生物工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)思路探討

李由然 李江華

摘? 要 在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代，各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展給生物工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)方法、課堂模式、學(xué)習(xí)支持、教學(xué)資源、教學(xué)評(píng)價(jià)等帶來(lái)多方面的改變，各項(xiàng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)代技術(shù)的幫助下有了質(zhì)的改善，無(wú)論是實(shí)驗(yàn)的仿真程度，還是教學(xué)資源的信息化水平，都有了很大的提升。基于當(dāng)前技術(shù)不斷發(fā)展的社會(huì)背景，對(duì)優(yōu)化生物工程專業(yè)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義和方法進(jìn)行探索。

關(guān)鍵詞 生物工程專業(yè);虛擬仿真實(shí)驗(yàn);教學(xué)資源;信息化教學(xué);實(shí)踐基地;發(fā)酵工程;微生物工程;生物工程下游技術(shù)

中圖分類號(hào)：G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）22-0045-03

1 引言

生物工程專業(yè)是一門(mén)十分重視實(shí)驗(yàn)探索的學(xué)科，仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是幫助學(xué)生掌握好專業(yè)知識(shí)、對(duì)知識(shí)和發(fā)現(xiàn)進(jìn)行驗(yàn)證的重要教學(xué)模式。當(dāng)前，在高校的生物工程專業(yè)的教學(xué)體系安排方面，實(shí)驗(yàn)課的比例為30%～50%。到2016年在中國(guó)已經(jīng)建成的國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中，生物實(shí)驗(yàn)室的占比已經(jīng)達(dá)到23%，生物工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的效果將會(huì)直接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和整個(gè)學(xué)科的教學(xué)水平。現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展給生物工程專業(yè)的學(xué)習(xí)發(fā)展帶來(lái)許多積極影響，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)要利用好技術(shù)發(fā)展的優(yōu)勢(shì)，不斷提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化水平，從而更好地服務(wù)于學(xué)科發(fā)展和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在新時(shí)代，高校要堅(jiān)持對(duì)生物工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)資源進(jìn)行優(yōu)化。

2 生物工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)的意義

順應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代發(fā)展? “互聯(lián)網(wǎng)+”社會(huì)最明顯的特點(diǎn)就是各項(xiàng)現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展和涌現(xiàn)，以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)為代表的現(xiàn)代信息技術(shù)為新時(shí)代的教育改革提供了技術(shù)上的支撐和保障，同時(shí)推動(dòng)了新一輪科技的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新。黨的十九大報(bào)告中強(qiáng)調(diào)了順應(yīng)科技發(fā)展、實(shí)施教育改革的重要性，要求各高校不斷增強(qiáng)培養(yǎng)高素質(zhì)人才的理念，并將信息技術(shù)與教育結(jié)合起來(lái)，幫助學(xué)生掌握更多知識(shí)和技能。

開(kāi)展生物工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)就是順應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代發(fā)展，實(shí)現(xiàn)教育信息化發(fā)展的重要舉措。如在2013—2015年的兩年間，教育部建設(shè)了一批具有代表性的生物類虛擬仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，對(duì)生物工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)技術(shù)運(yùn)用等都作出新突破，是在新的教育局勢(shì)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境中作出的正確選擇。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)大學(xué)生專業(yè)能力、促進(jìn)對(duì)學(xué)科優(yōu)質(zhì)資源的建設(shè)和運(yùn)用、確保學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目與信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)深度融合方面，都發(fā)揮了重要作用，是信息化教育改革的重點(diǎn)內(nèi)容。

適應(yīng)現(xiàn)代生命科學(xué)高速發(fā)展? 在信息技術(shù)不斷發(fā)展的同時(shí)，經(jīng)濟(jì)社會(huì)也有了新變化，互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)以技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)為主，現(xiàn)代生命科學(xué)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高速發(fā)展，在此情況下為了提升我國(guó)教育體系中生物工程學(xué)科的專業(yè)水平和生物類產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有現(xiàn)實(shí)必要性。建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源是在人才培養(yǎng)目標(biāo)指引下，以實(shí)際教學(xué)中存在的問(wèn)題和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求為導(dǎo)向，對(duì)生物虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、教學(xué)中心和實(shí)踐基地、教育平臺(tái)等各項(xiàng)教學(xué)資源進(jìn)行整合，在國(guó)家和社會(huì)的支持下開(kāi)展的活動(dòng)，能夠滿足現(xiàn)代生命科學(xué)高速發(fā)展對(duì)實(shí)驗(yàn)的高要求，從而實(shí)現(xiàn)技術(shù)和資源的互補(bǔ)，幫助學(xué)科發(fā)展。如針對(duì)微生物學(xué)、生物化學(xué)等生物工程專業(yè)中的具體學(xué)科，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲ㄟ^(guò)信息技術(shù)建立虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)和現(xiàn)象進(jìn)行深入分析和研究，從而獲得真知，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和技術(shù)的創(chuàng)新。

解決真實(shí)實(shí)驗(yàn)制約因素? 實(shí)踐出真知，生物工程專業(yè)涉及各項(xiàng)生物學(xué)科，需要在具體的實(shí)驗(yàn)中對(duì)知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證，得出一定的科學(xué)結(jié)論，并應(yīng)用到具體的產(chǎn)業(yè)實(shí)踐中。但是在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，由于受到材料質(zhì)量、外部環(huán)境和實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)操作人員的素質(zhì)等各項(xiàng)因素的影響，生物實(shí)驗(yàn)存在一定的偏差，在技術(shù)和操作上不如虛擬仿真實(shí)驗(yàn)精確。加大對(duì)生物工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)的力度，這種信息化教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的模式能夠充分發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，既提升實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度和針對(duì)性，又實(shí)現(xiàn)生物工程學(xué)科的現(xiàn)代化教學(xué)。

如在進(jìn)行生物學(xué)野外實(shí)習(xí)項(xiàng)目時(shí)，由于受到地域和實(shí)踐的限制，部分生物工程專業(yè)的學(xué)生難以親自去到具體的自然環(huán)境中，不能從實(shí)踐中獲得第一經(jīng)驗(yàn)，建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源庫(kù)則解決了這一問(wèn)題。如南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心就建立了相關(guān)的資源項(xiàng)目，通過(guò)運(yùn)用VR、航拍和WebGL等技術(shù)，收集了大量的生態(tài)環(huán)境和動(dòng)植物圖片、植物群落的調(diào)查信息和顯微結(jié)構(gòu)等，通過(guò)創(chuàng)建相關(guān)的資源平臺(tái)并上傳信息，學(xué)生能夠克服時(shí)間與空間的限制，實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)。這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了學(xué)科的信息化發(fā)展，為學(xué)生提供了更豐富的學(xué)習(xí)資源，解決了真實(shí)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐的制約因素。

3 生物工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)思路

發(fā)酵工程設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)? 在生物工程專業(yè)學(xué)科的現(xiàn)代化發(fā)展中，借助現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行優(yōu)化，能夠充分滿足生物學(xué)科和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的信息化與工業(yè)化發(fā)展需求。在針對(duì)發(fā)酵工程這一課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，要從教學(xué)計(jì)劃的安排、教學(xué)單元內(nèi)容的制定和授課模式、設(shè)備利用等多個(gè)方面開(kāi)展。首先為了幫助學(xué)生在充分掌握基礎(chǔ)知識(shí)的前提下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，教學(xué)計(jì)劃應(yīng)當(dāng)包含對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)和工藝流程的介紹，從而讓學(xué)生在具備一定知識(shí)基礎(chǔ)的情況下參與仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。以青霉素的發(fā)酵工藝為例，學(xué)生應(yīng)當(dāng)掌握基礎(chǔ)的青霉素生產(chǎn)工藝，如圖1所示。

而在課程內(nèi)容安排方面，可依照虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的對(duì)象和具體的工藝流程安排具體的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如按照青霉素的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)單元內(nèi)容。為了順利開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)，教師在授課模式上要積極創(chuàng)新，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)和資源為生物工程專業(yè)的學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個(gè)適合的情境，模擬和創(chuàng)設(shè)與實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景相似的環(huán)境和環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生理解知識(shí)。同時(shí)，要積極運(yùn)用各項(xiàng)設(shè)備，為學(xué)生創(chuàng)造良好的虛擬仿真設(shè)備。如利用多媒體課件和電子軟件教材來(lái)讓學(xué)生在虛擬條件下開(kāi)展學(xué)習(xí)，同時(shí)要利用好VR技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等收集具體的信息資源，為學(xué)生提供能夠充分了解發(fā)酵工藝和技術(shù)的虛擬仿真環(huán)境，讓學(xué)生在信息平臺(tái)上獲取更多的有效信息。

微生物工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)? 微生物工程是生物工程的重要部分，在開(kāi)展生物工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)活動(dòng)時(shí)，針對(duì)微生物工程的資源建設(shè)要充分順應(yīng)學(xué)科特點(diǎn)和發(fā)展局勢(shì)，依托自身的優(yōu)勢(shì)和特色，結(jié)合現(xiàn)有的教學(xué)資源和現(xiàn)有的實(shí)踐基地、信息平臺(tái)等來(lái)開(kāi)展。首先，高校可以充分發(fā)揮自身的學(xué)科優(yōu)勢(shì)來(lái)開(kāi)展虛擬仿真教學(xué)。如華中農(nóng)業(yè)大學(xué)依托學(xué)科和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，針對(duì)水稻設(shè)計(jì)了“水稻遺傳轉(zhuǎn)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”，從現(xiàn)有的轉(zhuǎn)基因水稻研究技術(shù)入手，結(jié)合當(dāng)前的學(xué)科成果對(duì)水稻愈傷組織的誘導(dǎo)和繼代、農(nóng)桿菌的侵染和共培養(yǎng)等技術(shù)進(jìn)行展示，使得學(xué)生能夠通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)學(xué)習(xí)更多有關(guān)水稻的知識(shí)。同時(shí)，許多高校為了開(kāi)展好生物工程學(xué)科的教學(xué)和產(chǎn)業(yè)化研究，建設(shè)了相應(yīng)的實(shí)踐基地，針對(duì)現(xiàn)有的實(shí)踐基地要做好改革創(chuàng)新，為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供支持。

生物學(xué)科需要對(duì)實(shí)物進(jìn)行研究，但是受到地區(qū)和時(shí)間、生態(tài)環(huán)境差異的影響，許多學(xué)生難以獲得適宜的生物實(shí)驗(yàn)材料。為此，高校可以利用現(xiàn)代信息技術(shù)來(lái)為學(xué)生創(chuàng)建一個(gè)虛擬的場(chǎng)景，幫助學(xué)生獲取更多信息。如利用VR技術(shù)，以3D動(dòng)畫(huà)的形式全方位地展現(xiàn)植株的特點(diǎn)，同時(shí)基于真實(shí)場(chǎng)景創(chuàng)建一個(gè)新的虛擬場(chǎng)景，讓學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)工具就能了解植物的植株信息、生長(zhǎng)環(huán)境等。

生物工程下游技術(shù)虛擬仿真資源建設(shè)? 生物工程專業(yè)不僅是一門(mén)幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握更多生物知識(shí)的學(xué)科，更是促進(jìn)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的重要保障。針對(duì)生物工程下游技術(shù)的虛擬仿真資源建設(shè)應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持以學(xué)生為主體，以“互聯(lián)網(wǎng)+”為依托，不斷優(yōu)化生物工程下游技術(shù)課程的教學(xué)方法和模式，幫助學(xué)生參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)。首先，高校要堅(jiān)持在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理念的指引下合理設(shè)置課程目標(biāo)，圍繞生物工程專業(yè)，堅(jiān)持以學(xué)生為中心開(kāi)展建設(shè)工作。如將學(xué)科建設(shè)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展結(jié)合起來(lái)，鼓勵(lì)學(xué)生參與具體的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新活動(dòng)，促進(jìn)生物工程學(xué)科的產(chǎn)業(yè)化、工業(yè)化發(fā)展。同時(shí)，要堅(jiān)持運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源平臺(tái)的建設(shè)。學(xué)校可以建立一個(gè)信息資源平臺(tái)，并上傳各類教學(xué)資源，豐富生物工程虛擬仿真教學(xué)的課堂模式，通過(guò)定期的檢查和考核，學(xué)生的學(xué)習(xí)成果也能及時(shí)反饋到學(xué)校管理部門(mén)。另外，通過(guò)發(fā)展網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，引入相關(guān)企業(yè)，能夠幫助學(xué)生將自己的創(chuàng)新成果進(jìn)行產(chǎn)業(yè)變現(xiàn)，發(fā)揮生物工程學(xué)科知識(shí)的產(chǎn)業(yè)價(jià)值。

4 建設(shè)成效與評(píng)價(jià)

針對(duì)生物工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行資源建設(shè)，順應(yīng)了生物工程專業(yè)的學(xué)科特點(diǎn)和當(dāng)前信息技術(shù)不斷發(fā)展的趨勢(shì)，是提升學(xué)生知識(shí)水平、實(shí)踐能力和產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平的重要措施。本文針對(duì)發(fā)酵工程、微生物工程和生物工程下游技術(shù)等三大生物工程專業(yè)重要課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)進(jìn)行了研究，獲得一定認(rèn)識(shí)，并提出具體的建議和實(shí)施策略。當(dāng)前這些資源建設(shè)策略還存在一定的瑕疵，但在生物工程專業(yè)的信息化發(fā)展和生物產(chǎn)業(yè)的優(yōu)化發(fā)展方面發(fā)揮了一定的作用。

5 結(jié)論

加強(qiáng)對(duì)生物工程虛擬仿真教學(xué)資源的建設(shè)是順應(yīng)時(shí)代發(fā)展、促進(jìn)學(xué)科優(yōu)化的重要措施。將現(xiàn)代信息技術(shù)與教學(xué)資源建設(shè)有機(jī)結(jié)合，不僅可為生物工程專業(yè)的學(xué)生提供更現(xiàn)代的學(xué)習(xí)環(huán)境和資源支持，更促進(jìn)了生物工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的信息化、工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，有利于將知識(shí)變現(xiàn)，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值，從而為生物工程專業(yè)學(xué)科的可持續(xù)發(fā)展注入更多活力。未來(lái)，高校和相關(guān)的專家教授應(yīng)當(dāng)聯(lián)合起來(lái)，不斷優(yōu)化虛擬仿真資源，促進(jìn)生物工程在學(xué)科建設(shè)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面獲得更大進(jìn)步。■

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