基于虛擬仿真技術(shù)的高校動物實驗教學(xué)探索

程碧君 李天嬌＊

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院食品工程學(xué)院，吉林 吉林 132101）

0 前言

事實已經(jīng)證明，實驗教學(xué)對高校大學(xué)生實踐能力及觀察能力的提升能產(chǎn)生非常積極的影響，動物實驗在高校專業(yè)實驗教學(xué)中占有重要地位[1]。然而，由于資源短缺，各高校圍繞動物實驗開展的實踐教學(xué)始終未能達到高校期待的理想效果，在這種情況下，利用計算機技術(shù)展開虛擬化的實踐教學(xué)，已經(jīng)成為大勢所趨。虛擬仿真實踐教學(xué)可以將被觀察的景物生動地展現(xiàn)出來，其正面、反面和側(cè)面，甚至內(nèi)部都可以觀察，學(xué)習(xí)者的感覺和思維器官可以被充分調(diào)動[2]。

本研究以高等院校動物實驗課程的開發(fā)為原型，通過對高等院校課程動物實驗的分析，對3D交互技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)和仿真實驗室等相關(guān)資料進行學(xué)習(xí)研究，客觀分析高校動物實驗傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，從教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實踐的角度研究開發(fā)虛擬仿真動物實驗，并進行測試和評價，為動物實驗與教學(xué)的創(chuàng)新提供了一種新思路。

1 高校動物實驗傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題

目前，有些高校的專業(yè)課程對理論學(xué)習(xí)過于重視，而忽視了學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。然而，學(xué)生具有的理論基礎(chǔ)與實踐能力應(yīng)該是同等地位的。在現(xiàn)實生活中，由于學(xué)生缺乏實踐能力，無法解決實驗和實習(xí)過程中遇到的問題。究其原因主要是由于一些高校缺乏相關(guān)資源，對高校動物實驗傳統(tǒng)教學(xué)進行總結(jié)發(fā)現(xiàn)，主要存在以下幾方面問題。

1.1 學(xué)生對動物試驗技能培訓(xùn)重視不足

動物試驗技能培訓(xùn)對于學(xué)生專業(yè)技能的培養(yǎng)非常重要，尤其是動物醫(yī)學(xué)等專業(yè)。實驗對象為動物，學(xué)生對不同類型的實驗技能進行演習(xí)，以訓(xùn)練學(xué)生的基本功，如洗手、消毒、器械擺放等準備步驟，同時，學(xué)生在實驗前應(yīng)了解實驗對象。然而，由于許多學(xué)生由于個人害怕、恐懼或厭惡以及思想上的輕視等原因放棄了動手實驗的機會，只是觀看教師或其他同學(xué)進行實驗。

1.2 高校動物實驗相關(guān)資源匱乏

許多高校不太重視學(xué)生動物試驗技能的培養(yǎng)，主要是由于動物實驗樣本和動物房的數(shù)量不夠，以及受到教師人數(shù)和教學(xué)模式等原因的限制，導(dǎo)致學(xué)生動物試驗技能培訓(xùn)方面欠缺，對動物實驗教學(xué)具有重要影響。

1.3 動物實驗周期較長

由于動物實驗課程涉及建立動物模型等內(nèi)容，實驗周期長，實驗前期建立動物模型過程通常由教師完成，學(xué)生只能直接觀察實驗結(jié)果或利用已建成的動物模型完成后續(xù)實驗，無法參與整個實驗過程，造成實驗體系認知不完整、知識記憶碎片化[3]。

2 虛擬仿真實驗系統(tǒng)的基本概念和優(yōu)勢

虛擬仿真（Virtual Reality），簡稱VR技術(shù)，是指以多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等信息科技為基礎(chǔ)開發(fā)出的一種更高級的仿真技術(shù)[4]。1989年，美國教授威廉·沃爾夫提出以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)打造虛擬實驗室的想法。而后，聯(lián)合國教科文組織對虛擬實驗室（Virtual Laboratory）做出如下定義：“為了實現(xiàn)遠程協(xié)作、實驗研究或其他創(chuàng)新活動，通過分布式信息通信技術(shù)產(chǎn)生并發(fā)布結(jié)果的電子工作”[5]。在虛擬仿真實驗教學(xué)方面，有些國家已進行相關(guān)研究。美國于20世紀90年代將虛擬實驗室列入科研發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，并在生物學(xué)等學(xué)科的實踐培訓(xùn)方面應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)[6]。雖然中國的虛擬仿真技術(shù)起步較晚，但就發(fā)展前景而言，強有力的國家政策支持，其發(fā)展趨勢不容低估。虛擬仿真實驗教學(xué)的應(yīng)用研究正處于適應(yīng)新課標發(fā)展的階段，動物實驗教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)有以下優(yōu)勢。

2.1 有助于課堂教學(xué)效率的提高

虛擬仿真技術(shù)動物模擬教學(xué)能夠以清晰生動的形式，全方位展示動物實驗中動物器官的解剖學(xué)和形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)。虛擬仿真技術(shù)以動畫和三維模型為手段激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過更加直觀而且有效的方式使學(xué)生對器官結(jié)構(gòu)有更加深入的理解，突破了過去只能通過限定的物理形態(tài)，掛圖或文字描述的授課方式，并且受到時間和空間的限制。因此，虛擬仿真動物實驗更有利于課程計劃的實施。

2.2 有助于個性化教學(xué)的開展

現(xiàn)代教育更加注重“因材施教”，提倡一對一的教育，采用靈活多樣的學(xué)習(xí)方式。因此，高?？筛鶕?jù)學(xué)生學(xué)習(xí)條件的差異，開展有針對性的教學(xué)。而虛擬仿真技術(shù)可以創(chuàng)造一個適合學(xué)生自主學(xué)習(xí)的環(huán)境，通過學(xué)習(xí)鏈接學(xué)生可選擇自己的學(xué)習(xí)需求，依據(jù)對知識掌握的情況，隨時調(diào)整學(xué)習(xí)進度進而有效地開展教學(xué)。學(xué)生還可以通過測試模塊以檢測學(xué)習(xí)效果，對所學(xué)內(nèi)容進行鞏固以掌握相關(guān)知識點。

2.3 減少了實驗教學(xué)投入

實驗教學(xué)是高等教育重要的教學(xué)手段之一，實驗教學(xué)課程的投入在高等院校課程教學(xué)總體投入中所占比例較高。然而虛擬仿真實驗室的開發(fā)和應(yīng)用可以大大減少實驗課程整體投入。開發(fā)虛擬仿真實驗系統(tǒng)雖然需要一次性的投入，但是這種教學(xué)模式無須后續(xù)新的資金消耗，而且虛擬仿真實驗系統(tǒng)可以使教師和學(xué)生隨時開始實驗和進行測試，增加了課堂互動，尤其在疫情時間更有助于實現(xiàn)教育教學(xué)的經(jīng)濟效益。

2.4 解決了實驗條件不足的困境

隨著學(xué)校發(fā)展和規(guī)模擴大，學(xué)生人數(shù)急劇上升，導(dǎo)致實驗條件不能立即達到相應(yīng)的教學(xué)需求。比如在動物實驗教學(xué)中，為學(xué)生購買大型動物做解剖實驗成本昂貴，而且實驗配套設(shè)施有限，安全也存在隱患。然而在動物試驗中引入虛擬仿真教學(xué)模式可以模擬大型動物解剖的真實實驗場景，將交互式3D模型設(shè)計導(dǎo)入計算機，學(xué)生可以通過操作計算機實現(xiàn)在模擬的實驗環(huán)境中進行動物解剖實驗，這樣可以充分利用虛擬仿真技術(shù)在實驗教學(xué)中的優(yōu)勢，達到與真實實驗教學(xué)相同的效果，讓學(xué)生感受身臨其境的課程實驗體驗。

3 基于虛擬仿真技術(shù)的動物實驗教學(xué)建設(shè)與應(yīng)用

3.1 虛擬仿真動物實驗的構(gòu)建

虛擬仿真實驗結(jié)合了計算機仿真技術(shù)、模擬現(xiàn)實技術(shù)和多媒體技術(shù)，找到多項模擬和仿真技術(shù)的切合點，模擬一個非現(xiàn)實的實驗體系。在模擬現(xiàn)實的體系中，實驗操作步驟與真實環(huán)境中的操作步驟相同。根據(jù)不同的劃分標準，虛擬仿真實驗室被劃分為幾種類型。雖然虛擬實驗室種類繁多，創(chuàng)建方法各異，但構(gòu)建虛擬實驗室的過程基本相同，構(gòu)建過程中都是基于3ds Max和Virtools。開發(fā)虛擬實驗室包括四個階段：首先需要建立三維模型和創(chuàng)建相應(yīng)的圖像，隨后將三維模型和相應(yīng)的圖像導(dǎo)入Virtools，緊接著進行交互式3D模型設(shè)計，最后實現(xiàn)虛擬實驗室發(fā)布。

3.2 虛擬仿真動物實驗的效果評價

動物實驗教學(xué)應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，有以下幾個優(yōu)點：首先，學(xué)生可以通過人機交互模式對動物的結(jié)構(gòu)有一個更加細致的了解，這能在一定程度上幫助他們克服畏難心理，讓他們以更加飽滿的熱情參與到動物實驗的學(xué)習(xí)中來。其次，虛擬仿真技術(shù)能幫助教師打造情景教學(xué)模式，降低教師講解專業(yè)知識的難度，并提高學(xué)生們學(xué)習(xí)專業(yè)知識的效率。再次，虛擬仿真技術(shù)創(chuàng)造出來的虛擬實驗環(huán)境，能打破實驗器材缺失給學(xué)生實驗教學(xué)造成的阻礙，讓學(xué)生獲得動物標本的真實體現(xiàn)，進而提高學(xué)生在實驗器材選擇、實驗方案設(shè)計等多個方面實踐能力，讓他們成為社會所需要的實踐性人才。最后，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可以讓章節(jié)知識點、習(xí)題、學(xué)生的日常作業(yè)成為反映學(xué)生動物實驗水平的重要依據(jù)，這對教師全方位了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況對課堂進行針對性調(diào)整，能產(chǎn)生非常積極的影響。除此之外，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可以降低學(xué)?；ㄔ趧游飳嶒灲虒W(xué)上的花銷，將經(jīng)費用來支持教學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和教學(xué)模式的改良，這也是在動物實驗教學(xué)的過程中動用虛擬仿真技術(shù)的積極影響之一?？偠灾摂M仿真技術(shù)，能夠調(diào)動學(xué)生參與動物實驗課程的積極性，讓學(xué)生的知識積累變得更加豐富，也能夠提高學(xué)校的辦學(xué)質(zhì)量和教師的教學(xué)效率。因此，在動物實驗教學(xué)的過程中，教師應(yīng)積極引入虛擬仿真技術(shù)，使學(xué)生具備更強的專業(yè)能力。

4 結(jié)語

總之，實驗教學(xué)是將理論知識付諸實踐的過程，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于動物實驗，能讓學(xué)生根據(jù)所需，全方位多角度的獲取與動物實驗相關(guān)的知識點，從而提升他們學(xué)習(xí)動物實驗知識的底氣和熱情。除此之外，虛擬仿真技術(shù)還能幫助教師打造情景式、開放式的教學(xué)模式，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提升動物實驗這門課程的教學(xué)效果。

圖1 虛擬仿真動物實驗的創(chuàng)建流程