虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)與應(yīng)用現(xiàn)狀研究

謝久鳳，張繼冉，謝 慧，李海霞

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，鄭州 450002)

國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的要求與當(dāng)下教育改革發(fā)展相一致，在教育信息化工作的總體布局中占有重要地位[1-2]。為了使實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)增加新的內(nèi)容、充滿新的活力、建設(shè)更加全面，教育部又提出建設(shè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室[3]，模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作過程，使學(xué)生有身臨其境之感，完成在現(xiàn)實(shí)生活中實(shí)驗(yàn)室不可能完成的高?；驐l件達(dá)不到的但教學(xué)中又必須要學(xué)生掌握的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[4]。這樣能達(dá)到教學(xué)大綱的要求，提高教學(xué)水平，拓展學(xué)生實(shí)踐能力，開闊思維眼界，確保學(xué)生安全，降低教學(xué)成本，節(jié)省國(guó)家資源，是一舉多得的實(shí)用型、安全型和經(jīng)濟(jì)型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[5]。

1 建設(shè)發(fā)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的指導(dǎo)原則

A.科學(xué)合理規(guī)劃。制定合理的與地域分布、學(xué)科交叉、專業(yè)相結(jié)合的計(jì)劃，制定激勵(lì)措施，確保項(xiàng)目持續(xù)有效發(fā)展。

B.資源共享。資源建立不能只局限在某學(xué)?；蚰车貐^(qū)，要有共享理念，獲得優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的單位要開設(shè)共享平臺(tái)供大家有償使用，補(bǔ)償資源創(chuàng)建的資本，實(shí)現(xiàn)知識(shí)共享，激勵(lì)更多優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的開發(fā)。

C.突出重點(diǎn)。建設(shè)要將重點(diǎn)放在教學(xué)資源和教學(xué)服務(wù)上，但教學(xué)師資隊(duì)伍和平臺(tái)建設(shè)管理體制也同樣重要，不能顧此失彼，要實(shí)現(xiàn)均衡發(fā)展。

D.提高效益。要充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的示范帶頭作用，擴(kuò)大優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的使用范圍，以達(dá)到提高高校學(xué)生的社會(huì)實(shí)踐創(chuàng)新能力，促進(jìn)高等教育教學(xué)質(zhì)量提高和高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革創(chuàng)新的目的[6]。

E.持續(xù)發(fā)展。制定評(píng)定方法，嚴(yán)格篩選，寧缺毋濫，挑選出優(yōu)秀合格的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。制定優(yōu)惠政策，籌措經(jīng)費(fèi)，專款專用，大力支持各地區(qū)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)工作，鼓勵(lì)教育部門和高校重視此項(xiàng)工作，確保教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心信息化建設(shè)工作持續(xù)有效發(fā)展[7-8]。

以河南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院國(guó)家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心為例，2014年生命科學(xué)學(xué)院積極響應(yīng)國(guó)家教育方針政策的號(hào)召，在全院師生共同努力下獲批國(guó)家級(jí)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心基本情況

2.1 發(fā)展定位

以一流的人才培養(yǎng)為目標(biāo)，以一流的專業(yè)建設(shè)為抓手，以培養(yǎng)學(xué)生成長(zhǎng)成才為起點(diǎn)和目標(biāo)，進(jìn)一步深化生物工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新，主動(dòng)融入生物行業(yè)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，建立本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。打造優(yōu)質(zhì)資源共享的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，把中心建設(shè)成為具有一流的師資隊(duì)伍、一流的辦學(xué)條件、一流的教改成果、一流的教學(xué)質(zhì)量的國(guó)家級(jí)教學(xué)示范中心。

2.2 建設(shè)思路

按照學(xué)生中心、目標(biāo)導(dǎo)向、統(tǒng)籌規(guī)劃、優(yōu)化資源、突出特色，強(qiáng)化內(nèi)涵、充分開放、追求卓越的原則，堅(jiān)持基本能力訓(xùn)練-綜合能力提高-實(shí)踐能力加強(qiáng)-創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主線，構(gòu)建校內(nèi)實(shí)驗(yàn)和校外實(shí)驗(yàn)相互促進(jìn)的雙線實(shí)驗(yàn)教學(xué)人才培養(yǎng)體系，不斷提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平培養(yǎng)質(zhì)量。

2.2.1 校內(nèi)實(shí)驗(yàn)改革思路

A.更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念。以學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)為主線，堅(jiān)持理論與實(shí)踐相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，優(yōu)化人才培養(yǎng)方案。

B.完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心將教與學(xué)結(jié)合，充分發(fā)揮教學(xué)的積極性，采取研究式、自主式等多種教學(xué)方法，形成完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

C.豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。根據(jù)人才培養(yǎng)方案，制訂了內(nèi)容規(guī)范、自主靈活的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱。大綱中除了規(guī)范教學(xué)內(nèi)容外，也強(qiáng)調(diào)了教學(xué)安排的自主性及靈活性，出版了系列實(shí)驗(yàn)教材。

D.改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與手段。以能力培養(yǎng)為核心，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。依據(jù)實(shí)驗(yàn)硬件條件，開設(shè)了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)等多層次實(shí)驗(yàn)課程與項(xiàng)目，以啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

以學(xué)生為中心，推進(jìn)體驗(yàn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。采用教學(xué)練做四階段教學(xué)法，推進(jìn)體驗(yàn)式教學(xué)；構(gòu)建了課堂-實(shí)驗(yàn)中心-實(shí)習(xí)基地的實(shí)驗(yàn)教學(xué)鏈；將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與畢業(yè)設(shè)計(jì)掛鉤，提高畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量；產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，努力提高教學(xué)成果的社會(huì)轉(zhuǎn)化率。

以技能培訓(xùn)為重點(diǎn)，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的先進(jìn)性。所有課程都制作相應(yīng)的PPT教學(xué)課件，所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都制作視頻教學(xué)錄像；注重實(shí)驗(yàn)操作技能培訓(xùn)，推行啟發(fā)式、交互式和案例式等多種形式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

以健全實(shí)驗(yàn)考核機(jī)制為關(guān)鍵，提升學(xué)生興趣。根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)，制定相關(guān)的實(shí)驗(yàn)考核辦法，教師評(píng)分要公正合理，注重過程?？己瞬捎闷綍r(shí)成績(jī)與考試結(jié)果相結(jié)合的方式，全面反映學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況。

2.2.2 校外實(shí)踐

實(shí)踐教學(xué)基地：河南鄭州正九酒業(yè)有限公司、河南邦友農(nóng)業(yè)生態(tài)循環(huán)發(fā)展公司、河南中原環(huán)保五龍口水務(wù)分公司。

具體做法：

(1)河南鄭州正九酒業(yè)有限公司白酒制作工藝流程：

原材料：高粱、小麥、玉米、大米，高粱選自東北，日照長(zhǎng)，質(zhì)量好；粉碎：均勻粉碎成4、6、8瓣；蒸煮：上鍋蒸有6個(gè)要求，即勻、薄、平、輕、松、準(zhǔn)；發(fā)酵(入池發(fā)酵)：濃香型酒入池溫度要20℃以下，醬香型酒要堆積進(jìn)行二次發(fā)酵，又稱二次培菌，目的是提高糖化率；蒸餾：蒸酒時(shí)溫度要控制在25℃，避免因溫度過高而導(dǎo)致水分蒸發(fā)；入壇、脫新(老熟)：新蒸的酒含有雜醇以及對(duì)人體有害的物質(zhì)，需要放置6～12個(gè)月，使這些物質(zhì)揮發(fā)出去；勾調(diào)：通過調(diào)味使不同品質(zhì)的酒達(dá)到統(tǒng)一口感；包裝：裝瓶，銷售。

在鄭州正九酒業(yè)有限公司主要參觀蒸酒車間、原酒庫(kù)及營(yíng)銷中心三個(gè)部分，讓學(xué)生了解到白酒制作的環(huán)節(jié)和步驟及注意事項(xiàng)，并結(jié)合在學(xué)校發(fā)酵工藝課程上所學(xué)的專業(yè)知識(shí)進(jìn)行分析，加深對(duì)理論知識(shí)的理解。

(2)河南邦友農(nóng)業(yè)生態(tài)循環(huán)發(fā)展公司杏鮑菇生產(chǎn)工藝流程：

基料：將玉米屑、木屑以2∶1混勻，再將混勻物和精料(玉米粉、豆粕粉)按照3∶2混勻，注水?dāng)嚢杈鶆颍?0%，用攪拌鍋攪拌均勻；裝袋：將上述基料用食用菌自動(dòng)裝袋機(jī)裝袋；滅菌：用滅菌鍋將裝袋的基料120℃高壓蒸汽滅菌8 h；接菌：用物流線將滅菌的基料送入接菌車間進(jìn)行菌種接種；培菌：將接過菌種的料袋送入養(yǎng)菌房，無光照，21～23℃培養(yǎng)35 d，直至料袋長(zhǎng)滿白色菌絲；壓袋：將料袋一端壓下去，避免杏鮑菇長(zhǎng)滿袋口分散營(yíng)養(yǎng)；長(zhǎng)菇：將長(zhǎng)滿菌絲的料袋送入養(yǎng)菇房培養(yǎng)15 d，養(yǎng)菇需要光照，溫度13～15℃。出菇方式有網(wǎng)格出菇和床架出菇兩種方式，前者產(chǎn)量更高，后者菇型更好；采摘：每袋采菇2～3個(gè)，分為5個(gè)等級(jí)；包裝：將不同等級(jí)的杏鮑菇進(jìn)行不同的包裝，銷售省內(nèi)外。

學(xué)校開設(shè)了食用菌栽培與加工課程，為了讓學(xué)生更好地掌握課堂知識(shí)，學(xué)校與企業(yè)合作，組織學(xué)生參觀學(xué)習(xí)，明確杏鮑菇生產(chǎn)工藝流程和注意事項(xiàng)，強(qiáng)化無菌操作意識(shí)，因地制宜將理論知識(shí)靈活運(yùn)用到實(shí)踐應(yīng)用中。

(3)河南中原環(huán)保五龍口水務(wù)分公司(污水處理廠)污水處理過程：

進(jìn)水：生活污水、雨水等；粗格柵：回旋式機(jī)器，倒靶齒狀，間歇運(yùn)行，除去水中直徑大于20 mm的漂浮物；高位井：利用重力自流原理節(jié)流降耗；細(xì)格柵：除去水中直徑大于6 mm的漂浮物，避免后期設(shè)備磨損；旋流沉砂池：利用離心力將沙礫甩向池壁從而排出收集；生物池：分為前置缺氧池、厭氧池、好氧池三個(gè)部分，主要功能是通過微生物的新陳代謝作用，將污水中的有機(jī)物氧化分解為水、二氧化碳、硝酸鹽和磷酸鹽，從而將有機(jī)物去除，同時(shí)在缺氧池和厭氧池完成脫氮和脫磷；二沉池：污水呈泥漿狀，刮吸泥橋，中間進(jìn)水，周邊出水；清水池：過濾消毒，再生水。

學(xué)生到中原環(huán)保五龍口水務(wù)分公司學(xué)習(xí)參觀，觀看了公司介紹影片以及《小水滴歷險(xiǎn)記》中的動(dòng)畫片段，形象貼切地介紹了污水處理的過程。通過參觀學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)企業(yè)生產(chǎn)發(fā)展有了具體的認(rèn)識(shí)，也意識(shí)到了自身的不足之處。

實(shí)踐教學(xué)是撬動(dòng)人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要支點(diǎn)，而建設(shè)好實(shí)踐基地是推動(dòng)實(shí)踐教學(xué)改革的先決條件[9]。要想使基地建設(shè)出成效，教學(xué)改革出成果，有四點(diǎn)至關(guān)重要：(1)學(xué)校對(duì)實(shí)踐教學(xué)的重視度是根本，唯有學(xué)校重視，才會(huì)形成持久的推動(dòng)力；(2)政府對(duì)基地建設(shè)的扶持力度是基礎(chǔ)，唯有政府扶持，才會(huì)形成強(qiáng)大的支撐力；(3)基地對(duì)合作企業(yè)的貢獻(xiàn)度是關(guān)鍵，唯有企業(yè)認(rèn)同，才會(huì)形成長(zhǎng)久的生命力；(4)校企對(duì)實(shí)踐教學(xué)的協(xié)同度是保證，唯有校企協(xié)同，才會(huì)形成不竭的創(chuàng)造力。只有把握好了以上四點(diǎn)，才能真正解決好基地建設(shè)的投入問題、機(jī)制問題、動(dòng)力問題和持久發(fā)展問題。

2.3 信息技術(shù)發(fā)展與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新

根據(jù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用共享特征、實(shí)驗(yàn)方式、開發(fā)的技術(shù)平臺(tái)、資源設(shè)置等方面，匯總了國(guó)內(nèi)外高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的類型和形式，如表1所示。

2.4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源與管理平臺(tái)框架虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院擬申報(bào)“暗-光聯(lián)合生物制氫虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”?！鞍?光聯(lián)合生物制氫虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”依托農(nóng)業(yè)工程訓(xùn)練中心、生物質(zhì)能源河南省協(xié)同創(chuàng)新中心、河南省生物質(zhì)能源與納米材料國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、河南省農(nóng)村可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等科研實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，緊密圍繞實(shí)驗(yàn)教學(xué)和訓(xùn)練，以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為創(chuàng)新和有效補(bǔ)充。

以“暗-光聯(lián)合生物制氫虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”建設(shè)為契機(jī)，更新整合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)備配置，增加設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)手段，實(shí)施分層次模塊化教學(xué)，構(gòu)建符合時(shí)代特點(diǎn)、特色鮮明的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程新體系。依托虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互、多媒體、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。

表1 國(guó)內(nèi)外高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的類型和形式Tab.1 Types and forms of virtual simulation experiment in colleges at home and abroad

“暗-光聯(lián)合生物制氫虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”以生物制氫理論為基礎(chǔ)，基于暗-光聯(lián)合生物制氫機(jī)理設(shè)計(jì)的聯(lián)合生物制氫反應(yīng)器，模擬完整的暗-光聯(lián)合生物制氫流程，幫助學(xué)生理解抽象的生物制氫知識(shí)，掌握暗-光聯(lián)合生物制氫反應(yīng)器的正確操作流程和各項(xiàng)數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)的規(guī)律。

河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)跨境電商海外倉(cāng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)， 利用ebay、wish等跨境電商平臺(tái)真實(shí)鏡像數(shù)據(jù)，模擬跨境平臺(tái)海外倉(cāng)運(yùn)營(yíng)管理過程，幫助學(xué)生熟悉跨境電商供應(yīng)鏈管理流程和規(guī)則，培養(yǎng)學(xué)生在跨境物流海外倉(cāng)的物流活動(dòng)信息化、智能化方面的操作和應(yīng)用能力，增強(qiáng)教學(xué)的趣味性，使教師對(duì)教學(xué)有更好的把控性，從而提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。

課程的目標(biāo)是讓學(xué)生在完成跨境電商海外倉(cāng)虛擬仿真課程時(shí)，提高學(xué)生的智能物流系統(tǒng)策劃設(shè)計(jì)能力及協(xié)調(diào)組織能力，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)系統(tǒng)仿真等現(xiàn)代化物流信息技術(shù)的駕馭能力，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。這樣有助于電子商務(wù)和物流專業(yè)的復(fù)合型人才培養(yǎng)，降低電子商務(wù)企業(yè)、物流企業(yè)、第三方物流企業(yè)、制造企業(yè)、商品流通企業(yè)的物流成本，為物流產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)服務(wù)。

2.5 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理信息系統(tǒng)建設(shè)框架

推進(jìn)全新的教學(xué)研究方法和學(xué)習(xí)方式，將方法傳授給學(xué)生，利用線上各類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，鼓勵(lì)學(xué)生自行解決問題，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、自主學(xué)習(xí)的能力和意識(shí)[10]。

實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源共享理念，優(yōu)化教學(xué)軟件，提供全方位的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助功能[11]，設(shè)置不同類型實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件與學(xué)生學(xué)習(xí)平臺(tái)連接，清除系統(tǒng)間的連接障礙，整合高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，以滿足各校、各院系對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的管理、建設(shè)、更新、發(fā)布等需求，實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)、跨校、跨專業(yè)的無障礙資源共享。

建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源數(shù)據(jù)庫(kù)，規(guī)范制度，實(shí)現(xiàn)任務(wù)部署和資源調(diào)度，支持資源交叉訪問和檢索，方便使用者在線操作學(xué)習(xí)?？稍O(shè)置測(cè)試、組合、創(chuàng)新等功能，改變傳統(tǒng)管理模式，實(shí)現(xiàn)新型網(wǎng)絡(luò)化管理和應(yīng)用。

3 結(jié)語

依托虛擬現(xiàn)實(shí)，利用多媒體和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，虛擬出高度仿真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中身臨其境地完成教學(xué)大綱所要求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，更好地掌握理論知識(shí)，為實(shí)踐應(yīng)用奠定基礎(chǔ)[12]。