生物材料虛擬仿真實驗建設的探索與實踐

李慧麗，廖成竹★，田顏清

（南方科技大學材料科學與工程系省級實驗教學中心，廣東 深圳 518000）

0 引言

生物材料，又稱生物醫(yī)用材料，該學科的一個鮮明特點是材料科學、生命科學和醫(yī)學、力學等的多學科交叉與融合，而實踐性強是生物材料的另一個鮮明特點。實踐教學是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的高素質工程技術人員及卓越人才的重要手段，是理論聯(lián)系實際、激發(fā)學生探索欲望、獲得正確思維、技能訓練和靈活運用知識并通往科研和工作的橋梁[1]。鑒于生物材料的多學科交叉特點，開設綜合性實驗更為適合實驗教學。綜合性實驗難度大、時間長、學科跨度大，部分實驗學生難以獨立操作，學生完成綜合性實驗也需要花費更多的經歷和時間。傳統(tǒng)線下實驗教學模式雖然能夠讓學生自己動手進行實驗，但在有限的學時和學生被動學習狀態(tài)下，難以達到最佳教學效果。

虛擬仿真實驗教學依托于網絡通訊、多媒體交互操作等信息技術，構建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象并且還原實驗過程。在虛擬環(huán)境中開展實驗，可以完成在現(xiàn)實中無法完成或者無法達到預期目標的實驗內容，以及在有限學時內無法完成的實驗項目。虛擬仿真實驗教學在教育教學領域得到越來越多的應用，是教育信息化的重要手段[2]。虛擬仿真實驗教學具有效率高、可擴展性強、操作安全、高度開放和資源共享等特點[3]。通過學習虛擬仿真實驗，學生能夠將實際中難以完成以及時間跨度長的實驗在虛擬仿真實驗完成，彌補教學實踐的缺點。同時虛擬仿真實驗不受時間和空間限制的特點，能夠讓學生隨時隨地學習，從而達到實驗預習、課后鞏固復習的目的，結合線下教學實踐，“虛實結合”的方式能夠大大提高學生的學習效果。

1 生物材料教學實驗現(xiàn)有的問題和不足

生物材料教學實驗線下教學體系進過幾年建設，已經形成相對成熟的綜合實驗體系。目前，生物材料實驗是典型的綜合性實驗，實驗設計了材料“合成-制備-表征-性能”的全流程實驗，實驗內容涉及了化學、材料學、生物學等學科的知識，學科交叉融合，實驗目的是培養(yǎng)學生跨學科學習和實踐的綜合能力，分析解決材料“結構設計-性能-應用”的復雜工程問題的能力，進而培養(yǎng)創(chuàng)新型“新工科”人才。實驗經過不斷的教學實踐，通過學生的學習反饋，不斷調整改革，目前，仍有某些問題需要解決，如：（1）部分實驗項目無法實現(xiàn)。如在生物材料中需要培養(yǎng)人成骨細胞進行相關生物學表征，人成骨細胞需要經過人成骨組織提取，培養(yǎng)至所需細胞密度之后進行實驗操作。在本實驗中，人體成骨組織來源受限，成骨細胞分離技術難度較大，并且培養(yǎng)時間較長，一旦出現(xiàn)污染等問題實驗不能重復。以上諸多原因造成該實驗項目學生基本不能在實驗教學中完成。（2）部分實驗時間跨度過長：如實驗項目藥物合成實驗，需要進行藥物釋放表征。藥物釋放實驗需要每隔一段時間對樣品取樣，對于釋放緩慢的藥物時間可能長達10-15天，實驗時間跨度過長。而通過開設虛擬仿真實驗，利用虛擬仿真技術可以完成實際無法進行的實驗，并且減少實驗材料和貴重試劑的浪費，節(jié)約教學成本。其次，可通過虛擬仿真開設周期長、難度大的實驗。因此，虛擬仿真實驗能夠有效地彌補傳生物材料實驗教學中的不足，是達到教學預期目標的有效手段[4]。

2 建設生物材料虛擬仿真實驗的必要性

2.1 避免高危性實驗操作

部分實驗項目如羥基磷灰石合成涉及到高溫高壓反應釜操作實驗，危險性大。同時高分子復合材料制備過程使用了高分子加工成型設備，實驗在高溫環(huán)境下操作，具有一定的危險性。虛擬仿真項目能有效地解決實驗操作具有危險性的問題。

2.2 實驗場地限制，實驗操作成本高

部分實驗項目涉及細胞提取、培養(yǎng)和細胞活性評價，相關實驗均在細胞潔凈室里進行，大部分普通高校的材料專業(yè)方向，細胞實驗室場地缺乏或空間有限。而且細胞相關實驗試劑有效期短，價格昂貴，實驗耗材為一次性滅菌使用，實驗成本高。虛擬仿真實驗能有效解決因場地缺乏和實驗操作成本高帶來的困境。

2.3 生物細胞實驗的特殊性

細胞培養(yǎng)技術原理復雜，知識點深奧難懂，材料專業(yè)學生掌握起來難度大，同時細胞培養(yǎng)實驗操作要求高，耗時長，所占學時長，而且實驗過程細胞極易染菌，實驗失敗率高。通過反復多次的虛擬仿真實驗的訓練可以提升學生的操作技能，提高實驗的成功率。

2.4 實驗資源匱乏

精密貴重儀器臺套數(shù)少，如掃描電鏡SEM、X射線衍射XRD。學生需分組完成，等待時間長，或需配備額外的實驗教師同時進行不同貴重儀器的輔導。虛擬仿真項目能有效地解決因實驗設備數(shù)量有限而帶來的學生有效學習時間短的問題。

3 虛擬仿真實驗建設措施和內容

3.1 虛擬仿真實驗依托平臺

線上教學取得成功需要依托可靠平臺，材料科學與工程系教學實驗平臺為我系獨立建設管理的平臺，已經于2019上半年開始上線運行，現(xiàn)有實驗教學模塊包含實驗微課模塊、虛擬仿真實驗模塊、學習測評模塊等。學生線上學習及交流互動以及測評數(shù)據(jù)被有效的整合記錄，該平臺是實現(xiàn)虛擬仿真實驗教學的關鍵。

3.2 虛擬仿真實驗建設內容

生物材料實驗系統(tǒng)構建的虛擬仿真實驗環(huán)境，全方位展示現(xiàn)有的綜合實驗體系。實驗設計了按照 “合成-制備-表征-性能”的要求設計了全流程模塊式實驗[5]。目前生物材料包含三個綜合性實驗，每個實驗由3-4個實驗模塊構成。如載銀活性炭復合材料的制備與表征實驗包含載銀活性炭復合材料的制備、SEM觀察表征復合材料、大腸桿菌抗菌實驗檢驗復合材料功能。人工骨生物復合材料制備與表征實驗包含nHA的水熱合成及結構表征、人工骨生物復合材料的加工及制備、細胞提取、培養(yǎng)和生物相容性評價等實驗模塊（圖1）。

圖1 實驗模塊結構圖

依托虛擬仿真實驗教學項目，讓學生切身體會到生物醫(yī)用材料的全流程綜合實驗的體驗，結合軟件的自動評分體系，讓學生能夠直觀得到實驗效果，有效降低了材料專業(yè)學生學習跨學科實驗操作的畏難情緒，調動了學生參與生物材料實驗教學的主動性和積極性，大大地激發(fā)了學生的學習興趣和潛能，推進了全流程綜合實驗設計的教學方法的普遍應用。

模塊化的虛擬實驗設計，讓學生可以自主選擇按實驗順序完成全流程實驗，亦可以選擇難度大、易犯錯的實驗場景重復練習并參與考評，練習過程中設置了大量的選擇題供學生思考，學生參與自主分析實驗結果，有效培養(yǎng)新工科學生解決復雜問題的綜合能力和高階思維。

4 虛擬仿真實驗的實踐

本實驗采用線上線下混合教學模式進行實驗教學，其中線上虛擬仿真實驗共13學時，線下實操實驗51學時，共64學時，具體實驗過程可分為課前、課中、課后三個階段，詳細過程如下：

4.1 課前

課前階段進行線上虛擬仿真實驗教學。教師在實驗教學平臺上發(fā)布預習任務，學生登錄網站根據(jù)預習任務進行課前虛擬實驗，遇到問題可以與教師及時溝通交流。課前屬于自主學習，并以此取代傳統(tǒng)的預習報告模式，有利于學生在自主學習過程中主動發(fā)現(xiàn)問題，減少課堂實驗失誤的概率，有利于教師有目的、針對性教學。學生完成虛擬實驗后可以在線生成實驗報告，線上實驗報告區(qū)別于線下實驗報告，主要評定學生進行虛擬仿真實驗的成績，屬于預習成績，占比20%。

4.2 課中

課中階段進行線下實操實驗教學過程。經過課前虛擬實驗預習，學生已經對實驗原理、實驗目的和實驗內容有了初步認識，教師無需花費大量時間重復實驗原理、實驗步驟等相關內容，將更多的時間安排在回答學生自主學習時發(fā)現(xiàn)的問題，有目的、有側重地進行互動討論式教學，實現(xiàn)“以學生為主體，教師為引導”的課堂模式。而對于人成骨細胞的提取及培養(yǎng)實驗，通過虛擬仿真實驗“以虛代實”，可以完成現(xiàn)實中無法完成的實驗。

4.3 課后

課后進行線上虛擬和線下實操實驗總結。學生在總結實驗過程中，如對實驗過程不清楚，還可以反復進行虛擬實驗，鞏固實驗學習，提升教學效果。在此基礎上分析實驗結果，完成線下實驗報告。

5 課程考核及評價

5.1 虛擬仿真實驗項目內加入考評測試內容

為提高學生操作虛擬仿真實驗時的積極性，在虛擬仿真實驗過程中加入實驗操作測試，選擇正確則進入下一步，錯誤則顯示正確答案，成績計入本次操作成績內。實驗結束后，對學生進行本次實驗理論知識測試，測試題由選擇題和判斷等客觀題組成，由題庫隨機抽取一定數(shù)量題目，答題結束后直接顯示測試成績?？偝煽冇蓪嶒灢僮鳒y試和理論知識操作共同構成[6]。

5.2 建立更合理的實驗考核評價體系

傳統(tǒng)的生物材料實驗課程的考核主要由實驗報告、平時成績和考勤等幾部分組，這種考核方式往往忽略了學生的自主學習能力。將虛擬仿真實驗成績加入考核評價體系，可以充分體現(xiàn)出學生的自主學習能力，與傳統(tǒng)實驗考核體系相結合后能更為合理的考評學生的實驗成績。新的考核評價體系由實驗預習、虛擬仿真實驗操作、平時實驗操作及實驗報告共同構成。經過教學實踐，這種考核體系更加調動學生的積極性，促進實驗教學獲得更好的教學效果。

6 結論

生物材料虛擬仿真實驗經過一年建設正式上線，并且已經一年的教學實踐。虛擬仿真的實驗的應用，打破了空間和時間的限制，提高了實驗的深度和完整性，增加了每個學生動手參與的機會，保障了教學質量和效果，積極推動了我校的教學改革發(fā)展。但是虛擬源自于現(xiàn)實，線下實驗也是實驗教學不可或缺的重要組成部分，只有充分的“虛實結合”才能取得更好的教學成果。目前，生物材料虛擬仿真實驗還有一些缺點和不足，該實驗也會在教學實踐中以及學生的學習檢驗中越來越完善，為越來越多的學生和學校服務。