訓的學生人數(shù)多、培訓工作量大,且一次培訓遠達不到要求,錯誤操作容易造成儀器設備損毀和發(fā)生安全事故,為此中心通過開展儀器設備使用培訓虛擬實驗,讓學生先在網(wǎng)上進行虛擬操作和預習,基本掌握儀器設備使用方法后再進行實體儀器使用培訓,提高了儀器設備的培訓效率?，F(xiàn)已研發(fā)了高(超)速離心機、等溫滴定微量熱儀、熒光定量PCR儀、高壓滅菌鍋等10多項儀器設備培訓虛擬實驗,應用于儀器培訓的實際工作,并將儀器使用培訓與安全教育相結合,深受師生歡迎。

(6) 動植物野外實習模塊。動植物野外實習是生物科學專業(yè)人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié),而野外實習易受季節(jié)、天氣、生境的變化,導致很多應該完成的實習項目難以完成,學生野外實習的效果受到影響。為此,中心通過開展動植物野外實習虛擬實驗,讓學生先在網(wǎng)上進行虛擬野外實習,基本了解和掌握野外實習內容、方法和注意事項后,再赴實習地開展真實實習,虛實結合,大大提高了野外實習的效果。該模塊包括動植物野外實習、校園常見植物數(shù)字化圖譜、動植物數(shù)字標本庫、3D全景數(shù)字化標本館、3D全景數(shù)字化動物野外實習路線等7個虛擬實驗項目。

上述6個模塊虛擬實驗與真實實驗之間緊密結合,形成了一個完整的實驗教學體系,促進了學生實踐能力和創(chuàng)新能力的提高。

4 生物學虛擬仿真實驗教學資源建設成效

(1) 促進了虛擬仿真實驗教學及改革有效開展。中心以研發(fā)的虛擬實驗教學資源為依托,全力推動信息化背景下的虛擬實驗教學改革,現(xiàn)已成功搭建了技術先進、功能強大的虛擬仿真實驗教學管理平臺,獲批“信息化環(huán)境下的生物學實驗與實踐課程教學模式的創(chuàng)新研究”“通識課程數(shù)字化學習資源建設”等虛擬仿真實驗教學研究項目12項,將抗血清制備及效價測定、棉花轉基因技術研究等75個虛擬仿真實驗項目全部應用于實驗教學,惠及學生1 890人,年實驗人時數(shù)達21 400學時,學生基本實驗技能和實踐創(chuàng)新能力得到全面鍛煉,同時,也為生物學實驗教學和人才培養(yǎng)開辟了一種新模式。

(2) 推動了虛擬仿真實驗教學資源多層面開放共享。建成的虛擬實驗資源,一方面對校內相關專業(yè)和學生免費開放使用,其中包括生物科學、生物技術、化學、心理學、體育教育和運動訓練等8個專業(yè)的在校本科生、相關研究生和在武漢的7所部屬高?？缧］o修生物學專業(yè)的學生；另一方面,通過用戶權限管理或合作企業(yè)銷售的方式向校外及社會實現(xiàn)了開放共享。作為華中地區(qū)唯一的部屬師范大學,我校虛擬資源已向湖北教師教育網(wǎng)絡聯(lián)盟成員高校開放共享，并為武漢市及湖北省其他中學生物學教育和教師培訓提供共享服務,同時也為湖北生物技術產(chǎn)業(yè)人員的技能培訓提供共享服務,真正實現(xiàn)了校內外、本地區(qū)及更廣范圍的實驗教學資源共享,發(fā)揮出較好的示范和輻射作用。

(3) 提升了創(chuàng)新人才培養(yǎng)質量。通過研發(fā)的虛擬實驗教學資源的廣泛應用,學生的綜合實踐能力和創(chuàng)新能力得到提高。近幾年,學生獲得國家級大學生創(chuàng)新性實驗項目44項,省優(yōu)學士學位論文51篇,“挑戰(zhàn)杯”創(chuàng)業(yè)計劃大賽國家級銀獎和銅獎各1項、省級金獎1項,湖北省生物學實驗技能競賽一等獎3項、二等獎6項,榮獲全國師范院校師范生教學技能(生物)大賽一等獎及以上獎勵30項,公開發(fā)表論文50多篇,其中相當一部分論文發(fā)表在SCI收錄期刊以及國內核心刊物上,非師范生考研率60%,許多學生考取了國內“985工程”大學、中科院研究所的研究生,畢業(yè)生綜合素質得到用人單位好評。

5 生物學虛擬仿真實驗教學資源建設的特色

通過科教結合、校企合作,虛擬仿真實驗教學資源的建設已顯現(xiàn)出自己的特色,主要體現(xiàn)在:

(1) 注重將高水平的科研成果和儀器設備轉化為虛擬實驗資源。為了進一步提高學生的創(chuàng)新能力,中心在虛擬仿真實驗教學資源的建設過程中,積極鼓勵教師將最新的高水平科研成果和儀器設備轉化為虛擬實驗項目,既豐富了綜合設計性實驗的教學資源,又提高了虛擬實驗教學的水平和層次。比如,中心將具有放射性同位素標記的核酸分子雜交等高危實驗,棉花轉基因技術研究、果蠅基因過量表達和基因敲降、細胞凋亡的誘導與檢測實驗等前沿實驗,光合作用電子傳遞與葉綠素熒光等難以理解和掌握的抽象實驗,復雜環(huán)境中目的微生物的分離與鑒定等周期長、成本高實驗,超高速離心機、熒光定量PCR 儀和ITC儀等科研儀器設備轉化為虛擬仿真實驗教學資源。在項目開發(fā)過程中,特別注重實驗的設計性和交互性,盡量采用3D技術顯示場景,通過VR技術或AR技術使實驗過程生動逼真,還采取類似游戲積分升級方式,調動學生參與虛擬仿真實驗的積極性。

(2) 注重突出教師教育特色。作為教育部屬的重點師范大學,在虛擬仿真實驗教學資源內容設置上,中心特別注重突出教師教育特色。首先,在設計6個模塊的虛擬仿真實驗項目時,注重知識的基礎性、系統(tǒng)性和先進性,如開設了生物形態(tài)學、動植物野外實習和分子生物學等內容,為培養(yǎng)優(yōu)秀生物學教師奠定良好基礎。其次,中心在6個模塊中單獨設立師范生實驗教學技能訓練模塊,選取中學生物學的代表性實驗進行虛擬仿真,如行為生態(tài)學、果蠅雜交、動物細胞培養(yǎng)等虛擬實驗項目,其中不少為創(chuàng)新性和設計性實驗,可隨機進行交互,讓在校師范生、在職攻讀我校教育碩士的免費師范生，以及湖北教師教育聯(lián)盟高校的師范生反復操作,加強了師范生實驗教學技能訓練,提高了他們的實驗教學水平。同時,中心將上述虛擬實驗項目對來校參加“國培計劃”“武漢市乃至湖北省中學生物學實驗技能培訓”等項目的教師開放,將虛擬實驗帶到中學課堂,直接為中學生物學教學服務。

(3) 注重虛擬實驗和真實實驗協(xié)同育人。中心在實驗內容的設置上,虛擬實驗資源以真實實驗為依托,相互支撐和補充,不為虛擬而虛擬,如生物形態(tài)學模塊、動植物野外實習模塊就與植物學、動物學、微生物學等基礎性真實實驗相補充,動物生理及解剖學模塊與動物生理學、神經(jīng)生物學等綜合性真實實驗相結合,分子生物學模塊與分子生物學、遺傳學、生物技術大實驗等創(chuàng)新性真實實驗相銜接等,共同形成了一個完整的實驗教學課程體系。在實驗教學過程中,堅持虛擬實驗與真實實驗有機結合,以實為主,虛擬為輔,虛實結合,讓學生獲得系統(tǒng)全面的實驗技能訓練,不僅豐富了實驗教學的內容和手段,而且使實驗教學不受動物倫理、高危環(huán)境、稀缺材料、昂貴成本等制約。

6 結語

虛擬仿真實驗教學是教育信息化的重要方面,是時代發(fā)展的趨勢,將給未來教育的“教”和“學”的理念和方式帶來變革。虛擬仿真實驗模擬高度仿真的實驗環(huán)境和對象,實驗教學不受時間空間限制,還可以完成真實實驗無法開展的內容,現(xiàn)已作為一種新的實驗方式被廣泛關注和應用[12]。

References)

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Construction of bilogical virtual simulation experimental teaching resources

Li Bing1, Wang Yufeng1, He Zhankui2, Yao Hanchao1, Xiong Guomei1, Hu Yuan1,Yang Jihong1

(1. College of Life Science,Central China Normal University, Wuhan 430079, China；2. Laboratory and Equipment Management Office, Central China Normal University, Wuhan 430079, China)

Combining the situation of the construction of the Virtual Simulation Experimental Teaching Center of Biology at Central China Normal University,this paper expounds on the important significance, thought, content, features and achievements of constructing the virtual simulation experimental teaching resources based on innovative talents’ cultivation. An organic combination of virtual resources construction and real experimental teaching greatly improves the quality of personnel training. The practice and experience on the process of construction are discussed, which may provide a new reference for virtual simulation center construction, the experimental teaching reform and innovative talents cultivation for colleges and universities.

biology； virtual simulation； construction of resources

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.042

2016-08-24 修改日期：2016-09-17

教育部卓越教師培養(yǎng)計劃改革項目“卓越中學數(shù)字化教師培養(yǎng)”子課題——生物科學(2014年)

李兵(1969—),男,湖北天門,博士,教授,生物學虛擬仿真實驗教學中心主任,主要從事虛擬實驗室建設與管理工作

楊繼紅(1965—),男,湖北云夢,教授,湖北省生物學實驗教學示范中心主任,長期從事輪狀病毒的教學與研究工作,以及實驗室建設管理工作.

E-mail：shblzl@mail.ccnu.edu.cn

G642.0

: B

: 1002-4956(2016)12-0171-03