關(guān)于虛擬仿真實驗教學(xué)提升生物學(xué)研究生科研創(chuàng)新能力的思考

孫文秀 夏 帆 熊 濤

（長江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州 434025）

0 引言

在2020 年7 月召開的全國研究生教育會議上，習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)， 研究生教育在培養(yǎng)創(chuàng)新人才、提高創(chuàng)新能力、服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、推進(jìn)國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化方面具有重要作用，研究生教育是國家教育的頂端，是國家培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才的重要階段，肩負(fù)著為國家和社會培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的重任。 作為高素質(zhì)人才的重要標(biāo)志——具有創(chuàng)新能力，也即研究生教育的核心內(nèi)容，培養(yǎng)研究生的科研創(chuàng)新能力是提高研究生培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵所在。

生物學(xué)是綜合類高等院校中一門重要的基礎(chǔ)性學(xué)科，也是一門實踐性較強(qiáng)的學(xué)科，涉及范圍廣泛，生物學(xué)研究生必須充分理解和熟練掌握各項實驗技能，才能夠系統(tǒng)地發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題，獲得創(chuàng)新性成果[1]。筆者通過對湖北省多所高校的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前生物學(xué)研究生的科研創(chuàng)新能力不足，在培養(yǎng)過程中仍然存在著諸多問題。 眾所周知，實踐教學(xué)在研究生科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)過程中起著重要作用，由于生物學(xué)研究本身的特點，導(dǎo)致很多先進(jìn)的實驗無法以傳統(tǒng)的實踐教學(xué)開展。虛擬仿真實驗教學(xué)具有演示性、實踐性、趣味性和安全性的特點[2]，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實驗教學(xué)的弊端，盡可能地為研究生的實驗操作提供條件，盡快地提升科研創(chuàng)新能力。

1 研究生科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)存在的主要問題

與本科生教育相比，研究生教育更加注重科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。近年來，研究生招生規(guī)模不斷擴(kuò)大，既有的教學(xué)科研條件和研究生管理體系發(fā)展滯后，出現(xiàn)了部分研究生讀而不學(xué)、學(xué)而不研、研而不精的現(xiàn)象，科研創(chuàng)新能力不足，極大地影響了研究生教育質(zhì)量。

1.1 讀研動機(jī)不端正，科研創(chuàng)新意愿缺失

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和就業(yè)壓力的增加，很多學(xué)生考研只是為了增加就業(yè)機(jī)會，通過讀研獲得高文憑以便進(jìn)入優(yōu)秀的企業(yè)，找到滿意的工作，而本身對學(xué)術(shù)和專業(yè)不感興趣，也不打算從事科研工作，缺乏投身科研創(chuàng)新工作的主觀意愿，大大削弱了研究生教育的質(zhì)量和效果。

1.2 培養(yǎng)方式發(fā)展緩慢，科研創(chuàng)新意識淡薄

在目前研究生培養(yǎng)過程中，表現(xiàn)出了教學(xué)手段單一、單向傳輸為主、教學(xué)技術(shù)落后、新技術(shù)應(yīng)用緩慢，理論與實踐結(jié)合不緊密的現(xiàn)象。再加上現(xiàn)有培養(yǎng)研究生科研創(chuàng)新能力的主要途徑仍然以參與導(dǎo)師的科研項目為主， 習(xí)慣于按照導(dǎo)師的要求開展研究工作，缺乏主動創(chuàng)新實驗的意識和能力，以完成畢業(yè)論文為主要目標(biāo)，必然會導(dǎo)致研究生的科研創(chuàng)新能力不足。

1.3 科研創(chuàng)新能力嚴(yán)重不足

在實際的研究生教育過程中，很多研究生為了順利獲得碩士學(xué)位， 只是按部就班地完成了培養(yǎng)過程，達(dá)到了獲得學(xué)位的基本條件。本該通過研究生培養(yǎng)能夠獨立思考、發(fā)現(xiàn)和分析問題、設(shè)計實驗、解決問題等科研創(chuàng)新意識和能力卻沒有獲得，更是缺乏系統(tǒng)的科研訓(xùn)練，科研實踐能力嚴(yán)重不足[3]。

2 虛擬仿真實驗教學(xué)提升生物學(xué)研究生科研創(chuàng)新能力的作用

生物學(xué)研究具有實驗周期長、 實驗流程復(fù)雜、儀器設(shè)備昂貴、實驗材料和試劑花費大、實驗影響因素多，危險系數(shù)大等特點，在很大程度上影響了研究生科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。虛擬仿真實驗技術(shù)的應(yīng)用可以降低上述因素的影響，可將“長時程實驗短時化、大尺度實驗微縮化、微觀實驗可視化、危險實驗安全化、復(fù)雜實驗熟練化、難重復(fù)實驗再現(xiàn)化”，快速提高研究生的實驗技能，熟悉實驗過程，節(jié)約培養(yǎng)成本，加快研究進(jìn)程，多出科研成果[3]。

2.1 加強(qiáng)研究生安全教育，降低實驗危險性

研究生進(jìn)入實驗室開展實驗首先要了解實驗室管理制度、安全注意事項、操作規(guī)范等，特別是有毒、有害、易燃、易爆的危險試劑及儀器設(shè)備的危險因素，強(qiáng)化安全教育。 在虛擬仿真實驗項目中，安全教育貫穿整個實驗過程中，比如“生物實驗安全與防護(hù)虛擬仿真綜合實驗”， 可以讓研究生以第一視角沉浸式進(jìn)入虛擬實驗室場景，實驗涉及一般生物學(xué)實驗室常見的儀器設(shè)備安全操作、 危險試劑安全操作及處理、實驗室安全規(guī)范及隱患排查、 相關(guān)突發(fā)事件應(yīng)急處理等， 訓(xùn)練和考查研究生的主動安全意識和操作技能。通過虛擬仿真實驗教學(xué)，可以進(jìn)一步加強(qiáng)研究生安全教育，降低實驗危險性，保障人身和實驗室安全。

2.2 研究生快速掌握科研創(chuàng)新實踐技能， 提高科研效率

虛擬仿真實驗教學(xué)可以讓生物學(xué)研究生快速掌握實驗的原理、操作及影響因素等，盡快開展研究工作，減少失敗機(jī)會。例如，研究生《分子細(xì)胞生物學(xué)》課程中關(guān)于蛋白質(zhì)糖基化和動物細(xì)胞原代培養(yǎng)的知識點，除了講授理論知識外，“蛋白質(zhì)糖基化合成調(diào)控虛擬仿真實驗”和“兔胃壁細(xì)胞原代培養(yǎng)及胃酸分泌相關(guān)蛋白功能研究虛擬仿真實驗”也為研究生提供了實踐平臺，進(jìn)一步加深了研究生對知識點的理解，掌握了科研創(chuàng)新實踐技能。 同時，虛擬仿真實驗教學(xué)可以讓生物學(xué)研究生快速熟悉高精尖儀器設(shè)備的原理、操作及注意事項，減少因設(shè)備引起的實驗問題，比如“生物熒光顯微鏡互動操作虛擬實驗”可以使研究生掌握生物熒光顯微鏡的操作及圖像處理相關(guān)知識，提高科研效率。 此外，虛擬仿真實驗教學(xué)可以使生物學(xué)研究生了解實驗對象、預(yù)測實驗結(jié)果、掌握數(shù)據(jù)處理方法等，提高科研效率和成功率，減少試劑耗材的用量，節(jié)約科研經(jīng)費。

2.3 提高研究生科研創(chuàng)新意識，增加實踐機(jī)會

在現(xiàn)有的研究生培養(yǎng)模式下，生物學(xué)研究生科研任務(wù)較重，參與社會實踐的機(jī)會較少，這也成為阻礙研究生實踐技能與科研創(chuàng)新能力提升的重要原因。虛擬仿真實驗教學(xué)可以為研究生提供更多操作實驗的實踐機(jī)會，也可以讓研究生利用碎片時間學(xué)習(xí)生物學(xué)領(lǐng)域最新的實驗技能，還可以了解生物學(xué)領(lǐng)域企業(yè)的相關(guān)專業(yè)實訓(xùn)，諸如廣西大學(xué)生物科學(xué)與工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心建立的“工廠實訓(xùn)與儀器分析仿真實驗”和“啤酒工藝虛擬仿真實驗”，就可以為研究生提供實踐機(jī)會和提高科研創(chuàng)新意識的良好條件。

2.4 節(jié)約教學(xué)時間，提高學(xué)習(xí)效率

虛擬仿真實驗教學(xué)可以使用電腦和手機(jī)完成，操作方便，方式靈活，可以在教室、宿舍、家庭等場所隨時隨地完成學(xué)習(xí)，可以隨時與教師交流答疑，不受時間和空間的限制。同時，虛擬仿真實驗可以反復(fù)操作，多次熟練實驗操作和流程，提高學(xué)習(xí)效率，節(jié)約教學(xué)時間。

3 結(jié)語

研究生科研創(chuàng)新能力的提升需要從多個方面多個角度來完成，而虛擬仿真實驗教學(xué)是在實踐教學(xué)過程中發(fā)揮培養(yǎng)研究生科研創(chuàng)新能力的作用。在研究生實踐教學(xué)過程中， 虛擬仿真實驗是實際實驗的補(bǔ)充，可以彌補(bǔ)線下實踐教學(xué)的不足，充分發(fā)揮虛擬實驗的優(yōu)勢，培養(yǎng)研究生的科研創(chuàng)新能力。此外，虛擬仿真實驗教學(xué)除了滿足研究生實踐教學(xué)需要外，還擔(dān)負(fù)著研究生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)的任務(wù)，可以將實踐教學(xué)資源整合優(yōu)化，解決理論與實踐脫節(jié)、學(xué)習(xí)能力與實踐能力脫節(jié)、教學(xué)方法與實踐脫節(jié)等問題。目前，虛擬仿真實驗教學(xué)已在醫(yī)學(xué)、工科類研究生培養(yǎng)中得到廣泛應(yīng)用[4-5]，相信在生物學(xué)研究生科研創(chuàng)新能力提升過程中也會充分發(fā)揮積極作用。