虛擬仿真實踐教學在創新型人才培養中的作用
——以朱家尖海濱生物野外實習為例

王丹麗，方增冰，韓慶喜，龔一富

（1.寧波大學 海洋學院，浙江 寧波 315800；2.寧波海洋研究院，浙江 寧波 315800）

實踐教學是高校人才培養中的重要環節，對創新型人才培養尤為重要。隨著信息化智能互聯技術飛速發展，越來越多的信息技術迅速應用到高校的實踐教學環節。其中，虛擬仿真實驗教學更是顯示出其高效安全、全天候、功能拓展性強等優點，在高校的實踐類教學課程中被廣泛采用[1-3]。

海濱生物野外實習是高校生物類相關專業實踐教學的重要組成部分。舟山朱家尖島是浙滬多所高校海濱生物采集的首選實習地點，近年朱家尖島面臨資源破壞嚴重、生物多樣性逐年減少的問題，加之一些海防軍事禁區及旅游景點的圈圍封閉管理，導致島上可供實習區域越來越小。而且一方面，出行時間受天氣、潮汐、交通、安全等因素制約，帶隊教師負有很大的安全責任；另一方面，實習師資少導致實地采集時師生間互動性差，考核方法單一且共享性較差。國家級一流課程“朱家尖海濱生物生態分布與采集虛擬仿真實驗項目”的建設為解決以上問題提供了切實可行的有效途徑。通過虛擬仿真實驗教學項目的建設實施，重構了課程體系和教學內容，創新了野外實習教學的各個環節，充分融入了多維互動元素，為新時代海洋經濟發展培養創新型人才提供了良好的平臺。

本文從問題引領、人機互動、自主參與和科學評價四方面入手，闡述了虛擬仿真實驗教學項目建設的必要性及在創新型人才培養中的發展潛力，旨在進一步培養學生拓展性思維及創新能力。

一、虛擬仿真實踐教學課程的建設方向

該實驗教學項目建設內容以全面提高水產養殖專業學生實踐能力和創新精神為宗旨，以共享優質實驗教學資源為重心，不斷推進實驗教學資源開放共享和實踐教學信息化建設，以培養水產養殖拔尖創新型人才為目標。因此，朱家尖海濱生物虛擬仿真實驗教學的設計緊緊圍繞以下幾點。

1.挑戰傳統，激發學生自由探索能力和創新能力。“00后”是在互聯網背景下成長起來的一代，他們更擅長人機互動、闖關式的學習方式。課程改革本著“能實不虛、虛實結合、以虛補實”的原則，充分應用現代信息技術構建“朱家尖海濱生物生態分布與采集虛擬仿真實驗項目”，實現讓學生提前介入，增加學生實習前的參與度和體驗感，不僅化被動為主動，提高了學生的學習興趣，學習效率較傳統授課方式大大提高，也利于學生開展探究型、綜合型實習，提升學生的創新與實踐能力。

2.挑戰局限，為海濱生物野外實習提供重要的輔助手段。學生利用PC端（網頁版和下載版）和手機移動端可隨時共享項目平臺的海量學習資源，可以突破時間與空間限制、師資人員等限制，既能在網絡覆蓋的區域開展在線自主學習，又能隨時離線練習仿真闖關，鞏固實習內容。學生通過熟悉野外采集地點的生態環境，了解海濱各類生境中的代表物種、分類地位、生態特征、生活習性和經濟價值，了解海濱生態系統中動植物之間及生物與環境之間的相互關系；掌握生物標本的采集、麻醉、培養、固定、保存、制作等基本方法；學習海濱動植物生態調查的一般方法，為將來的科學研究工作打下扎實的基礎。同時，結合線下采集時的教師現場指導，進一步鞏固各項技能及知識點。虛實二者的有機結合，對于學生全面熟悉掌握海濱野外實習的全過程和關鍵環節都有無可替代的作用。

3.挑戰單一性，突破學習資源有限考核評價單一的困境。過去對海濱生物野外實習的考核只限于標本采集、種類識別，實習內容較單一。在實習環節中重過程輕結果，考核方式單一。本實驗教學項目中的效果評價系統，將考核融入實習前、中、后全過程，由系統作出科學評價，并引入學生互評和自評機制，激發學生自主參與和自由探索的能力[4]；虛擬仿真課程資源及手機端靈活多樣的檢索工具充分體現了共享性，使海濱生物野外實習的教學水平不斷提高，為多所高校和研究院所師生提供了一個良好的學習和交流平臺。

二、虛擬仿真實踐教學的特征和體系重構

與同類課程相比，“朱家尖海濱生物生態分布與采集虛擬仿真實驗項目”課程特色明顯，主要體現在以下三個方面。

1.構建三維實地生境與3D生物標本——體現實驗過程沉浸感。情景體驗式教學是通過自主參與和情景模擬激發學生的意識潛能、情感與主觀能動性。其基本模式在20世紀80年代由美國組織行為學教授大衛·庫伯提出[5]。以體驗式教學法為導向，模擬構建一套以野外實習場景體驗為情景的實踐教學模式，對于朱家尖海濱野外采集實習來說客觀可行。根據朱家尖島上生態各異的地理環境，綜合運用航拍、3D建模等技術構建朱家尖4個類型的三維海濱生態場景模塊，并模擬構建風雨與海浪聲、潮汐漲落、日出日落等仿真視聽效果，讓學生獲得身臨其境的沉浸式實習體驗。

2.重構教學內容與課程體系——體現虛實結合實驗即時化。以朱家尖海濱無脊椎動物為主，海藻為輔，重構了實習課程體系，仿真實習圍繞四個知識點訓練展開：（1）觀察生態環境與潮間帶生物分布規律，要求跨時空學習認識4個生態場景不同生境特點，熟悉潮間帶海濱動植物分布特點；（2）要求掌握常見海濱動植物分類與鑒別，運用PC端和手機端物種檢索功能，有效完成200種模擬采集物種的檢索鑒定；（3）學習海濱生物生態調查研究方法，通過模擬系統中的樣地選擇、物種定性與定量觀察，實習安全性學習，標本的采集、麻醉、固定、保存、制作、鑒定等，學習掌握海濱生物生態調查方法；（4）完成在線測試、知識問答、在線闖關測試環節，并設有疑難物種辨析題等，增強與學生的交互作用，注重寓教于樂、激勵為主，實現了仿真實習全天候即時化。

3.重構評價體系——體現能力評價科學化。在滿足教學要求的基礎上，尊重學生的需求和體驗，真正樹立學生在教學環節的主體地位。虛擬仿真實驗項目將考核融入實習前、中、后全過程，構建了虛擬實習的效果評價系統并引入學生互評和自評機制，加強團隊精神。考核內容包括課前預習20%、物種鑒定及標本制作15%、綜合能力測試45%和實習結果匯報20%四個部分，根據四個部分評分加權，最后給出綜合成績，充分體現了課程重構下的能力評價科學化。教學方法的實施過程見圖1。

圖1 朱家尖海濱生物野外實習虛擬仿真教學方法的實施過程

三、虛擬仿真實踐教學平臺的應用及成效

1.建立了豐富的教學資源。虛擬仿真實驗項目自2019年3月正式運行后，目前完成注冊人數10000多人，每年平均瀏覽數6000余人次，完成線上實驗人數774人，實驗測試通過率93.2%。學生于野外實習開始前，利用電腦或手機端登陸水產養殖國家級實驗教學示范中心的虛擬仿真實驗教學平臺或教育部實驗空間（www.ilab-x.com）進行學習。學生通過身臨其境的人機交互操作環境，隨時隨地進行自主學習，具有開放性、交互性、易操作等優點，提高了實驗教學效果。

“朱家尖海濱生物生態分布與采集虛擬仿真實驗項目”于2020年11月入選首批國家級一流本科課程，2019—2021年依托該平臺，學院教師獲得教育部產學合作協同育人項目17項、浙江省虛擬仿真實驗教學項目2項、浙江省一流本科課程和教學改革項目4項，進一步豐富了教學資源。

2.實習安全系數提高。海濱生物野外實習重中之重是確保師生安全。在以往的采集實踐中，教師只能反復強調紀律和安全須知。而虛擬仿真實驗教學有效改變了這一現象，在虛擬仿真實驗中滲入了“安全提示”“危險警示”“禁止”等內容，學生在完成虛擬實習的過程中，養成了良好的安全意識，帶隊教師明顯感覺組織管理輕松了，安全事故沒有發生。

3.科學考核提高了實習效果。考核方式兼顧實地采集中的實際操作和虛擬實訓操作，學習平臺通過學習時長和闖關分值雙重要求，督促學生認真完成虛擬實習的每個環節，使其知識系統和實踐能力兩方面都得到提升，綜合評價每個學生的實習成績更加科學公平。這種評價考核體現了教師指導與學生自學并行、以學生自主學習為根本的教學策略，更體現了對實踐過程的規范性、實驗步驟的成效性，以及對知識學習達成度的客觀評價，具備對學生認知能力結構考核的功能。

4.提高了學生的綜合能力。虛擬仿真與實踐教學有機融合不但顯著提高了學生的學習效率和學習樂趣，而且培養了學生的探索和創新意識。使用后學生評價說：“虛擬仿真系統給我們帶來了前所未有的體驗。該課程以虛實結合的新型實習模式，讓我們通過沉浸式體驗，開闊了視野，獲得更加完整的生物知識。特別是在新冠肺炎疫情期間為我們提供了新的學習方式。”學生創新能力和綜合素質的提升正是虛擬仿真項目平臺建設的初衷。

5.加強了與其他高校和社會的交流與共享。目前，已與浙江大學、中國海洋大學、寧波海洋研究院、寧波水產品批發市場有限公司等十余所高校、研究所和企業簽訂了該虛擬仿真項目的共建共享協議。平臺不斷豐富海洋無脊椎動物標本庫的建設內容，為一些科研單位進行朱家尖海域生物標本鑒定提供便利，也為中小學生的海洋科普教育與研學活動提供了空間。

四、虛擬仿真項目建設的幾點思考

虛擬仿真實驗的“兩性一度”高度切合高校實驗教學的本真目的。實驗教學固然要幫助學生將來成就偉大的創新，但主要任務是要使學生體驗到創新的快樂和自信，激發學生的創新欲望。

目前虛擬仿真項目也普遍存在一些問題，如教學內容設計、計算機系統開發設計都過于程序化；學生自主探索環節缺失，不利于學生思維訓練和綜合能力的提高；生生互動、師生互動、團隊互動體現得不夠；高校間虛擬仿真教學資源共享性較差，缺乏統一的技術標準和具體有效的共享機制，導致部分資源重復建設，兼容性弱等，如何進一步凸顯學生綜合設計與創新思維能力培養的深度和廣度值得我們思考。

立德樹人是高校立身之本，人才培養質量是高等教育生命線。進行課程體系重構與培養模式的改革與創新是人才培養的關鍵。虛擬仿真實驗教學平臺良好支撐了應用型專業技能人才的培養，特別是經歷此次新冠肺炎疫情后，我們要更加深刻理解虛擬仿真實踐教學的內涵。相信隨著數字信息化技術的發展，虛擬仿真技術在實踐教學中的影響將會進一步擴大。

（課題組成員：徐善良、趙淳樸、王佳）