生命科學與技術虛擬仿真實驗教學體系的構建

劉亞豐， 吳元喜， 蘇 莉， 劉 凌

(華中科技大學 生命科學與技術學院， 湖北 武漢 430074)

生命科學與技術虛擬仿真實驗教學體系的構建

劉亞豐， 吳元喜， 蘇 莉， 劉 凌

(華中科技大學 生命科學與技術學院， 湖北 武漢 430074)

以華中科技大學第一個國家虛擬仿真教學中心建設為例，闡述了在教學內容、教學手段、教學過程及教學效果評價等方面所采取的措施，構建了虛實融合的一體化實驗教學體系，為高素質人才培養和深化教學改革開辟了一條新的途徑。

虛擬仿真； 教學體系； 實驗教學中心

虛擬仿真實驗教學依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫及網絡通信等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，使學生沉浸在虛擬環境中自主進行實驗，是一種有利于實現資源共享、全新開放和信息化的教學模式[1-3]。目前，虛擬仿真教學已在藥物分析、材料制造與分析、采礦工程機械控制等多個學科、領域推廣[4-7]。

虛擬仿真實驗教學對人才培養的優勢和作用是毋庸置疑的，這就要求對現有教學體系進行完善或充實，增添綜合設計環節、互動交流環節、預設隨機環境及后臺管理環節，建立適應培養學生綜合設計和創新能力的現代實驗教學體系，推動我國高等教育實驗教學改革和創新。2014年，華中科技大學生命科學與技術虛擬仿真中心(簡稱仿真中心)獲批國家級虛擬仿真實驗教學中心[8-10]。本文以該仿真中心中心建設與運行為例，重點介紹在虛擬實驗教學體系上進行的有益嘗試和探索，以期對虛擬仿真建設及高校實驗教學有所促進。

1 虛擬實驗教學體系的定位

虛擬仿真實驗教學是學科專業與信息技術深度融合的產物，是教育信息化建設的重要內容。要真正發揮其優越性、更好地應用于教學中，必須以“科學規劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續發展”指導思想和全面提高學生創新精神和實踐能力為宗旨，打破原有實驗教學體系的格局，確立虛擬教學在教學中的地位，形成虛實互補的一體化教學體系。

虛擬實驗具有沉浸感、模擬性、交互性等特點,有利于提高實驗教學的效果，培養學生創新能力和解決問題的能力。但也要看到：真正的動手能力與技能還需要在現實情境中獲得與體驗，真實實驗室更有助于塑造熱情的學習氛圍和直觀互動性。因此，既不能否認虛擬實驗的價值和對培養創新型人才的作用和影響，也不能簡單地將虛擬實驗附屬于實體實驗，而是應遵照“虛實融合互補，多元協同工作”的理念來確立二者的地位(見圖1)。從宏觀方面考慮，應以培養創新人才為出發點，建立虛實兼顧的一體化實驗教學體系；從具體情況考慮，應按照邊建設、邊使用、邊發展的思路，建立功能完善的虛擬實驗教學體系。

圖1 虛擬實驗與實體實驗關系

實驗教學的目的是深化理論學習和進行實踐鍛煉，因此凡是可提高學生創新精神和實踐能力的實驗教學模式都是需要考慮建設的內容。為此，筆者重構了仿真中心的實驗教學體系(見圖2)。它是在現有實體實驗教學體系下融入虛擬實驗教學體系，從虛擬實驗課程設置、建設、運作及管理上由中心主任負責，并由相應的管理辦公室執行。教師的“教”與“管”，學生的“學”與“用”都通過虛擬實驗平臺實施。虛擬仿真平臺包含信息管理、模擬仿真、虛擬測量、報告提交、在線交流等功能，并為學生提供標準實驗模擬、仿真實驗設計、實驗結果預測等平臺，提高學生理論與實踐緊密結合的能力、綜合技能和創新實驗設計能力。

圖2 虛實互融的一體化實驗教學體系

2 實驗教學內容設計

實驗教學內容是學生獲取知識、掌握技術、發展能力的主要來源。從外在形式上看，虛擬實驗教學通過形式多樣的多媒體技術和虛擬技術展現教學內容，非常適合個性化教育和因材施教。在教學內容結構上提供一種動態的、完全開放性的結構，從而使教學內容的統一性與靈活性得到完美結合，有利于學生發散思維、聯想原有知識、自主獲得新知識。因此，要根據虛擬教學的外在表現形式及內在結構上的特殊性，打破專業劃分、班級所屬、實驗室分類的現有局面，建立不同類型、不同層次的虛擬實驗項目。

(1) 預習實驗項目。這類實驗項目主要以PPT、錄像資料為主，通過學生的看與學，對所要進行的實驗操作、實施過程和應用環境有一個初步的認識，為實驗操作做好充分的準備。

(2) 標準化實驗項目。根據學科建設和專業培養計劃，建立一系列標準化實驗，學生通過這些實驗項目，可有效掌握某種技術和科學知識。除必要的文字編輯外,要多增加表格、圖形、三維動畫、聲音、音響效果及互動環節，有條件的可添加光電感應、紅外探測甚至三維追蹤等設備，提供良好的三維圖形圖像和交互界面。

(3) 綜合設計實驗項目。電影流式播放的實驗項目是一種安排好的順序實驗操作流程，無法鍛煉學生綜合設計能力和空間想象力。為此，可以將現代生命科學技術進行碎片化處理(或模塊化處理)，分解為一個個小的操作模塊。學生要完成這樣的實驗，必需進行實驗方案設計，再選相應的操作模塊、確定參數，并賦予其邏輯關系，只有邏輯關系正確，方可進行后續的虛擬實驗操作。

3 教學手段設計

教學手段是實現教學目的和教學任務的保證。目前,很多虛擬實驗只起到電子黑板的作用，并未發揮虛擬實驗的特點與優勢。因此，在建立虛擬實驗教學體系上，應注重虛擬場景、人機交互和協同合作方面的建設。

(1) 注重真實虛擬場景建設。把建設直觀、形象的由視覺、聽覺、觸覺等多重感官接收的虛擬場景，作為虛擬實驗建設的一項基本要求。提供生動、活潑、身臨其境的操作環境和虛擬-現實的場景互動環節，有利于學生獲取知識和對創新復合型人才的培養，而場景的高度逼真也更有利于學生熟悉真實場景，提高真實實驗的效率。

(2) 完善人機交互界面建設。通過多重人機對話界面開發，引導學生思考與探究，了解實驗的關鍵技術和重要知識點，發現問題并分析及解決問題。完善的人機交互界面有利于培養學生分析問題能力、產生知識結構新生長點。

(3) 增加協同合作環節建設。以往開發的虛擬實驗項目，往往缺乏學生之間的協同實驗，這與虛擬實驗不受空間位置和距離限制、學生共處同一虛擬空間的特征不吻合。應該在虛擬實驗項目中增加協同、合作方面的設計，使更多學生參與完成同一個實驗，好比進行遠程網絡游戲一樣，相互配合完成某個任務。

4 教學過程設計

傳統的教學過程是教師根據教學大綱，借助一定教學條件指導學生進行教學內容學習的過程。虛擬實驗課堂則要求教學過程中須通過軟件、硬件進行場景設計，確保教學目標的有效實施。

以血紅蛋白分離純化綜合設計實驗為例，實驗教學過程是將血紅蛋白分離純化實驗用到的可能方案分解成一個個獨立的模塊化單元，每個模塊化單元具有相對獨立、完整的功能和多種工藝流程，不同的實驗方案將會采用不同的模塊化單元，它們按照先后邏輯關系構成了一個方案流程(見圖3)。學生只有充分預習、調研、設計自己的流程，才可能選出需要的模塊化單元，并確定先后邏輯關系，進而進行后續參數設計和實驗操作，否則將無從下手，不知所措。這種設計有利于學生自主設計實驗，有利于培養學生的綜合設計能力和創新意識。

對于每個模塊化單元，將用到相應的設備材料庫。雙擊所用模塊化單元屬性對話框，可選取離心機類型、轉速、時間、工作溫度等參數(見圖4)。

圖3 血紅蛋白分離純化工藝流程圖

圖4 實驗參數選取界面

5 教學效果評價設計

盡管當前一些虛擬仿真實驗教學系統具有答疑與交流功能，教師與學生可以互動交流，也可進行論壇發布、信息反饋、考核評分，但缺乏過程管理和對學生在線操作的跟蹤，不能完整地評價學生完成實驗的效果和效率，使得虛擬實驗教學過于簡單化和流于形式，不利于調整實驗教學進度和深度，不利于教學目標的完成[11-12]。

在教師引導作用被弱化的環境下，必須融入更多調控元素和管理環節，自始至終進行教學效果跟蹤，建立一套完整的評價體系，主要包含以下幾個方面。

(1) 方案流程設計評價。每個綜合設計實驗，一般都有多個方案可供選擇，這些方案從內在關系上都可完成實驗目標，不存在對錯之分，但存在優劣之分、先進與落后之分，在教學效果評價上應予以考慮，并給出結果提示。

(2) 儀器參數選取評分。儀器參數及工作參數的選取將決定實驗的成敗和實驗效果，對在平臺建設中需要融入這些內容的設計，例如細胞破碎實驗，設備選擇、研磨助劑、研磨時間、研磨溫度等將決定研磨實驗效果。對每種選擇給出相應的評分細則(見表1)。

(3) 交互環節評分。在實驗過程中，對于一些關鍵技術要點和核心流程，應通過彈出對話框的方式考查學生，如離心機PE管放置應選用兩個同體積的管子呈180°放置，只有選對才可開展后續的實驗。

(4) 在線操作監督環節。學生進行在線實驗操作時，通常由于不專注或預習不充分，完成實驗要占用很多時間，既浪費了公共網絡資源，又不利于學生實驗技能的提高。因此，要開發實時監控或反饋系統，對學生登錄虛擬實驗平臺到退出實驗的全過程進行監督，根據完成實驗的時間進行量化考核。

表1 細胞破碎實驗條件選取及評價

注：優得100分，良得50分，錯誤得0分。

6 結束語

虛擬實驗教學模式創造了一個以學習者為中心的虛擬學習環境，具有開放性、廣域性、交互性和實時性，是信息化時代教學改革的重要創新，是新時期高校教學改革的重點。學生在虛擬環境中能夠得到身臨其境的體驗，能真切體會到參與的樂趣，不但擺脫了傳統課堂枯燥的教學模式，并且可自由出入一個可以選擇的、自主控制的學習環境[13]。

虛擬仿真教學建設是當前培養高素質人才的迫切要求，是實現教學資源共享與優化配置的重要方式，是高等院校現代化建設的必然趨勢，也是提高教學效果的有效途徑。華中科技大學生命科學與技術虛擬仿真實驗教學中心從教學內容、教學方法和教學組織等方面進行一場新的變革和嘗試，緊扣人才培養目標，以“虛實結合，能實勿虛”原則，建立起符合生命科學教育特點的多層次、模塊化的實驗教學體系，提高了管理效率和教學效果，是實驗教學改革的有意義的嘗試。

References)

[1] 楊宏偉.虛擬仿真技術在物理實驗中的應用[J].實驗室研究與探索，2005，24(9)：38-39.

[2] 王衛國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索，2013，32(12)：5-8.

[3] 李平,毛昌杰,徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013，32(11)：5-8.

[4] 馬麗，姚彤煒，余露山，等.遠程藥物分析虛擬實驗教學探索[J].實驗技術與管理，2013，30(9)：149-152.

[5] 李亮亮，趙玉珍，李正操，等.材料科學與工程虛擬仿真實驗教學中心的建設[J].實驗技術與管理，2014，31(2):5-8.

[6] 馬文頂，吳作武，萬志軍，等.采礦工程虛擬仿真實驗教學體系建設與實踐[J].實驗技術與管理，2014，31(9)：14-18.

[7] 張智煥，張惠娣.機械工程控制的虛擬仿真實驗教學實踐[J].實驗技術與管理，2014，31(7)：102-103.

[8] 教育部.關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[EB/OL].(2013-08-13).http://www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/A08_gggs/201308/156121.html.

[9] 教育部辦公廳.教育部辦公廳關于批準北京大學地球科學虛擬仿真實驗教學中心等100個國家級虛擬仿真實驗教學中心的通知[EB/OL].[2015-03-01].http://www.doc88.com/p-3456764173466.html.

[10] 教育部辦公廳.教育部辦公廳關于批準清華大學數字化制造系統虛擬仿真實驗教學中心等100個國家級虛擬仿真實驗教學中心的通知[EB/OL].(2015-01-26)[2015-03-01].http://www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s7946/201501/183369.html.

[11] 葛巖，楊雪.國內虛擬實驗研究的定量分析[J].實驗技術與管理，2012，29(6)：99-102，124.

[12] 王曉迪.虛擬仿真實驗教學中心建設八項關系的理解與探討[J].實驗技術與管理，2014，31(8)：9-11.

[13] 徐進.2013年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作小結及2014年申報建議[J].實驗室研究與探索，2014，33(8)：1-5.

Construction of virtual simulation experimental teaching system of life science and technology

Liu Yafeng, Wu Yuanxi, Su Li, Liu Ling

(College of Life Science and Technology，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

Taking the first national virtual simulation experimental teaching center in our university as an example, some typical and important measures have been taken from the teaching content, teaching methods, teaching organization and so on. Then the integrated experimental teaching system of fusion of virtual and reality was built. The work will open up a new way to cultivate the high quality talents and to deepen the reform of experimental teaching.

virtual simulation; teaching system; experimental teaching center

2015- 03- 10

湖北省教學研究項目(2014070)；華中科技大學2015年教學研究項目(62)

劉亞豐(1976—)，男，河南漯河，博士，工程師，研究方向為生物醫學光子學、光遺傳學和電生理學

E-mail：yfliu@mail.hust.edu.cn

劉凌(1955—)，男，湖北武漢，工程師，實驗中心副主任，主要從事生物化工研究和實驗教學與實驗室管理工作.

E-mail：liuling0927@hust.edu.cn

TP391.9；Q4

A

1002-4956(2015)9- 0120- 04