虛擬仿真實驗教學的建設與應用現狀研究

謝久鳳，張繼冉，謝 慧，李海霞

(河南農業大學 生命科學學院，鄭州 450002)

國家虛擬仿真實驗教學中心建設工作的要求與當下教育改革發展相一致，在教育信息化工作的總體布局中占有重要地位[1-2]。為了使實驗教學中心建設增加新的內容、充滿新的活力、建設更加全面，教育部又提出建設國家級虛擬仿真實驗室[3]，模擬真實實驗場景，規范實驗操作過程，使學生有身臨其境之感，完成在現實生活中實驗室不可能完成的高危或條件達不到的但教學中又必須要學生掌握的實驗內容[4]。這樣能達到教學大綱的要求，提高教學水平，拓展學生實踐能力，開闊思維眼界，確保學生安全，降低教學成本，節省國家資源，是一舉多得的實用型、安全型和經濟型的實驗項目[5]。

1 建設發展虛擬仿真實驗教學中心的指導原則

A.科學合理規劃。制定合理的與地域分布、學科交叉、專業相結合的計劃，制定激勵措施，確保項目持續有效發展。

B.資源共享。資源建立不能只局限在某學校或某地區，要有共享理念，獲得優質實驗教學資源的單位要開設共享平臺供大家有償使用，補償資源創建的資本，實現知識共享，激勵更多優質產品的開發。

C.突出重點。建設要將重點放在教學資源和教學服務上，但教學師資隊伍和平臺建設管理體制也同樣重要，不能顧此失彼，要實現均衡發展。

D.提高效益。要充分發揮實驗教學中心的示范帶頭作用，擴大優質實驗教學資源的使用范圍，以達到提高高校學生的社會實踐創新能力，促進高等教育教學質量提高和高校實驗教學改革創新的目的[6]。

E.持續發展。制定評定方法，嚴格篩選，寧缺毋濫，挑選出優秀合格的虛擬仿真實驗教學中心。制定優惠政策，籌措經費，專款專用，大力支持各地區開展實驗教學信息化建設工作，鼓勵教育部門和高校重視此項工作，確保教學實驗中心信息化建設工作持續有效發展[7-8]。

以河南農業大學生命科學學院國家實驗教學示范中心為例，2014年生命科學學院積極響應國家教育方針政策的號召，在全院師生共同努力下獲批國家級生物學實驗教學示范中心。

2 實驗教學示范中心基本情況

2.1 發展定位

以一流的人才培養為目標，以一流的專業建設為抓手，以培養學生成長成才為起點和目標，進一步深化生物工程專業實驗教學的改革與創新，主動融入生物行業區域經濟發展，建立本科生實驗教學體系。打造優質資源共享的綜合實驗教學平臺，把中心建設成為具有一流的師資隊伍、一流的辦學條件、一流的教改成果、一流的教學質量的國家級教學示范中心。

2.2 建設思路

按照學生中心、目標導向、統籌規劃、優化資源、突出特色，強化內涵、充分開放、追求卓越的原則，堅持基本能力訓練-綜合能力提高-實踐能力加強-創新創業能力培養的實驗教學主線，構建校內實驗和校外實驗相互促進的雙線實驗教學人才培養體系，不斷提高實驗教學水平培養質量。

2.2.1 校內實驗改革思路

A.更新實驗教學理念。以學生實踐能力、創新能力的培養為主線，堅持理論與實踐相結合的實驗教學理念，優化人才培養方案。

B.完善實驗教學體系。生物學實驗教學中心將教與學結合，充分發揮教學的積極性，采取研究式、自主式等多種教學方法，形成完整的實驗教學體系。

C.豐富實驗教學內容。根據人才培養方案，制訂了內容規范、自主靈活的實驗教學大綱。大綱中除了規范教學內容外，也強調了教學安排的自主性及靈活性，出版了系列實驗教材。

D.改革實驗教學方法與手段。以能力培養為核心，優化實驗教學項目。依據實驗硬件條件，開設了設計性實驗、綜合性實驗、驗證性實驗、創新性實驗等多層次實驗課程與項目，以啟發學生的創新思維。

以學生為中心，推進體驗式實驗教學模式。采用教學練做四階段教學法，推進體驗式教學；構建了課堂-實驗中心-實習基地的實驗教學鏈；將實驗教學與畢業設計掛鉤，提高畢業設計質量；產學研結合，努力提高教學成果的社會轉化率。

以技能培訓為重點，保證實驗教學手段的先進性。所有課程都制作相應的PPT教學課件，所有實驗項目都制作視頻教學錄像；注重實驗操作技能培訓，推行啟發式、交互式和案例式等多種形式的實驗教學方法。

以健全實驗考核機制為關鍵，提升學生興趣。根據專業特點，制定相關的實驗考核辦法，教師評分要公正合理，注重過程。考核采用平時成績與考試結果相結合的方式，全面反映學生的學習狀況。

2.2.2 校外實踐

實踐教學基地：河南鄭州正九酒業有限公司、河南邦友農業生態循環發展公司、河南中原環保五龍口水務分公司。

具體做法：

(1)河南鄭州正九酒業有限公司白酒制作工藝流程：

原材料：高粱、小麥、玉米、大米，高粱選自東北，日照長，質量好；粉碎：均勻粉碎成4、6、8瓣；蒸煮：上鍋蒸有6個要求，即勻、薄、平、輕、松、準；發酵(入池發酵)：濃香型酒入池溫度要20℃以下，醬香型酒要堆積進行二次發酵，又稱二次培菌，目的是提高糖化率；蒸餾：蒸酒時溫度要控制在25℃，避免因溫度過高而導致水分蒸發；入壇、脫新(老熟)：新蒸的酒含有雜醇以及對人體有害的物質，需要放置6～12個月，使這些物質揮發出去；勾調：通過調味使不同品質的酒達到統一口感；包裝：裝瓶，銷售。

在鄭州正九酒業有限公司主要參觀蒸酒車間、原酒庫及營銷中心三個部分，讓學生了解到白酒制作的環節和步驟及注意事項，并結合在學校發酵工藝課程上所學的專業知識進行分析，加深對理論知識的理解。

(2)河南邦友農業生態循環發展公司杏鮑菇生產工藝流程：

基料：將玉米屑、木屑以2∶1混勻，再將混勻物和精料(玉米粉、豆粕粉)按照3∶2混勻，注水攪拌均勻，含水量70%，用攪拌鍋攪拌均勻；裝袋：將上述基料用食用菌自動裝袋機裝袋；滅菌：用滅菌鍋將裝袋的基料120℃高壓蒸汽滅菌8 h；接菌：用物流線將滅菌的基料送入接菌車間進行菌種接種；培菌：將接過菌種的料袋送入養菌房，無光照，21～23℃培養35 d，直至料袋長滿白色菌絲；壓袋：將料袋一端壓下去，避免杏鮑菇長滿袋口分散營養；長菇：將長滿菌絲的料袋送入養菇房培養15 d，養菇需要光照，溫度13～15℃。出菇方式有網格出菇和床架出菇兩種方式，前者產量更高，后者菇型更好；采摘：每袋采菇2～3個，分為5個等級；包裝：將不同等級的杏鮑菇進行不同的包裝，銷售省內外。

學校開設了食用菌栽培與加工課程，為了讓學生更好地掌握課堂知識，學校與企業合作，組織學生參觀學習，明確杏鮑菇生產工藝流程和注意事項，強化無菌操作意識，因地制宜將理論知識靈活運用到實踐應用中。

(3)河南中原環保五龍口水務分公司(污水處理廠)污水處理過程：

進水：生活污水、雨水等；粗格柵：回旋式機器，倒靶齒狀，間歇運行，除去水中直徑大于20 mm的漂浮物；高位井：利用重力自流原理節流降耗；細格柵：除去水中直徑大于6 mm的漂浮物，避免后期設備磨損；旋流沉砂池：利用離心力將沙礫甩向池壁從而排出收集；生物池：分為前置缺氧池、厭氧池、好氧池三個部分，主要功能是通過微生物的新陳代謝作用，將污水中的有機物氧化分解為水、二氧化碳、硝酸鹽和磷酸鹽，從而將有機物去除，同時在缺氧池和厭氧池完成脫氮和脫磷；二沉池：污水呈泥漿狀，刮吸泥橋，中間進水，周邊出水；清水池：過濾消毒，再生水。

學生到中原環保五龍口水務分公司學習參觀，觀看了公司介紹影片以及《小水滴歷險記》中的動畫片段，形象貼切地介紹了污水處理的過程。通過參觀學習，學生對企業生產發展有了具體的認識，也意識到了自身的不足之處。

實踐教學是撬動人才培養質量的重要支點，而建設好實踐基地是推動實踐教學改革的先決條件[9]。要想使基地建設出成效，教學改革出成果，有四點至關重要：(1)學校對實踐教學的重視度是根本，唯有學校重視，才會形成持久的推動力；(2)政府對基地建設的扶持力度是基礎，唯有政府扶持，才會形成強大的支撐力；(3)基地對合作企業的貢獻度是關鍵，唯有企業認同，才會形成長久的生命力；(4)校企對實踐教學的協同度是保證，唯有校企協同，才會形成不竭的創造力。只有把握好了以上四點，才能真正解決好基地建設的投入問題、機制問題、動力問題和持久發展問題。

2.3 信息技術發展與虛擬仿真實驗教學創新

根據虛擬仿真實驗教學的應用共享特征、實驗方式、開發的技術平臺、資源設置等方面，匯總了國內外高校虛擬仿真實驗的類型和形式，如表1所示。

2.4 虛擬仿真實驗教學資源與管理平臺框架虛擬仿真實驗教學資源建設

河南農業大學機電工程學院擬申報“暗-光聯合生物制氫虛擬仿真綜合實驗項目”。“暗-光聯合生物制氫虛擬仿真綜合實驗項目”依托農業工程訓練中心、生物質能源河南省協同創新中心、河南省生物質能源與納米材料國際聯合實驗室、河南省農村可再生能源重點實驗室等科研實驗平臺，緊密圍繞實驗教學和訓練，以虛擬仿真實驗為創新和有效補充。

以“暗-光聯合生物制氫虛擬仿真綜合實驗項目”建設為契機，更新整合實驗內容，優化實驗設備配置，增加設計性、創新性虛擬仿真實驗，優化實驗手段，實施分層次模塊化教學，構建符合時代特點、特色鮮明的實驗教學課程新體系。依托虛擬現實、人機交互、多媒體、數據庫和網絡通訊等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，學生在虛擬環境中開展實驗，達到教學大綱所要求的教學效果。

表1 國內外高校虛擬仿真實驗的類型和形式Tab.1 Types and forms of virtual simulation experiment in colleges at home and abroad

“暗-光聯合生物制氫虛擬仿真綜合實驗項目”以生物制氫理論為基礎，基于暗-光聯合生物制氫機理設計的聯合生物制氫反應器，模擬完整的暗-光聯合生物制氫流程，幫助學生理解抽象的生物制氫知識，掌握暗-光聯合生物制氫反應器的正確操作流程和各項數據調節的規律。

河南財經政法大學跨境電商海外倉虛擬仿真實驗， 利用ebay、wish等跨境電商平臺真實鏡像數據，模擬跨境平臺海外倉運營管理過程，幫助學生熟悉跨境電商供應鏈管理流程和規則，培養學生在跨境物流海外倉的物流活動信息化、智能化方面的操作和應用能力，增強教學的趣味性，使教師對教學有更好的把控性，從而提高教學效率和教學質量。

課程的目標是讓學生在完成跨境電商海外倉虛擬仿真課程時，提高學生的智能物流系統策劃設計能力及協調組織能力，強調學生對系統仿真等現代化物流信息技術的駕馭能力，增強學生的創新能力和就業競爭力。這樣有助于電子商務和物流專業的復合型人才培養，降低電子商務企業、物流企業、第三方物流企業、制造企業、商品流通企業的物流成本，為物流產業轉型升級服務。

2.5 虛擬仿真實驗教學管理信息系統建設框架

推進全新的教學研究方法和學習方式，將方法傳授給學生，利用線上各類虛擬仿真實驗教學資源，引導學生自主學習，鼓勵學生自行解決問題，培養學生獨立思考、自主學習的能力和意識[10]。

實現教學資源共享理念，優化教學軟件，提供全方位的虛擬實驗教學輔助功能[11]，設置不同類型實驗教學軟件與學生學習平臺連接，清除系統間的連接障礙，整合高校實驗教學資源，以滿足各校、各院系對虛擬實驗教學資源的管理、建設、更新、發布等需求，實現跨地區、跨校、跨專業的無障礙資源共享。

建立虛擬仿真實驗教學資源數據庫，規范制度，實現任務部署和資源調度，支持資源交叉訪問和檢索，方便使用者在線操作學習。可設置測試、組合、創新等功能，改變傳統管理模式，實現新型網絡化管理和應用。

3 結語

依托虛擬現實，利用多媒體和網絡通訊等技術，虛擬出高度仿真的實驗環境，使學生在虛擬環境中身臨其境地完成教學大綱所要求的實驗內容，更好地掌握理論知識，為實踐應用奠定基礎[12]。