非雙一流院校生科類專業(yè)開設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)必要性的探討

黃 洋，靳 輝

(忻州師范學(xué)院 生物系，山西 忻州 034000)

為建設(shè)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科，國(guó)家提出了“雙一流”高校的概念。我國(guó)建設(shè)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科政策，是黨中央、國(guó)務(wù)院作出的重大戰(zhàn)略決策。該決策的制定為助推我國(guó)建設(shè)中國(guó)特色、世界一流的大學(xué)和學(xué)科提供有力支撐[1]。首批雙一流建設(shè)高校共計(jì)137所。這些高校享受了國(guó)家的特殊政策，辦學(xué)經(jīng)費(fèi)充裕。但是，根據(jù)2019年教育部網(wǎng)站數(shù)據(jù)顯示，全國(guó)高等學(xué)校共計(jì)2956所，因此非雙一流高校就多達(dá)2800多所，它們構(gòu)成了中國(guó)高等教育的主體。

生命科學(xué)類專業(yè)(簡(jiǎn)稱生科類專業(yè))包括了生物科學(xué)、生物技術(shù)、生物工程等專業(yè)。生科專業(yè)是在數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，從誕生之初便被人稱為“金字塔尖上的科學(xué)”[2]。這個(gè)定位就注定了這個(gè)學(xué)科的發(fā)展將會(huì)非?！鞍嘿F”。由于生命科學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，所以生科類專業(yè)需要開設(shè)許多實(shí)驗(yàn)，但是由于辦學(xué)條件的原因，許多非雙一流院校在開設(shè)實(shí)驗(yàn)課程時(shí)會(huì)有許多的局限。

1 開展實(shí)驗(yàn)課程的局限性

開展實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)需要實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、儀器設(shè)備，以及熟悉儀器原理與實(shí)驗(yàn)操作的實(shí)驗(yàn)教師。這三方面中的任何一方面出現(xiàn)短板，實(shí)驗(yàn)教學(xué)都將無法正常開展。

1.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的局限性

生科類專業(yè)在許多非雙一流高校都是小專業(yè)，實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地有限，沒有足夠的空間安放實(shí)驗(yàn)設(shè)備并容納數(shù)量眾多的本科生開展實(shí)驗(yàn)。比如就生科類的基礎(chǔ)課程《細(xì)胞生物學(xué)》課程而言，其配套的實(shí)驗(yàn)課程《細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)》要求學(xué)生們掌握動(dòng)物細(xì)胞的培養(yǎng)方法。動(dòng)物細(xì)胞的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)需要在無菌的細(xì)胞培養(yǎng)室內(nèi)進(jìn)行操作，而標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)室至少包括一間準(zhǔn)備室，一間緩沖室，一間培養(yǎng)室，總共3個(gè)房間。但是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)室只能同時(shí)容納不到10名學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)。如果一個(gè)學(xué)校生科類專業(yè)本科生有幾百人，要想學(xué)生都學(xué)好《細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)》這門課程，那么對(duì)于動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)室的需求將相當(dāng)大。而許多非雙一流高校將無法滿足實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的需求。

1.2 儀器設(shè)備的局限性

由于生命科學(xué)的發(fā)展，生科類專業(yè)的實(shí)驗(yàn)再也不是認(rèn)識(shí)認(rèn)識(shí)動(dòng)植物，或者用幾百塊錢的顯微鏡觀察一下動(dòng)植物切片那么簡(jiǎn)單了。比如對(duì)于顯微鏡的使用而言，學(xué)生們不僅要學(xué)習(xí)用幾百元的顯微鏡觀察動(dòng)植物切片，還得學(xué)習(xí)用價(jià)格十幾萬的熒光顯微鏡，甚至價(jià)格兩三百萬的電子顯微鏡或激光共聚焦顯微鏡來觀察細(xì)胞結(jié)構(gòu)。這還僅僅是細(xì)胞觀察方面的實(shí)驗(yàn)，整個(gè)生科類的實(shí)驗(yàn)加起來儀器設(shè)備的單價(jià)至少幾千萬，另外還有高昂的維護(hù)成本。由于價(jià)格的原因，對(duì)于非雙一流院校來說，儀器設(shè)備的局限性顯而易見。

1.3 實(shí)驗(yàn)教師的局限性

縱觀全球，從上世紀(jì)末至今，生命科學(xué)領(lǐng)域迅猛發(fā)展，該領(lǐng)域的論文數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。在這種知識(shí)大爆炸的背景下，生命科學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)技術(shù)也在快速地更新。比如對(duì)基因研究而言，由于國(guó)內(nèi)以華大基因研究院為主的基因公司的快速崛起，我國(guó)基因研究從分析單個(gè)基因的序列，發(fā)展到分析生物的整個(gè)基因組序列，再發(fā)展到分析單個(gè)細(xì)胞的整個(gè)基因組序列。令人驚訝的是，這個(gè)過度發(fā)生在短短的數(shù)年內(nèi)。實(shí)驗(yàn)技術(shù)的快速發(fā)展讓高校手忙腳亂、應(yīng)接不暇。為了趕上時(shí)代發(fā)展的腳步，為了高校高層次人才隊(duì)伍的建設(shè)，高校不得不高薪聘請(qǐng)海歸或國(guó)內(nèi)名牌大學(xué)畢業(yè)的博士[3]。這也將為非雙一流高校帶來財(cái)務(wù)上的負(fù)擔(dān)。由于辦學(xué)經(jīng)費(fèi)的局限，實(shí)驗(yàn)教師的局限性也不可避免。

2 開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)

進(jìn)入本世紀(jì)以來，人工智能高速發(fā)展，新一代人工智能技術(shù)預(yù)示著“第四次工業(yè)革命”即將到來。2018年，教育部出臺(tái)《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》、《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》，高校應(yīng)該積極把握住人工智能發(fā)展的機(jī)遇，將其與教育深度融合[4]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)便是人工智能的產(chǎn)物，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是指將整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成一個(gè)軟件，學(xué)生們可以使用個(gè)人電腦通過在線或者單機(jī)的方式使用該軟件，從而在虛擬的狀態(tài)先完成實(shí)驗(yàn)操作[5]。整個(gè)軟件里對(duì)于實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、方法都有詳?xì)的闡述。學(xué)生可以像玩游戲一樣操作虛擬的儀器設(shè)備來完成實(shí)驗(yàn)。只要學(xué)生會(huì)基本的電腦操作，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)便可以開展，因此該類實(shí)驗(yàn)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，我國(guó)與西方國(guó)家都對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與應(yīng)用投入了大量人力物力[6,7]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用可以節(jié)約實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所與費(fèi)用，提高教學(xué)效率，并確保學(xué)生緊跟時(shí)代前沿。

2.1 節(jié)約實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所

本科生通過使用個(gè)人電腦在學(xué)校宿舍、機(jī)房，甚至在家便可完成。這大大減少了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)室的需求，學(xué)?？梢詫⒂邢薜膶?shí)驗(yàn)室進(jìn)行更加有效的利用。

2.2 節(jié)約儀器購(gòu)買與維護(hù)費(fèi)用

許多涉及昂貴儀器的生科類實(shí)驗(yàn)在網(wǎng)上都有相應(yīng)的在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件，比如我國(guó)依托高等教育電子音像出版社有限公司創(chuàng)立了國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享服務(wù)平臺(tái)。該平臺(tái)上就包含了并不限于生科類專業(yè)的各種虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，并且該平臺(tái)的使用是免費(fèi)的。如果教師使用這類平臺(tái)對(duì)本科生進(jìn)行教學(xué)，將大大節(jié)約學(xué)校購(gòu)買與維護(hù)儀器設(shè)備的費(fèi)用。

2.3 提高教學(xué)效率

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中有一個(gè)問題一直很難解決，那就是許多昂貴的儀器設(shè)備的操作一次只能讓兩三個(gè)學(xué)生上手進(jìn)行操作。而這類實(shí)驗(yàn)如果面向人數(shù)眾多的本科生勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)展非常緩慢，嚴(yán)重影響學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。另外，如果讓大量本科生不停地反復(fù)使用儀器設(shè)備，會(huì)大大縮短儀器設(shè)備的使用壽命。如果使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，一名實(shí)驗(yàn)教師可以同時(shí)面向幾十名學(xué)生進(jìn)行教學(xué)，大大提高教學(xué)效率[8]。

2.4 緊跟科研前沿

生命科學(xué)發(fā)展突飛猛進(jìn)，讓學(xué)生緊跟時(shí)代潮流是各個(gè)高校不可推卸的責(zé)任。當(dāng)科學(xué)界出現(xiàn)了一種新技術(shù)后，高?？梢粤⒖提槍?duì)性地設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件并及時(shí)地進(jìn)行教學(xué)。這免除了購(gòu)買儀器設(shè)備的繁瑣而漫長(zhǎng)的等待過程，讓本科生能學(xué)習(xí)到學(xué)科前沿的技術(shù)，從而對(duì)學(xué)科發(fā)展擁有更加敏銳的嗅覺。

3 總結(jié)

當(dāng)今生命科學(xué)飛速發(fā)展，其實(shí)驗(yàn)技術(shù)日新月異，許多非雙一流高校由于辦學(xué)規(guī)模的原因很難在人力和物力上進(jìn)行大規(guī)模的投入，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)技術(shù)上緊跟時(shí)代的發(fā)展。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)利用互聯(lián)網(wǎng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)完美的解決了這一問題，使得學(xué)生更好地緊跟科技的發(fā)展。但是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)也有其局限性，那就是即便在電腦軟件上操作上一百次，到真正使用儀器設(shè)備的時(shí)候依然可能會(huì)有各種問題發(fā)生。因此，高校生科類實(shí)驗(yàn)教學(xué)要把握好度，要將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合起來，做到虛實(shí)結(jié)合。相信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將會(huì)在高校地生科類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮越來越重要地作用。