虛擬仿真應用于生命科學類專業實驗教學中探討與研究

李玲 閆旭宇 李娟 任潘

摘? 要：本文主要探討了生命科學虛擬仿真實驗教學資源的建設情況和在實驗教學中的應用，期望對于豐富實驗教學資源、培養學生的實驗技能、促進人才培養質量起到積極的作用。

關鍵詞：虛擬仿真? 生命科學? 實驗教學

Abstract： This paper mainly discusses the construction and application of life science virtual simulation experiment teaching resources， It is expected to play an active role in enriching experimental teaching resources， cultivating students'experimental skills and promoting the quality of talents cultivation.

Key Words： Virtual Simulation; Life Science; Experimental teaching

生命科學類專業是實踐性較強的一門學科，實驗教學在整個教學活動中占有很大的比例，是學生提高發現問題、解決問題和動手能力，培養高素質創新型人才的重要手段。但隨著教學改革的持續深入，傳統的實驗課堂教學受到一定的沖擊，遇到了一些實際困難和問題，難以滿足人才質量培養的要求。目前，很多本科教學計劃中開設的實驗項目受實驗周期長、實驗成本高、安全環保危害大等因素的制約與限制，導致教學效果并不理想。近些年，虛擬仿真技術和信息技術在高校生命科學類專業實驗教學中的廣泛應用，已成為當前實驗教學改革的新方向，對于豐富實驗教學資源、減短實驗周期、降低實驗成本及解決環保問題等，并對學生的實驗技能、促進人才培養質量起到重要的作用[1]。

1? 生命科學虛擬仿真實驗教學資源的建設

生命科學學院結合專業特色及人才培養方案，全面推進以學生為主、以學為主，問題導向，任務驅動的虛擬實驗教學改革，構建了層次結構清晰、適宜共享、易于擴展的生物科學虛擬仿真實驗教學體系。現開發建設有生物工程及微生物、植物學類、儀器設備使用及實驗室安全培訓三個模塊，每個學科模塊根據實驗教學目標再進行細分，建成了結構層次清晰、內容擴展的生命科學虛擬仿真實驗教學平臺，其中生物工程及微生物模塊包括蛋白質同源模建虛擬仿真軟件、動物胚胎移植操作實驗、單克隆抗體制備虛擬仿真實驗、SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳測定蛋白質的相對分子量虛擬仿真實驗軟件、酶聯免疫吸附虛擬仿真實驗軟件等19個項目;植物學類模塊包括水稻遺傳轉化虛擬仿真軟件、擬南芥 T-DNA 插入突變體的鑒定虛擬仿真軟件、植物基因克隆及表達載體建立、植物工廠 3D 仿真培訓軟件等6個項目;儀器設備使用及實驗室安全培訓包括熒光定量 PCR 儀虛擬操作系統、氣相色譜 VR 虛擬仿真實訓軟件、激光共聚焦操作虛擬仿真實驗、生物類實驗室安全防護虛擬仿真訓練等6個項目。軟件平臺登錄網址為http：//219.244.0.63/website，全校師生可在校園網通過建立的賬號和密碼登錄后下載使用。

2? 生命科學虛擬仿真實驗教學平臺建設的意義

2.1 適應信息化建設發展需要，提升人才質量培養質量

國家非常重視教育信息化建設，教育部于2012年出臺了《教育信息化十年發展規劃（2011-2020）》等文件，為高校開展教育信息化工作提供了政策依據，指明了發展方向。新時期在信息化背景下，利用虛擬仿真技術與教育教學的深度融合，完善傳統實驗教學方法，推進實驗教學改革，提升平臺師資力量，不斷加強學生自主學習和實踐能力的培養。實驗教學是生命科學類專業重要的教學環節，對學生提高發現問題、解決問題的能力以及綜合素質的提高有極其重要的作用。學生通過虛擬仿真教學的學習不僅保證了學生的人身安全，也增強了學生實踐和創新能力，為今后就業打下了堅實的基礎。

2.2 依托互聯網技術，提高實驗教學效果及效率

生命科學真實實驗主要制約因素有：一是實驗項目用到有害性、易燃易爆性、感染性、放射性等類物質實驗時，現有實體實驗室條件很難滿足實驗開設要求，存在安全風險;二是實驗的不可逆性，在開展動物實驗時，動物不必要的處死和處死的數量增加，另外實驗中具有危險的技能操作如穿刺治療等;三是教學成本和資源限制，有些實驗生物材料由于受環境變化和季節性影響很難采集到，還有人體及動物生理學實驗所需人尸體及器官標本更是難求，最終影響實驗重復性;四是有些生物化學、分子生物學、生物技術實驗中的實驗項目，實驗周期長，實驗耗材、設備使用成本高，還有一些實體實驗受時間和空間限制，學生操作難度大，成功率不高。而虛擬生命科學實驗則可以做到不受時空限制、隨時隨地的開放，通過交互的動畫方式直觀地展現操作過程和方法，利于學生對實驗操作的理解[3]。

3? 生命科學虛擬仿真平臺在實驗教學中的應用

3.1 虛-實結合實驗教學模式創新

虛擬仿真實驗平臺資源的建設不僅結合了相關專業的實驗教學大綱和培養方案，在能實不虛的原則下使虛擬仿真項目發揮出自身的特點和優勢。同時，根據教學科研實際情況，發揮互聯網和信息技術的優勢，拓展更新了實驗教學項目資源，逐漸建立了基礎性、綜合性、設計創新性、虛擬仿真性多層次、多模塊、多角度的“虛”與“實”相結合一體化實驗教學體系。比如聯合開發了“食用菌（杏鮑菇）工廠化生產虛擬仿真實驗”、“固體小曲白酒發酵過程虛擬仿真實驗”等項目，學生可以通過游戲的方式掌握實驗的步驟和操作過程以及決定實驗成敗的關鍵環節，大大地提升對實驗項目的認知，學生通過虛擬軟件平臺實現了課堂教學與在線學習的結合，課前課后可以在線觀察、瀏覽、下載學習真正做到了“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則。

3.2 培優育新，管理模式創新

軟件后臺建立強大多功能綜合管理系統，實現了資源管理、教師管理、學生管理、虛擬操作、仿真考試、教師評閱等功能。在上實驗課時，學生在線登錄仿真軟件平臺，根據軟件界面提示進行虛擬操作，通過點擊鼠標可完成各個實驗流程、儀器使用等操作。實驗結束后，系統會記錄學生操作情況和答題情況，并給予打分，實驗教學人員運用仿真資源查看學生考試成績統計，教師通過收集整理分析，對實驗中發現的突出問題和集中存在的問題，有針對性進行輔導，達到提高實驗教學質量。通過線上學習和線下實驗的有機結合，學生實驗技能得到了更加系統全面的訓練，而且數字化實驗課程資源的建設滿足了信息化環境下學生在線學習和實驗教學的需要，極大促進學生自主學習、自主實驗的主觀能動性和積極性，開創了虛擬實驗與真實實驗協同育人的新局面。

3.3 突破時空限制，實現了自主開放性教學

近年來，高校招生規模的擴大，加劇了學生人數急速增加與實驗室硬件和軟件發展相對滯后的矛盾，人均實驗條件還存在不小的差距。而傳統實驗教學是嚴格按照教學計劃和安排，在規定時間內，在指定的實驗地點，以班級為單位進行集中授課和實驗。現信息技術的發展，促進了虛擬仿真實驗教學中心的操作界面、仿真實驗界面、交互界面、管理界面在智能手機及 iPad（平板電腦）上展示，只要有一臺電子設備，通過校園網，將授課內容與校園其它計算機聯網共享，支持學生隨時操作實驗，自己掌控實驗進度，并提出遇到的問題，尋求幫助，教師和其他學生可以一起討論，幫助其解決問題。通過這種“人機對話”的交互式學習方式，學生可直觀地、立體地和動態地學習知識，從而加深記憶，充分發揮學生自主學習的積極性，打破了傳統教學的時空限制，真正實現了虛擬教學資源的開放和共享。

4? 結語

虛擬仿真實驗教學是信息技術高速發展應運而生的產物，是借助多媒體、數據庫及網絡通信等技術，構建虛擬實驗環境和實驗對象，進而幫助學生在虛擬的環境中進行實驗過程，其具有高仿真、智能化、互動性、直觀性、開放性等特點，極大促進了教學效果的提高[2]。但虛擬仿真實驗也有一定的局限性，在實際應用時，應當將其與實物實驗結合起來，做到虛實結合，相輔相成，不斷優化創新人才成長環境，推進人才培養質量的提高[4]。

參考文獻

[1] 秦麗瑋，胡原，萬建，等.分子生物學虛擬仿真實驗平臺的建設與應用[J].實驗技術與理，2018，35（7）：140-143，147.

[2] 吳鋒景，劉小娟，鄧繼勇，等.應用型本科高校中化工虛擬仿真實驗教學探索[J].廣州化工，2016，43（334）：204-205.

[3] 李兵，王玉鳳，賀占魁，等.生物學虛擬仿真實驗教學資源建設[J].實驗技術與管理，2016，33（12）：171-176.

[4] 徐艷.虛擬實驗在《生物工程分析與檢驗實驗》教學中應用研究[J].課程教育研究，2019（6）：49.