基于柔性虛擬仿真技術(shù)的智慧實驗教學(xué)平臺建設(shè)

白 云，金文聞，朱圓敏，吳元喜，盧群偉，余龍江，劉亞豐

（華中科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢 430074）

進(jìn)入信息時代和智能時代，創(chuàng)新型社會發(fā)展需要大量的個性化、創(chuàng)新型人才，更強(qiáng)調(diào)人才的差異化、多樣性和創(chuàng)造性[1]。以培養(yǎng)知識型、技能型人才為目標(biāo)的傳統(tǒng)教育體系難以支撐這一需要，未來教育必將是架構(gòu)在互聯(lián)網(wǎng)上的新教育，即“互聯(lián)網(wǎng)+”教育[1-2]，或引領(lǐng)教育信息化創(chuàng)新發(fā)展，形成智慧教育[3]。這就要求轉(zhuǎn)變教育理念，在教學(xué)內(nèi)容、手段、方法等環(huán)節(jié)變革，構(gòu)建信息技術(shù)支撐下的以學(xué)生發(fā)展為中心的人才培養(yǎng)新體系，以適應(yīng)新時期人才培養(yǎng)需求。

實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、分析能力、解決問題能力的重要途徑。生命學(xué)科是以實驗為主的學(xué)科，因此實驗教學(xué)對人才培養(yǎng)的重要性更加凸顯。華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院在“十三五規(guī)劃”期間，積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”教育，注重信息技術(shù)與實驗教學(xué)的深度融合，通過名師、前輩教師教學(xué)經(jīng)驗傳承，通過科教融合、校企合作開發(fā)一系列實驗技術(shù)模塊，構(gòu)建了基于柔性設(shè)計虛擬仿真系統(tǒng)的智慧實驗教學(xué)平臺，讓學(xué)生接觸到寶貴的學(xué)習(xí)經(jīng)驗、先進(jìn)的技術(shù)、個性化的學(xué)習(xí)內(nèi)容和豐富的教學(xué)資源，為虛實融合、自主設(shè)計、研究型實驗教學(xué)模式創(chuàng)造了更加開放的、個性化的實驗教學(xué)環(huán)境和更加豐富的實驗教學(xué)設(shè)計資源[4-5]。

1 建設(shè)目標(biāo)與建設(shè)定位

以社會需求與人才培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，以為學(xué)生發(fā)展為中心，將柔性設(shè)計理念融入虛擬仿真系統(tǒng)，構(gòu)建開放式柔性設(shè)計虛擬仿真系統(tǒng)，體現(xiàn)綜合設(shè)計與學(xué)科交叉特色，創(chuàng)建技術(shù)融合的學(xué)習(xí)環(huán)境。通過優(yōu)化實體環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)條件及教學(xué)管理，實現(xiàn)師生互動、人機(jī)互動，為教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計提供方便快捷的教學(xué)資源和智能解決方案，為學(xué)生創(chuàng)造自主學(xué)習(xí)、自主設(shè)計、自主實踐的智能友好環(huán)境，使學(xué)生獲得個性化學(xué)習(xí)服務(wù)和發(fā)展體驗。

通過建設(shè)基于柔性設(shè)計虛擬仿真系統(tǒng)的智慧實驗教學(xué)平臺，建成國內(nèi)一流的實驗實踐教學(xué)條件和育人環(huán)境，打造實踐創(chuàng)新中心，即智慧學(xué)習(xí)中心，實現(xiàn)教育多樣性、個性化培養(yǎng)，全面提升學(xué)生的創(chuàng)新思維與實踐能力。

2 智慧實驗教學(xué)平臺總體架構(gòu)

虛擬仿真實驗受硬件條件影響小，更易實現(xiàn)各類教學(xué)資源的優(yōu)化與共享，使教學(xué)資源跨區(qū)域服務(wù)多個專業(yè)、多個學(xué)校成為可能[6]。以資源共享與綜合效益為原則，打破實驗課程和實驗室之間的壁壘，按實驗技術(shù)分類建設(shè)基礎(chǔ)實驗教學(xué)平臺，按照學(xué)科建設(shè)專業(yè)綜合研究實驗平臺，打造開放共享、自主設(shè)計的柔性設(shè)計虛擬仿真系統(tǒng)，按照虛實融合、自主設(shè)計、研究型實驗教學(xué)模式[4]的要求，優(yōu)化專業(yè)實驗內(nèi)容，合理配置實驗室資源，促進(jìn)實驗教學(xué)和實驗室資源整合。

柔性設(shè)計虛擬仿真系統(tǒng)是構(gòu)成智慧實驗教學(xué)平臺的核心，也是實現(xiàn)開放、自主、高效、虛實融合、線上線下互補(bǔ)，全面提升學(xué)生創(chuàng)新思維與實踐能力的關(guān)鍵所在。智慧實驗教學(xué)平臺包括柔性設(shè)計虛擬仿真系統(tǒng)、實體實驗教學(xué)平臺、實驗教學(xué)管理系統(tǒng)和實驗室管理系統(tǒng)。智慧實驗教學(xué)平臺架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智慧實驗教學(xué)平臺總體架構(gòu)圖

3 柔性設(shè)計虛擬仿真系統(tǒng)特征與優(yōu)勢

虛擬仿真系統(tǒng)的柔性設(shè)計是基于實驗項目開放設(shè)計策略，針對目前虛擬仿真實驗項目建設(shè)中存在的若干問題，如模型重復(fù)建設(shè)、流程單一、參數(shù)固定不變、項目更新困難、學(xué)生不可自主設(shè)計實驗方案等，以模塊化技術(shù)單元為基礎(chǔ)構(gòu)建技術(shù)庫，開發(fā)以可持續(xù)發(fā)展為特征的開放性平臺框架。通過柔性設(shè)計構(gòu)建具有靈活多樣、多方互動、開放自主的設(shè)計環(huán)境，增強(qiáng)實驗過程體驗，讓學(xué)生可嘗試采用不同方案解決問題，實現(xiàn)大型綜合實驗項目和生產(chǎn)性工廠的自主設(shè)計與可行性論證。柔性設(shè)計虛擬仿真系統(tǒng)包括三維仿真技術(shù)模塊子系統(tǒng)（操作與演示）、實驗方案設(shè)計與操作子系統(tǒng)（柔性設(shè)計）、虛擬仿真工廠設(shè)計與操作子系統(tǒng)（柔性設(shè)計）、智慧學(xué)習(xí)與智能評價子系統(tǒng)（包括技術(shù)庫、案例庫、知識庫等）、應(yīng)用管理及信息推送子系統(tǒng)。如圖2 所示是我們開發(fā)的基因工程抗體藥物虛擬仿真項目，它包含實驗方案設(shè)計（圖2（a））、仿真操作（圖2（b））、工廠設(shè)計等功能（圖2（c））。柔性設(shè)計虛擬仿真系統(tǒng)的特征與優(yōu)點包括以下3 個方面。

圖2 基因工程抗體藥物虛擬仿真項目

1）系統(tǒng)架構(gòu)是基于技術(shù)模塊、實驗方案設(shè)計原則、生物學(xué)原理與研究技術(shù)相關(guān)性來布局，按照邏輯關(guān)系編寫仿真控制軟件程序，構(gòu)建出開放性自由設(shè)計平臺，突出創(chuàng)新人才培養(yǎng)過程中技能訓(xùn)練、科學(xué)研究與創(chuàng)新設(shè)計需求。系統(tǒng)設(shè)計與配置充分考慮生命學(xué)科人才培養(yǎng)計劃的技能訓(xùn)練和科學(xué)研究的方案設(shè)計要求，參考中國學(xué)術(shù)文獻(xiàn)總庫相關(guān)文獻(xiàn)資料，以生物科學(xué)、生物技術(shù)、生物工程、生物制藥、生物醫(yī)學(xué)工程、生物信息等專業(yè)的技能訓(xùn)練和科研素質(zhì)培養(yǎng)需求制定，也可自主創(chuàng)建和加載模塊化技術(shù)應(yīng)用到其他相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域。

2）柔性設(shè)計虛擬仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)是技術(shù)庫，技術(shù)庫含有大量單元操作的實驗技術(shù)模塊，既能獨立用于操作技能訓(xùn)練，又適用于設(shè)計各種實驗方案流程。實驗技術(shù)模塊可隨時更新、擴(kuò)充、重組，方便設(shè)計任意實驗方案。實驗技術(shù)模塊分實驗室級和工業(yè)生產(chǎn)級2 種規(guī)格，工業(yè)生產(chǎn)級技術(shù)模塊可用于設(shè)計工廠和生產(chǎn)車間，形成可瀏覽、可操作、可評價的生產(chǎn)實習(xí)環(huán)境。

3）師生可以根據(jù)實驗原理或研究主題任意設(shè)計實驗方案，包括實驗流程設(shè)計、實驗參數(shù)設(shè)計，從多角度審視自己設(shè)計的實驗方案，分析比較各種實驗設(shè)計方案的預(yù)期結(jié)果，實驗設(shè)計過程更加直觀，在實踐研究過程實施之前，就能夠更加全面地了解和比較各種實驗設(shè)計方案的優(yōu)缺點，易于開展各種實驗設(shè)計方案的可行性論證，再結(jié)合實體實驗室條件，選擇符合實際的實驗方案實施，有效保證實驗的成功率和研究水平。

4 柔性設(shè)計虛擬仿真系統(tǒng)的資源建設(shè)

綜合設(shè)計與創(chuàng)新思維訓(xùn)練是拔尖創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，要落實虛實融合、自主設(shè)計、研究型實驗教學(xué)模式的實施，需要在柔性設(shè)計虛擬仿真系統(tǒng)中配置一系列相配套的教學(xué)資源，即教學(xué)資源庫。按照實用性強(qiáng)、通用性好、使用頻率高的原則，構(gòu)建了模塊化技術(shù)庫、案例庫、知識庫、問題庫、文獻(xiàn)庫等，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、主動實踐，開展各種實驗設(shè)計、工廠設(shè)計與虛擬仿真操作。

1）技術(shù)庫對于柔性設(shè)計虛擬仿真系統(tǒng)來說，核心教學(xué)資源是技術(shù)庫，技術(shù)庫中的模塊化單元首先必須滿足技能訓(xùn)練、綜合設(shè)計、不同實驗調(diào)用、多種樣品（參數(shù)）分析測定、實驗參數(shù)設(shè)置及智能化管理。因此，技術(shù)資源庫建設(shè)首先要進(jìn)行有序分類和高效整合，從而實現(xiàn)教學(xué)資源的高效利用。如高壓液相色譜技術(shù)是生命科學(xué)研究中常用的分析儀器，種類繁多，構(gòu)建虛擬仿真技術(shù)單元時，首先是要分解設(shè)備，構(gòu)建基礎(chǔ)單元，如面板與按鍵、進(jìn)樣裝置（手動或自動）、泵類型（單或雙、活塞往復(fù)泵或隔膜往復(fù)泵）、色譜柱類型、檢測器（多種）等部件，再根據(jù)需要組裝成各種高中低端高壓液相色譜，從而用于不同實驗中樣品分析。通過查閱文獻(xiàn)，收集和了解不同樣品的處理方式、色譜柱的選擇、實驗條件參數(shù)和對應(yīng)實驗數(shù)據(jù)與實驗結(jié)果之間的邏輯關(guān)系，再通過相關(guān)軟件仿真與數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)任意樣品的測試與分析。

2）案例庫合理使用生成性的教學(xué)資源案例庫并采用情境化的教學(xué)方式，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)滿意度，彌合理論與實踐的鴻溝，更好地實現(xiàn)專業(yè)發(fā)展[7]。實驗教學(xué)案例是基于柔性設(shè)計虛擬仿真系統(tǒng)創(chuàng)建的基礎(chǔ)實驗和綜合設(shè)計實驗。基礎(chǔ)實驗有兩種案例形式，一是以實驗項目為載體，如糖、蛋白質(zhì)、核酸的測定，主要體現(xiàn)知識、技能的學(xué)習(xí)，這是傳統(tǒng)實驗教學(xué)的典型案例，通常與理論課程學(xué)習(xí)高度相關(guān)。二是以實驗技術(shù)為載體，如分光光度技術(shù)，主要體現(xiàn)技能、知識、應(yīng)用，學(xué)習(xí)和訓(xùn)練過程不受理論課程教學(xué)和時間的限制，學(xué)生根據(jù)興趣與需求來學(xué)習(xí)。綜合設(shè)計實驗通常體現(xiàn)知識、技能的綜合應(yīng)用，如生物大分子分離純化與鑒定虛擬仿真綜合設(shè)計實驗和單克隆抗體藥物中試生產(chǎn)虛擬仿真綜合設(shè)計實驗。這些項目案例的創(chuàng)建需要教師閱讀大量文獻(xiàn)，收集樣品與產(chǎn)品對應(yīng)的工藝條件和實驗結(jié)果，合理使用技術(shù)庫中的模塊化單元技術(shù)。在設(shè)計實驗流程時，要盡可能延長相關(guān)知識鏈和技能鏈，通過目標(biāo)任務(wù)導(dǎo)向，形成系統(tǒng)性知識。通過創(chuàng)建新的技術(shù)模塊實現(xiàn)創(chuàng)新研究，構(gòu)建新的案例。

3）知識庫涉及各種實驗技術(shù)原理、方法、注意事項、與實驗相關(guān)的理論知識等，是考察內(nèi)容的主要來源。知識點展現(xiàn)形式分為客觀題、主觀題兩類，分別配有具體解析，在系統(tǒng)后臺可配置到任何實驗技術(shù)和實驗項目中，作為學(xué)生思考學(xué)習(xí)或考核的內(nèi)容，這是師生設(shè)計實驗和創(chuàng)建實驗案例以及對實驗設(shè)計智能評判的基礎(chǔ)。知識庫的建設(shè)是以最小知識點為基礎(chǔ)，多以客觀題形式展現(xiàn)，包括填空、選擇、判斷等，利用一類或多個客觀題內(nèi)容設(shè)計主觀題，便于智能評判。如關(guān)于蛋白質(zhì)性質(zhì)和分離技術(shù)可以編輯成一系列客觀題，以這些客觀題為基礎(chǔ)就可以設(shè)計主觀題“怎樣利用鹽析方法分離牛奶中的蛋白質(zhì)？”，其答案就在客觀題中。

4）問題庫是知識庫的另一種形式，主要是針對實驗方案設(shè)計過程中學(xué)生需要掌握的知識或未接觸過的內(nèi)容，或經(jīng)驗性較強(qiáng)的內(nèi)容，或軟件操作碰到的問題而設(shè)計的問題。教師可以用多種信息化手段向?qū)W生推送信息，力求較短時間，如1～3 min 看懂問題，使較困難的知識點或難以表達(dá)的問題變得通俗易懂，包括配音、短文、圖解、動畫、小視頻（類似抖音）等。

5）文獻(xiàn)庫使學(xué)生可以自由下載學(xué)習(xí)資料：科技文獻(xiàn)、教材、文檔、圖片、課件、視頻、微課堂等。

5 智慧實驗教學(xué)平臺應(yīng)用

智慧實驗教學(xué)平臺包括柔性設(shè)計虛擬仿真系統(tǒng)、實體實驗教學(xué)平臺、實驗教學(xué)管理系統(tǒng)和實驗室管理系統(tǒng)，各個系統(tǒng)如何協(xié)作運行推進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和主動實踐如圖3 所示。它體現(xiàn)出以學(xué)生發(fā)展為中心，以信息化技術(shù)為支撐，注重師生互動和過程管理，使教學(xué)管理與學(xué)生評價更科學(xué)，既調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、積極性，也提高教師的工作熱情和教學(xué)水平，取得良好的應(yīng)用效果[8]。根據(jù)數(shù)字化時代專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)和教師面臨的新挑戰(zhàn)，只有構(gòu)建技術(shù)融合的學(xué)習(xí)環(huán)境和各類教學(xué)資源，教師才能施展智能高效的教學(xué)方法，學(xué)生才能最大限度獲得個性化學(xué)習(xí)和發(fā)展體驗?；谌嵝栽O(shè)計虛擬仿真系統(tǒng)的智慧實驗教學(xué)平臺為智慧實驗教學(xué)提供了良好的條件與環(huán)境、豐富的教學(xué)資源、功能強(qiáng)大的虛擬仿真系統(tǒng)、友好的信息化管理系統(tǒng)、游戲般的學(xué)習(xí)探究模式，寓教于樂，能調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，讓其獨自面對問題來解決問題。如圖4 所示為師生使用該系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)和互動的情況。

圖3 智慧實驗教學(xué)平臺應(yīng)用流程

圖4 師生使用系統(tǒng)進(jìn)行互動和學(xué)習(xí)情況

6 結(jié)束語

改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，將教學(xué)個人行為變?yōu)榧w行為，實現(xiàn)智慧教學(xué)，需要廣大教師共同努力創(chuàng)建豐富的各種類型教學(xué)資源[9]，完善優(yōu)化教學(xué)計劃和教學(xué)大綱，不斷推進(jìn)配套機(jī)制與制度建設(shè)。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展、教學(xué)硬件與軟件的互補(bǔ)融合，將徹底改變傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式，虛實融合、自主設(shè)計、開放研究型實驗教學(xué)模式將成為高等教育的主流[10-13]。