虛擬仿真技術在生物實驗教學中的應用

李亞琳 李 丹

虛擬仿真技術在生物實驗教學中的應用

李亞琳 李 丹

（渭南師范學院環境與生命科學學院，陜西 渭南 714099）

文章分析了現代計算機模擬技術融入生物實驗教學的必要性。秉承以學生為主體的教育教學理念，基于虛擬仿真技術構建實踐教學體系，能解決生物專業實驗教學經費短缺和安全因素導致的實驗限制之間的矛盾。實踐實驗教學體系的改革，教學成果和虛擬仿真技術的開發及推廣應用，有利于降低實驗成本、節約自然資源，并能提高人才培養質量。這種新型的現代化信息教育改革模式為高校生物專業發展提供有利可行的實踐探索經驗。

虛擬仿真；實驗教學；教學改革；生物實驗

引言

生物作為一門實踐性及應用性較強的學科，加強實驗教學不僅能加深學生對理論知識的理解，也能全面地培養學生的動手操作能力、知識應用的能力、以及分析問題和解決問題的能力，提高學生的創新性和科研思維。然而生物實驗教學仍存在許多問題，如儀器數量達不到規定實驗教學要求、實驗周期長、實驗學時不足、儀器運行、維護成本髙、實驗經費不足和實驗教師缺乏專業素養等。

為了解決生物實驗實施過程中的問題，高校應該結合現代信息科技，通過引入虛擬仿真技術，結合學校教育發展前景，構建符合自身的實驗教學體系，幫助學生更好地學習知識。隨著計算機科技的發展，仿真技術已經自成體系，成為數學推理與科學實驗之后，人類理解客觀自然規律的第三種基本方法[1]。由此可見，挖掘虛擬仿真技術在實驗項目中的具體應用，加強生物實驗中應用軟件的開發，促進生物學實驗與虛擬仿真技術的深度融合，是未來生物實驗發展的方向。因此本文分析了虛擬仿真技術在各類生物實驗教學中的應用及其發展前景，從理論上為其在教學中的實際應用提供了思路，促進形成虛擬與真實互補的生物學實驗教學模式，為培養出新形勢下的創新型人才提供思路。

1 虛擬仿真技術在生物各類實驗教學中的應用

虛擬仿真是20世紀40年代隨著計算機技術而發展起來的技術，主要是利用計算機的處理對事物進行模擬，通過構建在操作軟件上的程序或指令模擬現實中的實驗操作，達到與現實操作同樣的實驗目的。這種技術在模擬的實際場景中實施，功能強大，內容豐富，操作性強，資金投入少，在很多行業都受歡迎。虛擬仿真技術在生物學各類實驗教學中也得到了廣泛的應用。

1.1 生物形態認知類實驗教學

生長季節和發育期對植物試驗材料的影響很大。在花蕊發育的實驗中，學生僅能利用永久裝片來觀察典型發育時期的花蕊，而觀察不到完整的發育過程。這嚴重影響了學生掌握植物生殖器官的這一重要實驗內容。如果結合虛擬仿真技術，就可以將優質玻片標本轉化為數字切片標本，無需顯微鏡即可進行植物顯微結構的觀察實驗。學生在屏幕上觀看瀏覽數字切片，隨意切換方向、大小，有利于學生仔細觀察生物組織的各部分形態，還能進行文字標注、測量等，使學生更容易觀察植物的顯微結構[2]。此外，學生間還可以共享高質量的玻片標本，大大提高了植物學實驗的教學效果。在動物形態方面，如果用虛擬模擬技術構筑如“兔子形態結構和功能”的實驗項目，則可以更好地理解在實際實驗中觀察不到的結構，甚至結構和功能的協調變化過程等[3]。

將虛擬仿真實驗技術應用于形態學實驗具有以下優點：第一，有真實感，結合虛擬仿真技術和動植物形態學，讓學生在虛擬環境中有真實感受；第二，有交互性，學生可以自行選擇實驗項目所需的消耗材料和試劑，進行獨立的實驗設計。有助于學生思考實驗原則；第三，有逼真性，虛擬環境與模擬現實非常相似，學生可以通過模擬實驗恢復實驗環境，在實際操作之前感知實驗場景，充分理解實驗的預期結果。

1.2 生物學野外實習教學

野外實習是理論和實踐相結合的重要環節，是提高生物學專業學生實踐能力的重要內容。如植物分類學實驗具有直觀性、開放性和綜合性等特點，氣候和植物生長環境對其造成了較大影響，植物學野外實習經費也是限制因素之一。如果這類實驗能結合虛擬仿真技術，就可以節約時間和運行成本，并緩解各種教學資源的短缺，同時消除實驗過程中的安全隱患，改善教師對學生監督、評價的模式，使學生掌握先進的生物學技術，提高學生的創新精神。例如，東北師范大學建立了數字化標本館和鳥類鳴叫庫等虛擬仿真資源。華中師范大學對神農架不同季節的野生環境和動植物進行了虛擬模擬，用于研究神農架的野生動物。南京農業大學建立了天目山、黃山等生態區的生物學野外實習的虛擬仿真實訓系統和天目山虛擬生物標本庫[4]。采用虛擬仿真技術模擬生態領域，不受時間和空間的限制，減少了采樣，緩解了自然資源保護和實踐采集的矛盾，提高實習效率和質量，促進生物野外實習教學模式的改革與創新。

1.3 生物組織解剖實驗教學

解剖學實驗教學的主要目的是使學生掌握動物器官（心臟、胃等）和系統（消化系統、生殖系統等）的特征和分布。傳統解剖學教學強調教師在課堂上的理論闡釋，教師利用照片、標本、模型等向學生展示盡可能多的動物器官和系統的結構并建立尸體解剖的實用操作環節，幫助學生腦海中建立復雜的人體結構和動物結構。但因為解剖尸體標本數量的限制，降低了人體解剖學教學的效果[5]。冷凍切片技術和虛擬仿真的三維圖像處理技術的出現，為解剖學教學提供了轉折點。虛擬解剖學教學也就是利用虛擬仿真軟件處理人體切片信息，形成具有立體效果的生理結構數字模型，可以直觀地向學生展示人體器官的空間結構。學生可重復對數字人體進行解剖操作，既節約大量的尸體資源，又容易操作。使用高度模擬的儀器和樣本進行實驗操作時，學生還可以通過人機對話，從不同的角度和方向仔細觀察虛擬人體的系統、器官和組織結構，甚至還可以對其組織結構進行拆裝，深層次地對內部結構進行觀察、重組，該實驗方法的效果明顯優于傳統的觀察教學模式。

1.4 食品生產應用類實驗教學

利用微生物發酵生產食品，是生物專業學生本科階段需要掌握的實驗，但實際上微生物在食品生產中的應用實驗很難進行（如利用酵母菌發酵生產酒類；微生物在傳統食品，如豆瓣醬、腐乳、醋、發酵火腿等生產中的應用；工業生產上微生物的在線控制；食品致病菌的檢測）[6]。現在大部分微生物實驗課程都是基于基礎實驗開設的，例如培養基的配置、革蘭氏染色、細菌總數測定和大腸桿菌的檢測等基礎操作性實驗。傳統實驗教學內容的設定明顯不足，沒能強調實踐能力的培養。虛擬仿真實驗教學平臺的設計突破了時間、空間和距離的限制，為學生提供了模擬、設計、分析實驗的平臺，既還原了實際的實驗環境，讓學生有直觀的浸入感，并能自主設計實驗內容，也可以幫助教師設計更全面的多級實驗。在實驗教學中，由于生物學上的危害，很多實驗不能進行。采用虛擬模擬技術進行相關實驗，如檢測引起食物中毒或人畜共患病的病原微生物等，具有低污染、高安全、無“三廢”的優點[7]。

1.5 分子生物類實驗教學

分子生物類的實驗涉及的原理比較抽象，實驗材料和試劑使用劑量非常少。如DNA用納克計算，聚合酶鏈式反應（Polymerase Chain Reaction，PCR）實驗試劑用微升計算，還有一些實驗反應肉眼看不見。例如“PCR擴增實驗中DNA是如何變性，復性和延伸”“在構建DNA重組子的實驗中，DNA片段是如何與載體DNA結合的”，這些肉眼都看不見，只有在實驗結束后才能確認實驗的成功與否。利用虛擬仿真實驗進行教學，結合傳統的實驗操作，可以從視覺上展示實驗反應過程和實驗原理，對于實驗是否成功也不用在實驗結束后再借助電泳檢測等手段來判斷，而是直接在過程中就能發現問題所在，既豐富了教學手段，又能激發學生的學習興趣，使學生主動學習，讓學生更深入地理解實驗和原理，最終掌握和應用分子生物學的知識。

有些分子生物類的實驗要使用有毒有害的化學試劑，如果操作不當的話，則容易發生安全事故。例如，瓊脂糖凝膠電泳時用到致癌物質溴化乙錠，蛋白質的提取用到有毒易爆的丙酮。杭州師范大學將虛擬模擬技術應用于分子生物類實驗，降低了公安部所管制的危險化學品的使用率，如丙酮和溴化乙錠等[8]。這種不需要接觸危險化學品的虛擬模擬實驗課，學生可以通過模擬操作和觀察，更好地了解危險化學試劑的操作和使用。因此，虛擬模擬實驗教學減少了實驗的危害，有利于提高學生對實驗的理解能力。

1.6 使用大型儀器的實驗教學

一些生物實驗會涉及到昂貴的化學試劑和大型儀器。例如，反轉錄聚合酶鏈式反應（Reverse Transcription-Polymerase Chain Reaction，RT-PCR）實驗要用到價格不菲的反轉錄試劑盒，熒光定量PCR實驗要采用價格昂貴的熒光定量PCR儀[9]。使用虛擬仿真技術便無需購買高價化學試劑或大型儀器就可以進行實驗。在虛擬實驗中，學生不僅接觸到了更先進的分子生物學技術，還豐富了教育資源，大大減少了實驗投入。通過虛擬仿真生物實驗設備展示的使用方法和注意事項，學生可以直觀地看到機器的操作方法。老師不僅可以評價學生對實驗步驟的完成度，還可以評價學生對實驗器具操作的熟練度，達到改革實驗評價方法的目的。

2 虛擬仿真技術在生物實驗實踐教學中的發展前景

近年來，生命科學發展迅猛，傳統的教學方式已經無法滿足當前教育和教學發展的需要。為了拓展學生的空間思維想象，培養學生的創新能力和實踐能力，讓學生快速掌握最前沿的生物科學技術，不少高校已經開始建設生物虛擬仿真實驗室。虛擬仿真技術模擬的實時交互模塊要比文本、效果圖像或模型更直觀、生動、有趣，能夠創造特殊的自主學習環境，也能把傳統的學習模式轉換成新的學習方式[10]，通過這種學習方式，學習者可以利用與技術信息的對話來獲得知識和技能。

2.1 突破空間限制隨時進行實驗

虛擬仿真實驗室不受空間限制，只需要有移動終端，學生就能隨時隨地進入實驗平臺開始實驗操作，而且所有學生不受設備數量的限制都有操作實驗的機會，還可以在虛擬平臺中多次重復實驗，這不僅加深了學生對生物實驗的理解，也提高了學生的創新能力。

植物的季節性生長期對獲得植物材料的影響很大，為了隨時隨地能觀察到植物的根、莖、葉、花等的形態結構，可以結合虛擬仿真技術，將這些結構圖片數字化，學生只需要觀看視頻，就能很清楚的觀察到植物各部分的結構。如果結合3D圖片展示，學生還可以在不同方位觀察到某一結構的完整形態，進一步把不同發育時期的數字圖片組合起來，學生就能夠很快地觀察到植物生長發育的變化過程。另外，結合顯微照片，還可以對某一部位進行放大，有利于學生觀察其顯微結構[11]。在動物形態結構觀察中，如果能結合虛擬仿真3D展示技術，便可以對抽象難懂的結構進行直接的視頻觀察。如魚鰓的結構、哺乳動物肺泡結構等，學生在數字圖片中，可以很完整的看到這些結構的立體形態和結構，有利于理解這些結構及其生理機能。

暨南大學黃柏炎制作的“濱海動物野外實習虛擬仿真”視頻，學生如親臨其境，完整的看到了海洋動物實況[12]。陜西師范大學李金剛教授的“秦嶺生物學野外實踐教育虛擬仿真實驗教學項目”，讓學生在虛擬實驗室模擬秦嶺野外實習的場景，看到了秦嶺地區各種動植物的生長環境及其形態[13]。采用虛擬仿真技術模擬動植物的生態環境，避免了時間空間的限制，減少了采樣對自然資源的損害，有助于生物學野外實習模式的改革與創新。

2.2 豐富考核方式提升教學效果

實驗報告是傳統的生物實驗考查方式，考核項目包括出勤率、實驗操作過程和實驗報告。這樣的審查方法過于單一化，學生之間很容易簡單地復制或抄襲實驗報告，嚴重影響對實驗教學效果的考核。在虛擬仿真實驗操作中，教師可事先設置相應的“知識障礙”，學生在實驗項目成功后，努力消除“知識障礙”，才能取得相應的成績，從而減少實驗報告剽竊現象，提高實驗教學效果，使實驗評價方法更加多樣、生動。

2.3 虛擬仿真技術促進教育信息化的發展

伴隨著教育信息化的不斷發展，智慧樹、慕課等網絡教育形式已經逐漸滲透到教育教學中，虛擬仿真技術在生物實驗中的實際應用也越來越廣。虛擬技術和仿真技術具有廣闊的發展前景，不僅驗證舊知識，同時也創造新知識，其推廣應用后能為國防建設和國民經濟改革帶來巨大的經濟效益。教育部也對虛擬仿真實驗室的建設提出了具體要求，如對虛擬仿真實驗室的特點、環節做出相應規定，對應用學科方向進行了統籌規劃。例如山東農業大學的國家級農業機械化以及自動化虛擬仿真實驗教學中心不僅構建了較為完善的平臺建設和管理體系，還建設了四個虛擬仿真教學模塊[14]。因此，利用虛擬實驗技術克服傳統實驗教學障礙，是提高人才培養質量的重要途徑。

2.4 提升學生實踐能力推動實驗教學發展

虛擬仿真實驗技術和生物實驗教學的完美結合可以顯著地提高學生的分析能力和實踐能力，刺激學生的學習興趣，推進傳統教學模式向信息化、智能化模式的轉變。隨著虛擬仿真技術的持續發展和教學項目建設的不斷深化和開拓，生物學專業的實驗教學將會有更多的實驗教學平臺和更高質量的虛擬模擬技術，來支持高校生物學專業人才培養體系建設，促進高等院校實驗教學方式方法的與時俱進。例如虛擬仿真試驗系統既可釆用三維動畫技術充分呈現儀器結構，又可以顯示實驗原理和工作狀態，通過模擬實驗儀器的操作界面更直觀地展示實驗儀器的規范操作，讓學生通過計算機造作模擬實體實驗的操作過程，提升學生的實踐動手能力[15]。

3 虛擬仿真技術在高校的應用現狀

近年來，在國內外高校中，掀起了一股“虛擬仿真實驗室”的新風潮，通過信息化手段結合學科特色，打造富有科技感的具有學科特色的虛擬仿真實驗室，在豐富教學模式的同時，還推進了教學資源的共享和教育信息的數字化。

3.1 國外高校的虛擬仿真實驗室建設

國外虛擬仿真實驗教學主要包括以下十種方法：虛擬現實技術、人機交互技術、多媒體技術、仿真技術、增強現實技術、可視化技術、3D打印技術、虛擬仿真技術、遙現技術和虛擬世界。國外大學的虛擬實驗教學的主要類別和形式如表1所示。

表1 國外大學虛擬仿真實驗室的主要類別和形式

美國耶魯大學注重虛擬實驗室的靈活性和即時性。在細胞生物學、發育生物學以及分子生物學等方面，教師和學生可通過平板（Portable android device，Pad）產品上的移動應用程序記錄和分析實驗室的數字顯微鏡。英國Open University的開放科學實驗室可以將收集到的圖像和數據進行文件化，同時可以再現實驗室的所有實驗功能，利用遙控裝置進行遠程實驗跟蹤。另外，實驗室也建立了應用網絡模擬的虛擬現實實驗室，可以在線共享虛擬儀器。例如地球科學實驗室的虛擬顯微鏡能夠提供當今世界各地博物館以及研究機構所保存的地質標本，這樣就避免了購買昂貴的顯微鏡以及切片標本制作的成本，并可實現設備的共享[16]。

3.2 國內高校的虛擬仿真實驗室建設

隨著網絡技術和虛擬仿真技術的飛速發展，虛擬仿真實驗平臺逐漸受到我國教育工作者的青睞，教育部提出了教學信息化的方向，確立了建設虛擬仿真實驗室的具體要求，國內高校掀起了積極開發應用虛擬仿真教學項目的熱潮。例如，北京大學生物學國家級實驗教學示范中心結合自身教學的特點，借鑒國外其他高校生物實驗教學信息化建設的經驗，開發出實驗數據及實驗報告管理系統，建設了虛擬仿真實驗和多門生物學實驗類慕課以及實驗室安全考試系統[17]。四川大學采用計算機虛擬仿真與網絡技術建立的生物科學實驗教學中心，由動物房、資料室、準備室、虛擬實驗室、考場等五部分組成，涵蓋了40多個機能學實驗的虛擬仿真，結構完整、內容豐富，可同時供40位學生進行生理機能學知識和技能的學習[18]。

4 結束語

虛擬仿真技術的應用極大程度降低了實驗教學實際操作的成本，減少了實驗過程中的藥品污染和毒害，縮短了生物材料的實際培養周期，豐富了實驗教學的內容，促進學生對知識的理解，提高了學生學習的主動性和積極性，提升了教育教學質量。這既是對學校實驗教學體系的完善，也是對實踐教育的改革。教師要從學情出發，本著提高學生的理論知識、實踐能力和專業素養的目的，設計合理的教學目標、教學內容、和教學方法，在實施過程中及時注意反饋信息，努力尋求虛擬仿真實驗教學模式與教學實踐和信息技術的融合，創新實驗教學體系，爭取為學生提供完善的實驗學習平臺，促進我國高等教育的長遠發展。

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Application of Virtual Simulation Technology in Biological Experiment Teaching

This paper analyzes the necessity of integrating modern computer simulation technology into biological experiment teaching. Adhering to the education and teaching concept of taking students as the main body, building a practical teaching system based on virtual simulation technology can solve the contradiction between the shortage of experimental teaching funds and the experimental restrictions caused by safety factors. The reform of practical experiment teaching system, the development and popularization of teaching results and virtual simulation technology are conducive to reducing the experimental cost, saving natural resources and improving the quality of talent training. This new modern information education reform mode provides favorable and feasible practical exploration experience for the development of biology specialty in colleges and universities.

virtual simulation; experiment teaching; educational reform; biological experiment

G642; G652

A

1008-1151(2022)10-0152-04

2022-07-28

李亞琳（1968－），女，渭南師范學院環境與生命科學學院教授，博士，從事生物教育研究工作。