基于虛擬仿真技術的高校動物實驗教學探索

程碧君 李天嬌＊

（吉林農業科技學院食品工程學院，吉林 吉林 132101）

0 前言

事實已經證明，實驗教學對高校大學生實踐能力及觀察能力的提升能產生非常積極的影響，動物實驗在高校專業實驗教學中占有重要地位[1]。然而，由于資源短缺，各高校圍繞動物實驗開展的實踐教學始終未能達到高校期待的理想效果，在這種情況下，利用計算機技術展開虛擬化的實踐教學，已經成為大勢所趨。虛擬仿真實踐教學可以將被觀察的景物生動地展現出來，其正面、反面和側面，甚至內部都可以觀察，學習者的感覺和思維器官可以被充分調動[2]。

本研究以高等院校動物實驗課程的開發為原型，通過對高等院校課程動物實驗的分析，對3D交互技術、虛擬仿真技術和仿真實驗室等相關資料進行學習研究，客觀分析高校動物實驗傳統教學中存在的問題，從教學設計和教學實踐的角度研究開發虛擬仿真動物實驗，并進行測試和評價，為動物實驗與教學的創新提供了一種新思路。

1 高校動物實驗傳統教學中存在的問題

目前，有些高校的專業課程對理論學習過于重視，而忽視了學生實踐能力的培養。然而，學生具有的理論基礎與實踐能力應該是同等地位的。在現實生活中，由于學生缺乏實踐能力，無法解決實驗和實習過程中遇到的問題。究其原因主要是由于一些高校缺乏相關資源，對高校動物實驗傳統教學進行總結發現，主要存在以下幾方面問題。

1.1 學生對動物試驗技能培訓重視不足

動物試驗技能培訓對于學生專業技能的培養非常重要，尤其是動物醫學等專業。實驗對象為動物，學生對不同類型的實驗技能進行演習，以訓練學生的基本功，如洗手、消毒、器械擺放等準備步驟，同時，學生在實驗前應了解實驗對象。然而，由于許多學生由于個人害怕、恐懼或厭惡以及思想上的輕視等原因放棄了動手實驗的機會，只是觀看教師或其他同學進行實驗。

1.2 高校動物實驗相關資源匱乏

許多高校不太重視學生動物試驗技能的培養，主要是由于動物實驗樣本和動物房的數量不夠，以及受到教師人數和教學模式等原因的限制，導致學生動物試驗技能培訓方面欠缺，對動物實驗教學具有重要影響。

1.3 動物實驗周期較長

由于動物實驗課程涉及建立動物模型等內容，實驗周期長，實驗前期建立動物模型過程通常由教師完成，學生只能直接觀察實驗結果或利用已建成的動物模型完成后續實驗，無法參與整個實驗過程，造成實驗體系認知不完整、知識記憶碎片化[3]。

2 虛擬仿真實驗系統的基本概念和優勢

虛擬仿真（Virtual Reality），簡稱VR技術，是指以多媒體技術、虛擬現實技術與網絡通信技術等信息科技為基礎開發出的一種更高級的仿真技術[4]。1989年，美國教授威廉·沃爾夫提出以仿真技術為基礎打造虛擬實驗室的想法。而后，聯合國教科文組織對虛擬實驗室（Virtual Laboratory）做出如下定義：“為了實現遠程協作、實驗研究或其他創新活動，通過分布式信息通信技術產生并發布結果的電子工作”[5]。在虛擬仿真實驗教學方面，有些國家已進行相關研究。美國于20世紀90年代將虛擬實驗室列入科研發展戰略規劃，并在生物學等學科的實踐培訓方面應用虛擬仿真技術[6]。雖然中國的虛擬仿真技術起步較晚，但就發展前景而言，強有力的國家政策支持，其發展趨勢不容低估。虛擬仿真實驗教學的應用研究正處于適應新課標發展的階段，動物實驗教學中應用虛擬仿真技術有以下優勢。

2.1 有助于課堂教學效率的提高

虛擬仿真技術動物模擬教學能夠以清晰生動的形式，全方位展示動物實驗中動物器官的解剖學和形態學結構。虛擬仿真技術以動畫和三維模型為手段激發學生的學習興趣，通過更加直觀而且有效的方式使學生對器官結構有更加深入的理解，突破了過去只能通過限定的物理形態，掛圖或文字描述的授課方式，并且受到時間和空間的限制。因此，虛擬仿真動物實驗更有利于課程計劃的實施。

2.2 有助于個性化教學的開展

現代教育更加注重“因材施教”，提倡一對一的教育，采用靈活多樣的學習方式。因此，高校可根據學生學習條件的差異，開展有針對性的教學。而虛擬仿真技術可以創造一個適合學生自主學習的環境，通過學習鏈接學生可選擇自己的學習需求，依據對知識掌握的情況，隨時調整學習進度進而有效地開展教學。學生還可以通過測試模塊以檢測學習效果，對所學內容進行鞏固以掌握相關知識點。

2.3 減少了實驗教學投入

實驗教學是高等教育重要的教學手段之一，實驗教學課程的投入在高等院校課程教學總體投入中所占比例較高。然而虛擬仿真實驗室的開發和應用可以大大減少實驗課程整體投入。開發虛擬仿真實驗系統雖然需要一次性的投入，但是這種教學模式無須后續新的資金消耗，而且虛擬仿真實驗系統可以使教師和學生隨時開始實驗和進行測試，增加了課堂互動，尤其在疫情時間更有助于實現教育教學的經濟效益。

2.4 解決了實驗條件不足的困境

隨著學校發展和規模擴大，學生人數急劇上升，導致實驗條件不能立即達到相應的教學需求。比如在動物實驗教學中，為學生購買大型動物做解剖實驗成本昂貴，而且實驗配套設施有限，安全也存在隱患。然而在動物試驗中引入虛擬仿真教學模式可以模擬大型動物解剖的真實實驗場景，將交互式3D模型設計導入計算機，學生可以通過操作計算機實現在模擬的實驗環境中進行動物解剖實驗，這樣可以充分利用虛擬仿真技術在實驗教學中的優勢，達到與真實實驗教學相同的效果，讓學生感受身臨其境的課程實驗體驗。

3 基于虛擬仿真技術的動物實驗教學建設與應用

3.1 虛擬仿真動物實驗的構建

虛擬仿真實驗結合了計算機仿真技術、模擬現實技術和多媒體技術，找到多項模擬和仿真技術的切合點，模擬一個非現實的實驗體系。在模擬現實的體系中，實驗操作步驟與真實環境中的操作步驟相同。根據不同的劃分標準，虛擬仿真實驗室被劃分為幾種類型。雖然虛擬實驗室種類繁多，創建方法各異，但構建虛擬實驗室的過程基本相同，構建過程中都是基于3ds Max和Virtools。開發虛擬實驗室包括四個階段：首先需要建立三維模型和創建相應的圖像，隨后將三維模型和相應的圖像導入Virtools，緊接著進行交互式3D模型設計，最后實現虛擬實驗室發布。

3.2 虛擬仿真動物實驗的效果評價

動物實驗教學應用虛擬仿真技術，有以下幾個優點：首先，學生可以通過人機交互模式對動物的結構有一個更加細致的了解，這能在一定程度上幫助他們克服畏難心理，讓他們以更加飽滿的熱情參與到動物實驗的學習中來。其次，虛擬仿真技術能幫助教師打造情景教學模式，降低教師講解專業知識的難度，并提高學生們學習專業知識的效率。再次，虛擬仿真技術創造出來的虛擬實驗環境，能打破實驗器材缺失給學生實驗教學造成的阻礙，讓學生獲得動物標本的真實體現，進而提高學生在實驗器材選擇、實驗方案設計等多個方面實踐能力，讓他們成為社會所需要的實踐性人才。最后，虛擬仿真技術的應用可以讓章節知識點、習題、學生的日常作業成為反映學生動物實驗水平的重要依據，這對教師全方位了解學生的學習情況對課堂進行針對性調整，能產生非常積極的影響。除此之外，虛擬仿真技術的應用可以降低學校花在動物實驗教學上的花銷，將經費用來支持教學技術的創新和教學模式的改良，這也是在動物實驗教學的過程中動用虛擬仿真技術的積極影響之一。總而言之，虛擬仿真技術，能夠調動學生參與動物實驗課程的積極性，讓學生的知識積累變得更加豐富，也能夠提高學校的辦學質量和教師的教學效率。因此，在動物實驗教學的過程中，教師應積極引入虛擬仿真技術，使學生具備更強的專業能力。

4 結語

總之，實驗教學是將理論知識付諸實踐的過程，將虛擬仿真技術應用于動物實驗，能讓學生根據所需，全方位多角度的獲取與動物實驗相關的知識點，從而提升他們學習動物實驗知識的底氣和熱情。除此之外，虛擬仿真技術還能幫助教師打造情景式、開放式的教學模式，從而提高學生學習的積極性，提升動物實驗這門課程的教學效果。

圖1 虛擬仿真動物實驗的創建流程