虛實結合的實驗教學新體系在現(xiàn)代生物學綜合創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的應用

生物學科是一門實驗性較強的學科，其實驗教學對學生知識體系建立、能力發(fā)展的重要性不言而喻。但是有些生物實驗時空跨度大、有些涉及有危害的材料和試劑，因此難以在目前本科生實驗教學中實施。此外，還有一些實驗需要使用昂貴、精密儀器，其臺件數(shù)往往不能滿足本科生實際操作需要。因而現(xiàn)有的生物學真實實驗教學體系并不完整，影響了學生全面掌握生物學實驗技能、制約了學生綜合創(chuàng)新能力的發(fā)展。

隨著現(xiàn)代教育技術發(fā)展，采用虛擬仿真技術、計算機圖形圖像技術等生成逼真的實驗場景，可以在虛擬情境中完成真實情況下難以甚至不能實現(xiàn)的實驗內容。因此，虛擬仿真實驗教學資源的開發(fā)順應而生，虛實結合的新實驗教學體系為培養(yǎng)現(xiàn)代生物學創(chuàng)新人才提供保障。

一虛擬仿真實驗教學資源建設的緊迫性

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》指出，“信息技術對教育發(fā)展具有革命性影響，必須予以高度重視”。《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020）》要求推動信息技術與高等教育深度融合，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。發(fā)展規(guī)劃還明確了建設各級各類優(yōu)質數(shù)字教育資源的工作目標，提出要遴選和開發(fā)1500套虛擬仿真實訓實驗系統(tǒng)。

教育部在建設國家級實驗教學示范中心加強實驗教學基礎上，進一步提出建設國家級虛擬仿真實驗教學中心，這一舉措具有重大意義。虛擬仿真實驗教學中心重點開展資源、平臺、隊伍和制度等方面的建設，形成持續(xù)服務實驗教學，保證優(yōu)質實驗教學資源開放共享的有機整體。特別對虛擬仿真實驗教學資源的建設提出了具體要求：即以培養(yǎng)學生綜合設計和創(chuàng)新能力為出發(fā)點，創(chuàng)造性地建設與應用軟件共享虛擬實驗、儀器共享虛擬實驗和遠程控制虛擬實驗等優(yōu)質教學資源，推動信息化條件下自主學習、探究學習、協(xié)作學習等實驗教學方法改革。

二生物學虛擬仿真實驗教學資源開發(fā)的必要性

生物學是21世紀自然科學的重點學科之一，對人類社會的可持續(xù)發(fā)展具有重大影響。生物學也是一門實驗性學科，通過實驗教學，提升學生的觀察能力、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，激發(fā)學生對生命科學研究的興趣和靈感，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和實踐能力。

然而，由于生命科學前沿理論和技術發(fā)展迅速、生物學實驗系統(tǒng)性強、時空跨度較大、操作較為繁復、某些實驗材料存在一定危險性以及某些實驗需要昂貴儀器等，造成目前本科生真實實驗教學資源的局限性，具體表現(xiàn)在：

因生物材料的生命特質原因，有些生物學實驗往往周期較長，如動植物的發(fā)育實驗、生態(tài)學的種群互做實驗、生物進化實驗等。在有限的實驗課時內，現(xiàn)有的真實實驗往往是片段的、不連續(xù)的，大尺度時空跨越的實驗內容基本沒有，造成學生知識體系和實驗技能的不完整。

目前的生命科學研究已經(jīng)深入到在分子水平揭示生命現(xiàn)象的本質，相關的實驗過程往往是微觀的、抽象的，在本科生實驗教學中開展相關真實實驗一方面成本高、消耗大，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)實驗手段無法幫助學生直觀了解微觀抽象的實驗過程，從而影響實驗教學效果。

現(xiàn)代的、先進的實驗技術推動了生命科學發(fā)展，然而有助于學生理解前沿理論的實驗內容難度大、復雜程度高、往往需要使用昂貴的大型科學儀器設備，在本科實驗教學中難以廣泛實施，使得學生不能及時了解、跟進先進的實驗技術和理論知識。

生物實驗可能涉及傷害的、危險的、污染性的實驗內容，因為現(xiàn)有本科生真實實驗教學條件有限而不能實施。例如致病菌、病毒、血液樣品、同位素等等，涉及這些實驗材料和試劑的實驗內容在目前的本科生真實實驗教學中常常都是回避的，導致學生的知識結構不完整、不系統(tǒng)。

生物技術工藝實驗系統(tǒng)化程度高、周期長、成本大，在以往有限課時的本科生真實實驗教學中，僅能安排個別常規(guī)技術，難以完成完整的工藝流程。學生在工廠車間的實習也往往無法接觸企業(yè)的核心技術和工藝，只能粗略的瀏覽生產(chǎn)過程，沒有落實學生應用能力的培養(yǎng)，造成學生理論和實踐的脫節(jié)。

總之，現(xiàn)有的真實生物實驗的局限性在一定程度上限制了學生現(xiàn)代生命科學的視野、影響了學生對先進理論本質的認識以及系統(tǒng)知識體系的形成、制約了完整生物學實驗技能和綜合能力的培養(yǎng)、不能更好的促進學生科研創(chuàng)新能力和實踐能力的培養(yǎng)。

隨著生物科學的迅猛發(fā)展和人才培養(yǎng)要求的不斷提高，生物實驗教學的內容愈來愈豐富，要在有限的實驗教學課時內擴大教學量、提高教學質量和效率，必須對傳統(tǒng)生物學實驗教學內容和方法進行改革。虛擬仿真實驗作為真實實驗的重要補充和擴展，既有仿真性、經(jīng)濟性、安全性的優(yōu)點，又能保證生物學實驗的系統(tǒng)性、綜合化，與傳統(tǒng)真實實驗有機結合，可以使學生開拓視野，獲得更為全面的技能訓練，掌握完整的生命科學知識體系，對培養(yǎng)學生觀察能力、獨立思考能力、創(chuàng)新能力和實踐能力具有重要意義。

三虛實結合的實驗教學新體系在綜合創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的重要性

根據(jù)我校生物科學、生物技術專業(yè)人才培養(yǎng)目標，結合我校生物學學科特色，我校開發(fā)的虛擬仿真實驗教學資源可以概況為4個模塊：秦嶺生物學野外實踐能力培養(yǎng)模塊、現(xiàn)代生物學綜合創(chuàng)新能力培養(yǎng)模塊、生物學教師實驗教學能力提升模塊以及生物技術工藝仿真實訓模塊。虛擬仿真資源與現(xiàn)有的實際操作實驗教學項目相互融合和互補，搭建了較為完備的“分層次、多模塊、系統(tǒng)化”的本科生生物學實驗教學體系，使學生視野得到開拓，對生命現(xiàn)象過程認識更全面，對知識體系的掌握更系統(tǒng)，同時課題式的仿真實驗項目能點燃思維、激發(fā)興趣，加強了本科生的創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)。

陜西師范大學理科（生物學）基礎科學研究與野外實習基地被批準為國家級實踐教學基地，每年對全國甚至海外高校開放。然而因環(huán)境承載能力、后勤保障能力等因素限制，進入基地進行實習的學生有限。我們充分利用秦嶺資源，依托國家級野外實踐教學基地，對生物學宏觀性、時空大尺度實驗進行仿真，為學生提供了新的實驗資源和學習模式，學生可以在這個虛擬環(huán)境中開展現(xiàn)實中無法實現(xiàn)的大型野外生物實驗、生態(tài)系統(tǒng)實驗等。同時這些教學資源還可以共享給更多的來自全國各地的學生。

生命科學研究早已深入到分子水平。我們將細胞、分子水平的微觀生命反應可視化，將抽象的前沿理論和技術形象化，為學生提供了形象逼真的新型實驗教學資源，提供了以計算機為載體、信息技術為手段的新型學習方式。我們開發(fā)的虛擬仿真實驗教學資源運用現(xiàn)代信息技術、教育技術，將學科前沿、研究熱點及學院教師的科研成果引入實驗教學中，將真實的生物學實驗過程中極為迅速、經(jīng)典技術難以跟蹤、肉眼甚至現(xiàn)代科學儀器無法觀察到的分子變化以及相互作用，借助計算機模擬實現(xiàn)其可視化，形象地描述以往無法給學生展現(xiàn)的微觀生命世界，使學生能更直觀的深刻理解產(chǎn)生生物實驗現(xiàn)象的本質與詳細過程。

生物技術、生物工程是生物學在人類社會的實際應用，有突出的價值和發(fā)展空間。以往學生進行生物技術、生物工程實訓需要進入藥廠、食品廠、酒廠等等的車間、工廠。因企業(yè)經(jīng)濟效益和技術保密等，學生只能參與部分生產(chǎn)過程。運用現(xiàn)代信息技術將真實的生產(chǎn)過程引入實驗教學中，借助計算機模擬實際生產(chǎn)中昂貴的各種器械、成本高的運行過程，學生通過模擬操作和控制，直觀的體驗生物技術、生物工程的實際應用。我們?yōu)閷W生提供的生物技術、生物工程實訓新平臺，可以對學生系統(tǒng)進行產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)工藝的訓練，解決生物技術應用人才實踐技能與生產(chǎn)實際脫節(jié)的瓶頸問題。

師范生的培養(yǎng)是我校的特色，生物學專業(yè)師范生因生物學這一個實驗性學科的特殊要求，必須在掌握生物理論教學能力的同時鍛煉實驗教學能力。而目前的現(xiàn)狀是我國54.4%的中學沒有專職生物實驗員，實驗前材料和儀器準備不充分；因生物實驗室和儀器設備短缺，能開出10個以上實驗項目的中學很少；還有11.8%的學校一直沒有開設生物實驗課程。師范生在進行教育實習的時候基本不會進行實驗教學的課程設計、課堂教學等實習內容。中學生物教學經(jīng)典實驗的虛擬仿真，給生物學專業(yè)師范生搭建了中學生物學實驗室的真實情境，可以進行中學生物實驗課的模擬教學訓練，鍛煉了師范生的實驗教學技能。特別是基于這樣的虛擬平臺，多名學生可以同時在任何時間、任何地點、面向任何受眾進行教學模擬，并可以反復演練，充分反映了虛擬仿真實驗教學的高效性、便捷性和經(jīng)濟性。同時，該平臺可以共享給在職中學教師進行繼續(xù)教育培訓；也可以共享給很多沒有實驗條件的中學，供中學生遠程登錄完成實驗內容等，重復發(fā)揮“虛擬仿真實驗中心”的開放共享特色。

四虛實結合的實驗教學新體系的優(yōu)點

我校生物學虛實結合的實驗教學體系的優(yōu)點體現(xiàn)在：第一，緊緊結合我校生物科學、生物技術專業(yè)學生的培養(yǎng)目標和生物學各類實驗的特點，可以選擇特定的實驗模塊作為必修、或者選修的內容，發(fā)揮虛擬仿真實驗可視化、虛擬操作的功能，突破傳統(tǒng)實物生物實驗教學的固有局限性。第二，以傳統(tǒng)實驗的親歷性鞏固學生的事實經(jīng)驗，以虛擬仿真實驗提升學生獲取科學事實的能力、拓展科學思維、鍛煉實踐能力，有效解決了現(xiàn)有生物學實驗教學資源局限性問題，為培養(yǎng)學生全面、系統(tǒng)的知識體系和合理、前瞻的技能體系開辟了新途徑。第三，虛擬仿真實驗所具有的普適性，使其輻射面廣、受眾廣泛。除我校生物學相關專業(yè)在校本科生、研究生以外，我校承擔的國家教師教育、西部教師培訓計劃等均可受益。同時，對在中學任教的生物學教師開放，提高其業(yè)務素質，服務我國基礎生物學教育。

生物學虛擬仿真實驗教學中心是我校生物基礎實驗教學中心的重要組成部分，以虛擬仿真的技術手段完成不可及、不可逆等實驗內容，以新型知識載體的形式和真實實驗相互補充，從而實現(xiàn)虛擬實驗與真實實驗協(xié)同育人、課內課外一體化的實驗教學新體系，探索了虛實結合的生物學實驗教學新模式，為培養(yǎng)現(xiàn)代生物學綜合創(chuàng)新人才奠定了基礎。

參考文獻

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