生物類虛擬仿真實驗教學中心可持續(xù)發(fā)展模式研究

張 彪, 黃金林, 張惠芹, 周 俊, 王愛勤, 魏萬紅, 杜 坤, 潘志明

(1. 揚州大學 生物科學與技術(shù)學院, 江蘇 揚州 2250092. 揚州大學 實驗室與設(shè)備管理處,江蘇 揚州 225009)

教育部在《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)工作的通知》中明確指出,虛擬仿真中心建設(shè)工作要堅持“科學規(guī)劃、資源共享、突出重點、提高效益、持續(xù)發(fā)展”的指導思想,通過信息化實驗教學資源的建設(shè),來實現(xiàn)學科專業(yè)與信息技術(shù)的深度融合,通過優(yōu)質(zhì)實驗教學資源的共享,來提高學生的創(chuàng)新精神和實踐能力[1-7]。

我校虛擬仿真資源建設(shè)起步于1999年開始的玻片標本“數(shù)字化”制作,2012年依托國家級生物科學與技術(shù)實驗教學示范中心,成立了生物科學與技術(shù)虛擬仿真實驗教學中心(以下簡稱中心)。多年來,中心通過對人財物等實驗教學資源的一體化配置與管理,持續(xù)推進實驗教學信息化建設(shè),建成一批虛擬仿真實驗教學資源及共享平臺,并以此為基礎(chǔ)形成了虛實互補的實驗教學模式、虛擬仿真實驗教學資源與共享機制[8]。中心2015年獲批為國家級虛擬仿真實驗教學中心,2017年“兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能虛擬仿真實驗”被認定為首批國家級虛擬仿真實驗項目[9]。

1 中心可持續(xù)發(fā)展模式研究的必要性

虛擬仿真實驗教學中心是高等教育信息化和實驗教學示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容,是學科教學與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物,是實驗教學改革的方向,其重點是建設(shè)數(shù)字化實驗教學資源[10]。從中心建設(shè)經(jīng)驗來看,目前從事生物學實驗教學的教師,其信息技術(shù)素養(yǎng)遠未達到開發(fā)高度仿真實驗教學資源的要求,而從事虛擬仿真實驗教學資源開發(fā)的信息技術(shù)從業(yè)人員,又多不具備生物學專業(yè)知識,從而使相關(guān)虛擬仿真實驗項目的研發(fā)與應(yīng)用工作事倍功半。為此,在國家級虛擬仿真實驗教學中心和江蘇省虛擬仿真實驗教學共享平臺建設(shè)過程中,以優(yōu)質(zhì)數(shù)字化實驗教學資源的研發(fā)與應(yīng)用為目標,通過對包括資源、平臺、隊伍和制度等內(nèi)容的建設(shè)模式的研究,實現(xiàn)中心可持續(xù)發(fā)展。

2 建設(shè)理念與思路

中心按照“厚基礎(chǔ)、寬口徑、強能力、揚個性、求創(chuàng)新”的人才培養(yǎng)要求,以專業(yè)培養(yǎng)方案、實驗教學大綱為準繩,以信息技術(shù)與現(xiàn)代教育技術(shù)為載體,以數(shù)字化實驗教學要素資源與共享平臺建設(shè)為抓手,以優(yōu)質(zhì)實驗教學資源的開放與共享為目標,提出了“積為教用、虛為實用、虛實互補、提升實效”的虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)思路[11],逐步形成了“以學生為本,以能力培養(yǎng)為核心,充分發(fā)揮數(shù)字化實驗教學資源的共享優(yōu)勢,通過實施虛實結(jié)合的實驗教學模式和形成性實驗考核體系,系統(tǒng)地培養(yǎng)學生的實驗技能、科學思維和創(chuàng)新能力”的虛擬仿真實驗教學理念。

3 建設(shè)內(nèi)容

3.1 選聘3類人員,建構(gòu)虛擬仿真實驗教學隊伍

在互聯(lián)網(wǎng)+時代,在多媒體、三維建模、虛擬現(xiàn)實、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等信息技術(shù)廣泛應(yīng)用于生物學研究的背景下,無論是生物學實驗教師，還是信息技術(shù)從業(yè)人員,要求他們獨自構(gòu)建高度仿真的生物學虛擬實驗環(huán)境和實驗對象,實現(xiàn)實驗教學項目的吸引力和教學有效度,既勉為其難[12],也得不償失。為此,我們在開展數(shù)字化實驗教學資源建設(shè)時,秉承“讓專業(yè)的人做專業(yè)的事”的原則,依據(jù)擬研發(fā)的虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)內(nèi)容,采用內(nèi)選與外聘相結(jié)合的方式來組建項目研發(fā)隊伍,并按照工作職責,將其分為主攻方向各有側(cè)重的3個部分, 即:負責虛擬仿真實驗項目架構(gòu)設(shè)計、腳本編寫和教學應(yīng)用的專兼職實驗教師隊伍；負責虛擬仿真實驗項目制作協(xié)調(diào)溝通、質(zhì)量監(jiān)控、資源管理的實驗技術(shù)人員隊伍；負責虛擬仿真實驗項目運行控制平臺程序設(shè)計、數(shù)字化實驗素材制作、虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)在線維護的外聘信息技術(shù)從業(yè)人員隊伍。

通過“選聘、內(nèi)培、外引”方式建設(shè)3支隊伍, 既能使三維建模、虛擬現(xiàn)實、人機交互等信息技術(shù)的最新研究成果,在數(shù)字化實驗教學資源建設(shè)中得到快速、有效的應(yīng)用,又能通過可視化、透視化、整合化的虛擬仿真資源,解決以往由于高危、微觀抽象[13]、不可見等,而使部分實驗項目不能或不易完整開展的問題,為相關(guān)實驗教學資源效用“最大化”的實現(xiàn)提供“智力”保障。

3.2 借助3類設(shè)備,構(gòu)建虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)體系

借助計算機、智能手機、數(shù)據(jù)頭盔等設(shè)備,創(chuàng)建高度仿真的虛擬實驗教學環(huán)境和實驗對象,即可為以往實體實驗教學中不能、不易或不能完全開展的實驗項目或內(nèi)容的順利實施提供有效載體與平臺,還可為本科生接觸原本很難接觸到的大型儀器、進入原本很難進入的科研生產(chǎn)訓練場所提供載體與平臺。在開展數(shù)字化實驗教學資源建設(shè)時,始終堅持以實用為導向,聚焦科學技術(shù)的發(fā)展對實驗教學組織形式和資源媒介表現(xiàn)形式所帶來的變革,關(guān)注生物學相關(guān)專業(yè)與學科發(fā)展對實驗教學內(nèi)容所帶來的變化,注重信息技術(shù)與生物學實驗教學的融合發(fā)展。經(jīng)過多年遞進式建設(shè)與實踐,建成了包括可基于“固定(PC、頭盔等)、移動(智能手機、平板等)”網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備進行訪問的生物學“形態(tài)與結(jié)構(gòu)、組分與功能、設(shè)備與技能”虛擬仿真實驗教學資源,以及具有對上述數(shù)字化資源進行在線運行、配置、管理及在線仿真學習、實驗考核、預約實驗、提交實驗報告、開放性實驗、師生交流等教學功能在內(nèi)的生物學實驗課程(群)在線教學(學習)平臺,形成了一個平臺、兩類終端、三大模塊的虛擬仿真實踐教學資源建設(shè)體系(見圖1)。既保證了相關(guān)實驗項目“完整、高效、綠色、環(huán)保”地開出,又增加了學生對相關(guān)知識、技能、技術(shù)的了解與掌握；既豐富了學生的閱歷,又提升了學生整合知識、尋找規(guī)律和解決問題的能力,實現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)實踐教學資源的開放與共享。

3.3 修訂3類章程,構(gòu)建虛擬仿真實驗教學管理體系

實現(xiàn)虛擬仿真實驗教學對學生能力系統(tǒng)形成效用的提升,一是要有豐富的虛擬仿真實驗教學資源,二是要有確保各類虛擬仿真教學資源在實驗教學中得到有效應(yīng)用的軟硬條件。為此,中心以虛擬仿真實驗教學資源的研發(fā)、開放共享和充分使用為目標,以各類人員在虛擬仿真實驗教學中的角色定位和自我發(fā)展需求為抓手,通過對中心各類人員獎懲措施、建設(shè)經(jīng)費配置方案、實驗教學中心運行規(guī)章制度的修訂與調(diào)整,形成了較為完善的虛擬仿真實驗教學管理體系,為中心規(guī)范化管理、科學化建設(shè)、高效化運行提供了制度保障。對虛擬仿真資源的使用者(學生),通過教學計劃修訂,將對虛擬仿真資源的在線學習,計入實驗課程或項目評價總成績,并以此構(gòu)建覆蓋實驗“預習、實施、復習”全過程的形成性考核評價指標體系,既解決了以往學生在進入實驗室前對相關(guān)儀器設(shè)備與實驗技術(shù)操作流程感性認識不足的問題,又提升了虛擬仿真資源在學生能力系統(tǒng)形成過程中的效用。對虛擬仿真資源的研發(fā)者與管理者(教師、實驗技術(shù)人員、信息技術(shù)從業(yè)人員),以“有償服務(wù),產(chǎn)權(quán)歸我,利益分享”為原則,通過虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)的“投入、產(chǎn)出、分成”獎懲措施,既調(diào)動了投身虛擬仿真資源建設(shè)的積極性,又提升了虛擬仿真資源建設(shè)的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)出率及應(yīng)用的高效運轉(zhuǎn)率。

4 建設(shè)成效

圖1 虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)體系

4.1 建成了豐富的虛擬仿真實踐教學資源和功能強大的在線共享平臺

經(jīng)過多年遞進式建設(shè)與實踐,目前中心已建成的生物學實驗課程(群)在線教學平臺包括學生、教師、管理員、訪客4個功能區(qū),內(nèi)含數(shù)字切片900余套、虛擬標本800余套、虛擬儀器設(shè)備20個、生物發(fā)育和生理功能動畫60余套、3D/2D虛擬實驗6個、儀器設(shè)備與實驗技術(shù)微(課)視頻50余部、網(wǎng)絡(luò)多媒體課件3部、在線考核題庫15套和輔助資源2 000余個。用戶借助PC機、智能手機等設(shè)備訪問該平臺,可實現(xiàn)在線信息發(fā)布、實驗預習與復習、虛擬仿真操作、預約選課、實驗考核、報告提交、問題討論、師生互動以及虛擬仿真實驗教學資源管理與配置、教學檔案歸檔等教學功能。

4.2 搭建了以虛輔實的實踐教學平臺

中心注重軟件與硬件的協(xié)同配套建設(shè),經(jīng)過多年努力,形成了以教學實驗室(課程教學實驗室、科技創(chuàng)新實驗室)為基礎(chǔ)、以創(chuàng)新實驗室(科研實驗室與實習實訓基地、生物生長空間)為拓展、以虛擬實驗室(生物學實驗課程群在線教學平臺)為輔助的以虛輔實的實踐教學平臺(見圖2)。

圖2 以虛輔實實踐教學平臺

該平臺拓展了實驗教學空間,也為各實驗課程制訂個性化的“虛實互補”實驗教學運行方案創(chuàng)造了條件,提高了實驗教學效果,提升了學生的實踐創(chuàng)新能力。

4.3 形成了虛實結(jié)合的實驗教學運行模式

依托以虛輔實實踐教學平臺,圍繞學生專業(yè)技能綜合訓練和創(chuàng)新能力培養(yǎng),通過虛擬實驗教學資源與實體實驗教學資源的協(xié)同應(yīng)用,建立了與不同實驗項目類型和教學內(nèi)容相適應(yīng)的實施流程、實驗方式和教學方案,形成了虛實結(jié)合的實踐教學運行模式(見圖3),確保各類實驗項目完整、安全、綠色、高效開出。

4.4 構(gòu)建了過程與結(jié)果并重的實驗教學考核體系

實驗教學考核以覆蓋實驗教學全過程為導向,以虛擬實驗室、教學實驗室和創(chuàng)新實驗室為考場,以實驗預習、實驗過程、實驗結(jié)果、知識整合、應(yīng)用與拓展等為主要考核內(nèi)容,建立了過程與結(jié)果并重的實驗教學考核體系。在虛擬實驗室全天候開展偏重結(jié)果的實驗預習、實驗學習效果的在線考核；在教學實驗室定時開展偏重過程的基本技能、實驗過程、實驗結(jié)果(報告)的實體考核；在創(chuàng)新實驗室開展過程與結(jié)果并重的知識整合與應(yīng)用、綜合實驗技能等方面的考核,實現(xiàn)了對考核過程的全覆蓋。

圖3 虛實結(jié)合的實踐教學運作模式

5 結(jié)語

推進生物類虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)、應(yīng)用和推廣是虛擬仿真實驗教學中心可持續(xù)發(fā)展的重要途徑和根本動力。而對智力、精力、財力都需要較大投入的中心建設(shè)來說,人是基礎(chǔ),錢是保障,制度與規(guī)劃是關(guān)鍵。因為只有按章辦事,才能將中心有限的人和錢進行統(tǒng)籌調(diào)配,才能避免由本位主義而產(chǎn)生人人爭財和等待觀望現(xiàn)象,并避免由此導致的中心建設(shè)低水平重復問題,才能通過人的主觀能動性提升來實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)虛擬仿真資源的產(chǎn)出率和使用率,并最終通過虛實結(jié)合實驗教學模式的實施,確保相關(guān)實驗項目完整、高效、綠色、環(huán)保地開出。