虛擬仿真應(yīng)用于生命科學(xué)類專業(yè)實驗教學(xué)中探討與研究

李玲 閆旭宇 李娟 任潘

摘? 要：本文主要探討了生命科學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)資源的建設(shè)情況和在實驗教學(xué)中的應(yīng)用，期望對于豐富實驗教學(xué)資源、培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能、促進人才培養(yǎng)質(zhì)量起到積極的作用。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真? 生命科學(xué)? 實驗教學(xué)

Abstract： This paper mainly discusses the construction and application of life science virtual simulation experiment teaching resources， It is expected to play an active role in enriching experimental teaching resources， cultivating students'experimental skills and promoting the quality of talents cultivation.

Key Words： Virtual Simulation; Life Science; Experimental teaching

生命科學(xué)類專業(yè)是實踐性較強的一門學(xué)科，實驗教學(xué)在整個教學(xué)活動中占有很大的比例，是學(xué)生提高發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和動手能力，培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的重要手段。但隨著教學(xué)改革的持續(xù)深入，傳統(tǒng)的實驗課堂教學(xué)受到一定的沖擊，遇到了一些實際困難和問題，難以滿足人才質(zhì)量培養(yǎng)的要求。目前，很多本科教學(xué)計劃中開設(shè)的實驗項目受實驗周期長、實驗成本高、安全環(huán)保危害大等因素的制約與限制，導(dǎo)致教學(xué)效果并不理想。近些年，虛擬仿真技術(shù)和信息技術(shù)在高校生命科學(xué)類專業(yè)實驗教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，已成為當前實驗教學(xué)改革的新方向，對于豐富實驗教學(xué)資源、減短實驗周期、降低實驗成本及解決環(huán)保問題等，并對學(xué)生的實驗技能、促進人才培養(yǎng)質(zhì)量起到重要的作用[1]。

1? 生命科學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)資源的建設(shè)

生命科學(xué)學(xué)院結(jié)合專業(yè)特色及人才培養(yǎng)方案，全面推進以學(xué)生為主、以學(xué)為主，問題導(dǎo)向，任務(wù)驅(qū)動的虛擬實驗教學(xué)改革，構(gòu)建了層次結(jié)構(gòu)清晰、適宜共享、易于擴展的生物科學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)體系?，F(xiàn)開發(fā)建設(shè)有生物工程及微生物、植物學(xué)類、儀器設(shè)備使用及實驗室安全培訓(xùn)三個模塊，每個學(xué)科模塊根據(jù)實驗教學(xué)目標再進行細分，建成了結(jié)構(gòu)層次清晰、內(nèi)容擴展的生命科學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，其中生物工程及微生物模塊包括蛋白質(zhì)同源模建虛擬仿真軟件、動物胚胎移植操作實驗、單克隆抗體制備虛擬仿真實驗、SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳測定蛋白質(zhì)的相對分子量虛擬仿真實驗軟件、酶聯(lián)免疫吸附虛擬仿真實驗軟件等19個項目;植物學(xué)類模塊包括水稻遺傳轉(zhuǎn)化虛擬仿真軟件、擬南芥 T-DNA 插入突變體的鑒定虛擬仿真軟件、植物基因克隆及表達載體建立、植物工廠 3D 仿真培訓(xùn)軟件等6個項目;儀器設(shè)備使用及實驗室安全培訓(xùn)包括熒光定量 PCR 儀虛擬操作系統(tǒng)、氣相色譜 VR 虛擬仿真實訓(xùn)軟件、激光共聚焦操作虛擬仿真實驗、生物類實驗室安全防護虛擬仿真訓(xùn)練等6個項目。軟件平臺登錄網(wǎng)址為http：//219.244.0.63/website，全校師生可在校園網(wǎng)通過建立的賬號和密碼登錄后下載使用。

2? 生命科學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)的意義

2.1 適應(yīng)信息化建設(shè)發(fā)展需要，提升人才質(zhì)量培養(yǎng)質(zhì)量

國家非常重視教育信息化建設(shè)，教育部于2012年出臺了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020）》等文件，為高校開展教育信息化工作提供了政策依據(jù)，指明了發(fā)展方向。新時期在信息化背景下，利用虛擬仿真技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，完善傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法，推進實驗教學(xué)改革，提升平臺師資力量，不斷加強學(xué)生自主學(xué)習(xí)和實踐能力的培養(yǎng)。實驗教學(xué)是生命科學(xué)類專業(yè)重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，對學(xué)生提高發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力以及綜合素質(zhì)的提高有極其重要的作用。學(xué)生通過虛擬仿真教學(xué)的學(xué)習(xí)不僅保證了學(xué)生的人身安全，也增強了學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力，為今后就業(yè)打下了堅實的基礎(chǔ)。

2.2 依托互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提高實驗教學(xué)效果及效率

生命科學(xué)真實實驗主要制約因素有：一是實驗項目用到有害性、易燃易爆性、感染性、放射性等類物質(zhì)實驗時，現(xiàn)有實體實驗室條件很難滿足實驗開設(shè)要求，存在安全風(fēng)險;二是實驗的不可逆性，在開展動物實驗時，動物不必要的處死和處死的數(shù)量增加，另外實驗中具有危險的技能操作如穿刺治療等;三是教學(xué)成本和資源限制，有些實驗生物材料由于受環(huán)境變化和季節(jié)性影響很難采集到，還有人體及動物生理學(xué)實驗所需人尸體及器官標本更是難求，最終影響實驗重復(fù)性;四是有些生物化學(xué)、分子生物學(xué)、生物技術(shù)實驗中的實驗項目，實驗周期長，實驗耗材、設(shè)備使用成本高，還有一些實體實驗受時間和空間限制，學(xué)生操作難度大，成功率不高。而虛擬生命科學(xué)實驗則可以做到不受時空限制、隨時隨地的開放，通過交互的動畫方式直觀地展現(xiàn)操作過程和方法，利于學(xué)生對實驗操作的理解[3]。

3? 生命科學(xué)虛擬仿真平臺在實驗教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 虛-實結(jié)合實驗教學(xué)模式創(chuàng)新

虛擬仿真實驗平臺資源的建設(shè)不僅結(jié)合了相關(guān)專業(yè)的實驗教學(xué)大綱和培養(yǎng)方案，在能實不虛的原則下使虛擬仿真項目發(fā)揮出自身的特點和優(yōu)勢。同時，根據(jù)教學(xué)科研實際情況，發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的優(yōu)勢，拓展更新了實驗教學(xué)項目資源，逐漸建立了基礎(chǔ)性、綜合性、設(shè)計創(chuàng)新性、虛擬仿真性多層次、多模塊、多角度的“虛”與“實”相結(jié)合一體化實驗教學(xué)體系。比如聯(lián)合開發(fā)了“食用菌（杏鮑菇）工廠化生產(chǎn)虛擬仿真實驗”、“固體小曲白酒發(fā)酵過程虛擬仿真實驗”等項目，學(xué)生可以通過游戲的方式掌握實驗的步驟和操作過程以及決定實驗成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，大大地提升對實驗項目的認知，學(xué)生通過虛擬軟件平臺實現(xiàn)了課堂教學(xué)與在線學(xué)習(xí)的結(jié)合，課前課后可以在線觀察、瀏覽、下載學(xué)習(xí)真正做到了“虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛”的原則。

3.2 培優(yōu)育新，管理模式創(chuàng)新

軟件后臺建立強大多功能綜合管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了資源管理、教師管理、學(xué)生管理、虛擬操作、仿真考試、教師評閱等功能。在上實驗課時，學(xué)生在線登錄仿真軟件平臺，根據(jù)軟件界面提示進行虛擬操作，通過點擊鼠標可完成各個實驗流程、儀器使用等操作。實驗結(jié)束后，系統(tǒng)會記錄學(xué)生操作情況和答題情況，并給予打分，實驗教學(xué)人員運用仿真資源查看學(xué)生考試成績統(tǒng)計，教師通過收集整理分析，對實驗中發(fā)現(xiàn)的突出問題和集中存在的問題，有針對性進行輔導(dǎo)，達到提高實驗教學(xué)質(zhì)量。通過線上學(xué)習(xí)和線下實驗的有機結(jié)合，學(xué)生實驗技能得到了更加系統(tǒng)全面的訓(xùn)練，而且數(shù)字化實驗課程資源的建設(shè)滿足了信息化環(huán)境下學(xué)生在線學(xué)習(xí)和實驗教學(xué)的需要，極大促進學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主實驗的主觀能動性和積極性，開創(chuàng)了虛擬實驗與真實實驗協(xié)同育人的新局面。

3.3 突破時空限制，實現(xiàn)了自主開放性教學(xué)

近年來，高校招生規(guī)模的擴大，加劇了學(xué)生人數(shù)急速增加與實驗室硬件和軟件發(fā)展相對滯后的矛盾，人均實驗條件還存在不小的差距。而傳統(tǒng)實驗教學(xué)是嚴格按照教學(xué)計劃和安排，在規(guī)定時間內(nèi)，在指定的實驗地點，以班級為單位進行集中授課和實驗。現(xiàn)信息技術(shù)的發(fā)展，促進了虛擬仿真實驗教學(xué)中心的操作界面、仿真實驗界面、交互界面、管理界面在智能手機及 iPad（平板電腦）上展示，只要有一臺電子設(shè)備，通過校園網(wǎng)，將授課內(nèi)容與校園其它計算機聯(lián)網(wǎng)共享，支持學(xué)生隨時操作實驗，自己掌控實驗進度，并提出遇到的問題，尋求幫助，教師和其他學(xué)生可以一起討論，幫助其解決問題。通過這種“人機對話”的交互式學(xué)習(xí)方式，學(xué)生可直觀地、立體地和動態(tài)地學(xué)習(xí)知識，從而加深記憶，充分發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，打破了傳統(tǒng)教學(xué)的時空限制，真正實現(xiàn)了虛擬教學(xué)資源的開放和共享。

4? 結(jié)語

虛擬仿真實驗教學(xué)是信息技術(shù)高速發(fā)展應(yīng)運而生的產(chǎn)物，是借助多媒體、數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，進而幫助學(xué)生在虛擬的環(huán)境中進行實驗過程，其具有高仿真、智能化、互動性、直觀性、開放性等特點，極大促進了教學(xué)效果的提高[2]。但虛擬仿真實驗也有一定的局限性，在實際應(yīng)用時，應(yīng)當將其與實物實驗結(jié)合起來，做到虛實結(jié)合，相輔相成，不斷優(yōu)化創(chuàng)新人才成長環(huán)境，推進人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高[4]。

參考文獻

[1] 秦麗瑋，胡原，萬建，等.分子生物學(xué)虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)與應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與理，2018，35（7）：140-143，147.

[2] 吳鋒景，劉小娟，鄧繼勇，等.應(yīng)用型本科高校中化工虛擬仿真實驗教學(xué)探索[J].廣州化工，2016，43（334）：204-205.

[3] 李兵，王玉鳳，賀占魁，等.生物學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)[J].實驗技術(shù)與管理，2016，33（12）：171-176.

[4] 徐艷.虛擬實驗在《生物工程分析與檢驗實驗》教學(xué)中應(yīng)用研究[J].課程教育研究，2019（6）：49.