虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在生物技術(shù)專業(yè)本科實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

金太成，楊麗萍，趙永斌

(吉林師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，吉林四平 136000)

生命科學(xué)是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科。通過實(shí)踐課程提高學(xué)生動(dòng)手能力、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，是培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的重要手段。在生物專業(yè)本科學(xué)生培養(yǎng)過程中，實(shí)踐教學(xué)貫穿始終，簡單來說可以包括實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)和實(shí)習(xí)三個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。很多實(shí)驗(yàn)周期長，耗費(fèi)大，而實(shí)訓(xùn)實(shí)習(xí)過程又存在作業(yè)環(huán)境危險(xiǎn)等因素。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(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)對象，幫助學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，可以更好地達(dá)到教學(xué)大綱所要求的實(shí)驗(yàn)?zāi)康腫1]。

1 高校生物實(shí)踐教學(xué)中開展虛擬仿真教學(xué)的必要性

面對日趨激烈的國力競爭，世界各國普遍關(guān)注教育信息化在提高國民素質(zhì)和增強(qiáng)國家創(chuàng)新能力方面的重要作用[1]。我國同樣重視教育信息化，在高校中積極開展虛擬仿真教學(xué)建設(shè)工作就是其中的一個(gè)具體表現(xiàn)[2]。教育部于2012年印發(fā)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020)》，明確提出利用先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)，整合教育資源，強(qiáng)化實(shí)踐育人環(huán)節(jié)，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，并推進(jìn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)信息化平臺(tái)建設(shè)。為此，教育部于2013年起陸續(xù)批準(zhǔn)建立了100個(gè)國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。為進(jìn)一步落實(shí)該項(xiàng)工作，教育部在2017年連續(xù)印發(fā)《2017年教育信息化工作要點(diǎn)》和《關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》兩個(gè)重要文件，強(qiáng)調(diào)不斷加強(qiáng)高等教育優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)與應(yīng)用，遴選一批典型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)共享平臺(tái)建設(shè)，規(guī)劃到2020年將認(rèn)定1000項(xiàng)左右示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。開展虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)建設(shè)、豐富虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容的迫切性和重要性毋庸置疑。

2 虛擬仿真教學(xué)在高校生物實(shí)踐教學(xué)中的優(yōu)勢及作用

2.1 使長期實(shí)驗(yàn)短期化、抽象實(shí)驗(yàn)可視化，顯著提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

有些生物學(xué)實(shí)驗(yàn)周期較長，現(xiàn)有的真實(shí)教學(xué)實(shí)驗(yàn)展示的生命現(xiàn)象與過程往往是片斷的、不連續(xù)的，不具備大的時(shí)空跨越性。以基因工程實(shí)驗(yàn)課程為例，該類實(shí)驗(yàn)通常包括基因克隆、載體構(gòu)建、目的基因轉(zhuǎn)化、目的基因檢測與表達(dá)等環(huán)節(jié)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程需要1～2個(gè)月，甚至更長時(shí)間。通過虛擬仿真教學(xué)，可以在有限的教學(xué)課時(shí)下，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的連貫性及知識(shí)點(diǎn)的全覆蓋。同時(shí)，有些生物學(xué)實(shí)驗(yàn)過程比較抽象，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡單。以組織解剖、人體及動(dòng)物生理學(xué)等實(shí)驗(yàn)課程為例，部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容僅僅利用簡單的人體構(gòu)造模型完成教學(xué)，過程相對枯燥、空洞，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高。而通過虛擬仿真技術(shù)可真實(shí)展現(xiàn)人體器官的三維解剖結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)立體、直觀、逼真、全方位、多角度觀看實(shí)物三維構(gòu)像，使學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變成主動(dòng)、積極、靈活的學(xué)習(xí)，顯著提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

2.2 降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，顯著提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率

部分生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本高、消耗大。以分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)為例，單克隆抗體制備、基因芯片制備等教學(xué)內(nèi)容非常重要，但開設(shè)成本過高，無法保證每個(gè)學(xué)生動(dòng)手做大量實(shí)驗(yàn)；而且經(jīng)常使用一些毒性較大的實(shí)驗(yàn)試劑，存在一定的安全隱患。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過一次性投入，建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，讓學(xué)生不必進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際操作就能達(dá)到一定的學(xué)習(xí)效果，降低了教學(xué)成本。

2.3 加強(qiáng)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，顯著提升學(xué)生就業(yè)競爭力

實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)是生物技術(shù)專業(yè)重要的實(shí)踐型教學(xué)環(huán)節(jié)，對培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力、全方位提高學(xué)生綜合素質(zhì)具有重要意義。但生物技術(shù)企業(yè)對衛(wèi)生、環(huán)境及安全性要求很高，接納大量學(xué)生實(shí)習(xí)的積極性不高,同時(shí)成本、技術(shù)保密等因素使學(xué)生無法參與關(guān)鍵技術(shù)培訓(xùn)。上述問題制約了學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，不利于學(xué)生接受系統(tǒng)全面的技能培訓(xùn)。虛擬仿真實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)既可以保證學(xué)生的安全，又可以保證實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)的系統(tǒng)性和教學(xué)質(zhì)量，顯著提高學(xué)生從業(yè)技能，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，為學(xué)生就業(yè)提供有力保障。

3 虛擬仿真教學(xué)存在的問題和解決策略

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作目前在全國各高校受到普遍重視，但在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)及教學(xué)過程中難免存在一些問題。下面結(jié)合我院虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建過程中的實(shí)際情況，針對虛擬仿真教學(xué)工作中存在的幾個(gè)共性問題，提出相應(yīng)解決策略。

3.1 虛擬仿真教學(xué)資源不夠豐富

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)勢獨(dú)特，但前期投入較大，特別是內(nèi)容制作花費(fèi)昂貴。我國目前雖然已經(jīng)建立了不少國家級、省級虛擬仿真教學(xué)中心，但各中心普遍面臨的問題是在資金限制下虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源不夠豐富或后繼實(shí)驗(yàn)內(nèi)容拓展不夠。另一方面，很多中心的教學(xué)內(nèi)容存在重復(fù)、同質(zhì)化現(xiàn)象。這種局面嚴(yán)重限制虛擬仿真教學(xué)的開展，有效的解決策略是全國資源共享，打破各虛擬仿真教學(xué)中心間的壁壘，讓大家都能享受到虛擬仿真教學(xué)的好處。例如，教育部發(fā)布的《關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》中明確強(qiáng)調(diào)開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)共享平臺(tái)建設(shè)，要求各示范項(xiàng)目必須完全對外公開服務(wù)，確保校外互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)鏈接地址直接指向?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目；同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)后繼資金投入，全面統(tǒng)籌虛擬仿真教學(xué)資源的建設(shè)工作，避免重復(fù)建設(shè)和資金浪費(fèi)。

3.2 部分虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容陳舊，應(yīng)用價(jià)值不高

隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和高等教育水平的顯著提高，有些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源過于陳舊，知識(shí)點(diǎn)分散，系統(tǒng)性不強(qiáng)，無法顯著提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。在虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容建設(shè)過程中一定要堅(jiān)持“能實(shí)不虛”的原則，一些簡單重復(fù)實(shí)驗(yàn)在正常實(shí)驗(yàn)課就能完成，完全沒必要虛擬化。同時(shí),有些成型虛擬仿真教學(xué)資源產(chǎn)品與本校的教學(xué)實(shí)際情況不符，通過簡單的花錢購買無法達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。針對上述現(xiàn)象的有效策略是根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，有針對性地訂制虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)教師應(yīng)根據(jù)具體學(xué)科的特點(diǎn)，獨(dú)立設(shè)計(jì)虛擬仿真教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容，與軟件開發(fā)人員合作，訂制虛擬仿真教學(xué)資源。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源貴在精，要有深度和系統(tǒng)性，要真正解決常規(guī)實(shí)驗(yàn)解決不了的問題。只有保證虛擬仿真教學(xué)資源的質(zhì)量，才能發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)“虛實(shí)結(jié)合，以虛擴(kuò)實(shí)”的目標(biāo)，提升實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量和效果。

4 結(jié)語

教育信息化是大勢所趨，高校開展虛擬仿真教學(xué)前景廣闊。只要我們加強(qiáng)虛擬資源共享機(jī)制建設(shè)，拓展虛實(shí)深度結(jié)合的仿真教學(xué)資源，充分利用互動(dòng)性強(qiáng)的虛擬仿真教學(xué)方式，終將實(shí)現(xiàn)提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量、為國家培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的最終目標(biāo)。