生物類虛擬仿真實驗建設與探索

陳卉 魏淑東 王彩麗 陳莎 李進

摘 要：針對生物學科和虛擬仿真實驗技術的特點，以虛擬仿真實驗教學項目共享平臺內生物科學類虛擬仿真實驗為例，開展生物類虛擬仿真教學實驗的建設情況和特點分析，探討在實驗室課堂如何利用優質線上資源。本研究將為建設虛擬仿真實驗課程，有效利用國家虛擬仿真教學實驗資源開展互聯網+實驗室的混合式學習提供一定的參考。

關鍵詞：生物學;實驗課程;虛擬仿真;混合式學習

1 緒論

教育部在《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》（教高〔2012〕4號）中明確要求“建設優質教育資源共享體系”，在《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》明確提出，“要建設虛擬實驗室”“把教育信息化作為國家信息化的戰略重點和優先領域全面部署、加快實施”。同時，教育部辦公廳也于2017年發布了2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設通知。目前已在虛擬仿真實驗教學項目共享平臺已上線的虛擬仿真實驗項目有2057項。生物學是自然科學中實驗性很強的基礎學科。然而，傳統生物學實驗教學在開展過程中存在危險性、成本高、周期長等問題。已發現虛擬仿真實驗技術在生物學、醫學、等領域具有良好的推廣應用前景，它可用于彌補傳統實驗課程的不足。因此，本文針對生物學科和虛擬仿真實驗技術的特點，以生物科學類虛擬仿真實驗為例，開展了生物類虛擬仿真教學實驗的建設情況和特點分析，將為今后建設虛擬仿真實驗課程，并有效利用國家虛擬仿真教學實驗資源，開展互聯網+實驗室的混合式學習提供一定的理論參考。

2 生物學實驗教學的特點

2.1 生物學的學科特點

生物學是研究生物結構、功能、發生和發展規律的科學，它也是自然科學中實驗性很強的基礎學科之一。在生物學教學過程中，需要通過實驗教學，讓學生理解基本概念、原理、基礎專業知識，同時鍛煉學生的動手能力、觀察能力和實踐創新能力。實驗教學是幫助學生理解理論知識，培養動手能力、觀察能力和創新實踐能力的重要途徑。因此，實驗教學質量的好壞，成為衡量生物學人才培養質量高低的重要指標。

2.2 傳統生物學實驗教學的特點

實驗教學是生物學專業教育中必不可少的重要環節。然而，傳統生物學實驗教學存在以下幾個方面的問題：（1）危險性高：生物學實驗中的顯色劑、提取試劑、流動相等的毒性較大，且大型儀器一般涉及有毒、易燃、易爆危險氣體。（2）成本高：稀缺實驗資源、大型實驗儀器設備、配件、耗材、維護等費用高。（3）大規模實體實驗課程開設受限制：有些實驗周期長，大型儀器設備人均臺數不足，實驗操作要求精細。（4）實驗項目以驗證性實驗為主，無法滿足學生自主實驗和創新實踐的要求。

3 虛擬仿真實驗技術的特點

3.1 虛擬仿真實驗技術的特點

虛擬仿真實驗技術是一種基于真實環境和真實用戶體驗的技術手段，通過計算機等硬件和軟件可以用于輔助、部分替代甚至全部替代傳統實驗各操作環節。目前，已發現在生物學、醫學等領域具有良好的推廣應用前景。隨著虛擬仿真技術的發展，也有越來越多的高校和研究院所建立了虛擬仿真實驗室，采用互聯網+實驗室的方式來輔助實驗教學。

3.2 虛擬仿真實驗技術對傳統實驗課的補充

首先，虛擬仿真實驗技術能夠通過虛擬仿真進行安全培訓、實驗預習、大型儀器演示等以提高學生的操作技能，提高實體實驗的安全性。其次，虛擬實驗可以減少實驗材料的浪費，節約成本。最后，可通過虛擬仿真開設周期長、難度大實驗。此外，虛擬仿真實驗可以滿足學生的個性化學習，能夠支持探究性學習和小組合作學習，豐富實驗課程的教學形式?？梢?，虛擬仿真實驗能夠有效地彌補傳統實驗教學中的不足，是傳統生物學實驗教與學方式的革新和發展。

4 實驗空間生物類虛擬仿真實驗建設情況

4.1 國家虛擬仿真實驗教學平臺的特點

實驗空間，即國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺，是國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務體系建設支撐平臺。國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺涵蓋的學科全面，專業類型豐富，而且覆蓋了各個層次的高校。所有訪問者都可以進入實驗空間內的各項虛擬仿真實驗，瀏覽、學習、測驗、評價等。

4.2 生物科學類虛擬仿真實驗課程建設情況

2017—2020年示范性虛擬仿真實驗教學項目建設規劃建設1000門，目前，在實驗空間已建設的虛擬仿真實驗教學課程達2057門。在已建設虛擬仿真實驗教學課程的專業中，醫學技術類、化學類、土木類、交通運輸類虛擬仿真實驗教學課程建設數為規劃數的6倍。生物科學類虛擬仿真實驗教學課程規劃建設30門，截至2020年11月，實際已建設73門。進一步按照專業分類，生物科學專業相關虛擬仿真課程最多，共44門，占生物科學類總數的60%，其次為生物技術專業和生態學專業，分別有24門（33%）和5門（7%）課程（圖1）。

4.3 生物科學類虛擬仿真實驗課程使用情況

虛擬仿真實驗教學共享平臺上線的生物科學類虛擬仿真課程總瀏覽量達790556人次，平均達10980人次（圖2）。其中，瀏覽人數超過4萬人的課程，包括暨南大學開設的《濱海動物野外實習虛擬仿真》實驗（48553人次）和河南師范大學開設的《淀粉酶高產菌的篩選、誘變鑒定及應用虛擬仿真實驗教學項目》（45411人次）。在生物科學類課程中，瀏覽人數超過3萬人的課程，還有河南大學開設的《動物細胞培養》（34180人次）和山東大學開設的《黃河三角洲濕地生態系統演替與修復實驗》（33635人次）。

5 結語

在生物學專業教育中，實驗教學是必不可少的重要環節之一，它有助于學生理解理論知識，并將其與實踐結合。然而，傳統的生物學實驗教學或課堂在開展過程中存在危險性、成本高、周期長等問題。生物學虛擬仿真實驗可用于彌補上述傳統實驗課程的不足。目前已上線了非常豐富的生物科學類虛擬仿真實驗課程，應在分析這些線上實驗課程教學平臺的基礎上，針對本校生物學科教學體系特點，構架適用于本校生物學實驗的虛擬仿真實驗教學體系，選取仿真實驗教學資源，為適合本校平臺的生物學實驗虛擬仿真實驗平臺的建設提出科學依據。此外，也應充分利用好已有線上平臺的優質虛擬仿真教學資源，開展“互聯網+實驗室”的混合教學模式探索。通過虛擬仿真實驗直觀、系統地講解理論知識和操作實驗步驟，結合線下的理論教學和實驗室操作進一步鞏固所學原理和實驗操作，以提高學生的興趣和時間利用效率。同時，這將為提高實驗教學質量，激發學生的自主學習能力和創新實踐能力提供新方式，也為改進生物學實驗教學方式，提供一定的幫助和參考。

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基金項目：全國高校實驗室工作研究會農業高校分會研究項目（NYSY1920）;長江大學教學研究項目（JY2018007）;長江大學課程思政示范建設項目和湖北省高等學校實驗室工作研究會項目（HBSY2019-03）

作者簡介：陳卉（1986— ），女，福建南平人，博士，副教授，現任職于長江大學生命科學學院，主要研究方向為濕地生態學。