發達國家在大學開展虛擬生物學實驗教學的經驗及啟示

范 蕾

(北京理工大學 生命學院實驗與教學中心，北京 100081)

0 引 言

信息技術的快速發展對發達國家大學生物實驗教育的方式產生了重大的影響。發達國家大學利用多媒體、仿真及網絡等技術運用在計算機硬件操作環境上，建立網絡虛擬實驗室。此類實驗起到輔助、部分替代甚至全部替代傳統實驗各操作環節。實驗者在模擬真實的操作環境中完成各種實驗項目，所取得的實驗效果等同于或優于在真實環境中所獲得的效果，這已成為現代實驗教育技術發展的必然趨勢[1]。

1 概 述

大學生物學實驗是培養學生生物學實驗能力、科研素養和科研方法的基礎課程，是大學本科生接受系統生物學實驗方法和實驗技能訓練的開始階段。隨著網絡3D技術、虛擬實驗平臺技術的發展，發達國家大學構建開放式網絡虛擬實驗教學系統，把生物學教學實驗室的數字化和虛擬化，為學生建立了虛擬實驗平臺和開放實驗室管理系統。學生在此平臺上可動手設置、連接、調節和使用虛擬實驗儀器設備。與真實實驗類似，師生可利用虛擬器材庫中的器材自由設計、搭建合理的經典實驗[2]。

虛擬實驗可有效解決大學在經費、場地、設備、材料等方面的困難且開展網絡虛擬實驗教學能夠突破傳統實驗對“時間、空間、經費、教師和學生人數”的限制，無論是學生還是教師，都可隨時隨地上網進入虛擬實驗室、操作儀器，進行各種實驗，有助于提高實驗教學效率和質量。

2 虛擬生物實驗教學的經驗

西方發達大學生物學專業的高、低年級學生所做虛擬實驗從內容與形式上有很大差別。

2.1 低年級虛擬教學模式

美國伊利諾伊大學香賓分校生物學專業從2001年就開始使用美國麻省理工學院構建的遠程網絡實驗室(iLabs)教育系統見圖1。學生接觸到先進的生物學技術。例如，學生可利用以網絡為基礎的軟件模擬需要呈現真實的實驗研究醫學領域內的疾病診斷。具體虛擬實驗包括疾病的診斷(例如鐮刀細胞貧血、囊腫性纖維化、亨廷頓疾、血友病)，DNA指紋圖譜實驗、DNA限制性內切酶酶切實驗或學生可在很短的時間里實現用現代方法克隆生物或做轉基因作物的實驗。學生通過上機操作、數據輸入和分析獲得實驗結果[3]。

圖1 低年級生物網絡虛擬實驗的教學大綱

在校注冊的低年級生物學專業的學生只有順利通過理論課程的考試然后，才能獲得進入網絡實驗課程教學平臺的密碼，最后持密碼進入虛擬實驗平臺做實驗。學生做虛擬前還要完成幾個準備工作，①做實驗作業，包括實驗材料的準備、實驗目的、方法(儀器原理和分析)、任務(確保實驗順利完成)。②學生在做實驗前還要完成在線測試(一般回答四個問題并提交答案)。 學生完成實驗后需提交書面實驗報告(包括實驗原理、實驗記錄和提出對實驗中出現的問題并回答問題發生的原因和解決方法及實驗安全的教育內容)，其中最后實驗的分析需列出參考文獻(理論參考書、學科研究進展類的書籍、文獻、網絡信息等)

2.2 高年級虛擬實驗模擬真實工廠實驗操作間

在美國俄勒岡大學高年級生物學專業的學生要參加模擬真實工廠實驗操作間的高級虛擬實驗。這一系列的實驗模式是圍繞模擬復雜的生物反應過程而展開[4]。例如，大學與工廠合作，工廠提供大學每個車間的具體技術信息，大學會根據提供的真實化學車間的錄像帶，通過計算機建模。除了增加提供的重要背景信息過程，錄像也會給學生觀摩以強調學生做模擬實驗的真實性。大學與企業合作采用SUN工作站上使用UNIX和X Windows操作系統模擬真實工廠車間中生物反應的每個過程[5]。

在實驗開始時，學生以3人為一組，分別是小組長、實驗員和設計工程師。這個小組每個學期做3個不同的大實驗，組員角色會互換。每個實驗項目是24 h，在做實驗前學生被要求看車間錄像用于書寫研究過程并參加有指導教師加入的定向會議，教師會回答所有學生的問題。學生在實驗前準備書寫實驗計劃書，整個計劃書是按照企業要求的方式來書寫，其內容包括實驗的費用(人力、材料、設備的折損等)，企業的任務決定了學生對實驗完成地動力。學生會在討論會上與指導教師論證計劃書。指導教師舉行討論會有兩個目的：①確保學生準備實驗完善。②提高學生在討論會上表達能力。教師也會根據學生在不同實驗階段的的表現打分。虛擬實驗的特點是，前期準備花費的時間要長。盡管模擬實驗任務的花費從幾分鐘到幾小時或幾十小時，但是實驗者需長期跟蹤真實的實驗才能保證在計算機模擬操作的時間花費少。學生在模擬實驗后，要做15 min的口頭報告。其報告內容由工廠實驗錄像、模擬數據和論述結果三部分組成。然后，教師給小組的實驗結果打分。學生還要完成整個實驗的備忘錄，其內容要模擬真實生產中的書寫方式，包括實驗中遇到的各種問題、解決方法、改進工藝設備、采用先進可行的措施等，這些內容是要上交給廠家。最后，學生要在一周內匯總書寫一個完整的報告包括實驗結果和備忘錄。

學生做完前期的準備實驗，則會從SUN工作站學會快速學會如何模擬操作實驗。由于一般模擬實驗的運行速度大大超過傳統的實驗，多數學生發現不需要完整的時間，在短時間內就可完成整個實驗內容。因為模擬實驗中計算機程序簡化了真實實驗的實際操作和試劑反應的時間，因此虛擬實驗節約了時間。

2.3 高級虛擬實驗的四個優點

西方發達國家的大學給高年級學生開設高級虛擬實驗已經很多年了，證明此類實驗比傳統實驗更具有吸引力，具體特點體現在以下四方面[6]：

(1) 經濟。虛擬實驗材料可反復使用，比真實實驗要節約成本。

(2) 安全。一個在模擬工廠作業的實驗中，學生不使用危險的化學試劑，實驗也不產生任何有毒的化學廢物。

(3) 真實性。時間和預算成本都需要學生提前做好計劃，這種預算計劃更接近模擬真實工廠化作業。

(4) 靈活性。充分發揮高級實驗室的功能，這些模式可被用于其他課程。

2.4 高級虛擬實驗相比普通虛擬實驗的三個特點

①為學生提供整合知識和技能的平臺。②為學生做真實實驗打基礎，即要求學生完成一些應用性的科研項目，為學生提供參與真實實驗的機會，讓學生把所學知識和技能用于解決實際問題。③鍛煉學生的科研能力，為學生進入深層次研究領域的學習或職業領域的工作做準備。

高級虛擬實驗課注重培學生的技術技能(例如：工程經濟、設計研究方案、生產程序、技術分析等)和非技術技能(例如：團隊建設、溝通能力、領導能力等)。這種高級虛擬實驗課程是美國大學開設的一種讓學生整合、拓展、批判和應用多學科知識的綜合實驗，學生可獲得知識和技能的培訓。高級虛擬實驗課程具有提升各類學科知識教育的連貫性和相關性、開發學生綜合素質的潛能、幫助學生從學校向職場過渡的功能、強化學生對研究生教育的準備，因而在歐美發達國家高等教育中得到較廣泛的應用。

3 對我國大學生物學創新性人才培養的啟示

從上面幾方面可以看出西方發達國家大學開展生物學虛擬實驗有很多方面值得我國大學學習。

3.1 發展我國大學虛擬生物實驗

西方發達國家很多大學生物學專業開設虛擬實驗教學，但我國很多大學還沒有開設此類實驗課程。生物學中某些實驗周期冗長而復雜，傳統的實驗不能提供給學生足夠的時間、空間和經費去做大量的練習，因此學生無法快速有效地掌握實驗技能。相反，虛擬實驗教學非常適應現代化教學，虛擬實驗為學生提供重復練習和自主操作的機會[7]。

虛擬生物學實驗具有激發學生學習興趣、提高學習效率、節約實驗材料、防止有毒試劑對學生傷害和減少對環境的污染等優點。虛擬實驗能把教材中靜態、晦澀難懂的、微觀的圖片和語言轉化成色彩鮮明、動態的、宏觀現象，讓學生更能理解復雜、抽象的概念并記憶深刻。這種鮮活的教學方式讓學生無法抹去記憶，在今后的考試中發揮出色。學生感到這種符合學習規律的教學方式，提高了學習效率[8]。

虛擬實驗材料具有重復使用的特點，在實驗操作時對虛擬設備不產生任何耗損，因此節約實驗經費。真實生物實驗中會用到有毒、有害的實驗試劑，而此往往會對實驗操作者和環境造成一定的負面影響。虛擬實驗是綠色環保的實驗，實驗過程中不會產生任何有害影響[10]，所以我國大學有必要為學生提供一定的虛擬實驗，讓學生有機會學習新的實驗技術，以提高其掌握理論知識的能力[9]。

3.2 開發高級生物虛擬實驗

我國大學應開發生物類虛擬實驗模擬企業的大型工業化生產，具體的實驗數據、實驗步驟可到相關企業中采樣獲得，以提高學生的實踐能力。因為大學高年級學生做此類虛擬實驗的最終目的還是要為其畢業后，在工作中能具備解決現實生產中實際問題的能力。因此，大學在高年級設置的虛擬實驗的內容應與相關企業的生產有關。校企合作，制作虛擬軟件，使虛擬實驗的內容應是一個復雜的、現代化、工業化的綜合實驗項目，具有實際應用價值。這種大型虛擬實驗會激發學生探索未知領域的興趣、培養學生發現問題、解決問題的創新能力[11]。這種高級虛擬實驗課程可作為我國大學發展學生綜合素質，增強學生的職場競爭力和適應性的一種有效方法。建議我國大學應給工程與技術類理工科學生在大學四年級開設此類實驗課程。讓學生在實習前已經熟悉此類實驗，為學生將來就業提供便利條件 ，這也符合大學為企業輸送高級應用型人才的要求。

3.3 重視虛擬與現實相結合的實驗原則

雖然虛擬實驗有多個優點，但也有其弊端。學生在做虛擬實驗時，沒有理解實際操作各種儀器設備，無法直接獲得感官經驗。

在真實實驗里學生做定性實驗時，雖然每個人可以得到相同或相似的結果，但是在定量實驗時，每個學生會得到不同的實驗數據。而在學生做虛擬實驗時，在相同條件下大家會得到同樣的結果。這就是真實實驗會給學生帶來更大的挑戰性。同時，虛擬實驗也減少了學生應對突發事件的處置機會[12]。

虛擬實驗是模擬經典的真實實驗且實驗者會根據軟件開發者的思路采用統一、機械的模式操作，所以虛擬實驗的過度使用，只會導致實驗者的思路單一，而無法激發學生的發散思維和淡化學生對基本技能訓練的重視程度[13]。

虛擬實驗不可完全替代真實的實驗操作[14]，而實驗的本源是要求鍛煉學生的實際動手能力，所以在大學里開展虛擬實驗的同時，也應避免虛擬實驗過度化而忽視了實際實驗操作。大學在現實環境條件允許的情況下，還是應以虛擬實驗為輔，實際操作實驗為主，引導學生做現實的、鍛煉動手能力的實驗。所以綜上分析，虛擬實驗和真實實驗雖然兩者都各有利弊，但虛擬實驗只能在一定程度上替代真實實驗[15]。

3.4 虛擬生物學實驗課結合網絡教學

虛擬生物學實驗課可結合網絡教學，為更多的學生提供選修實驗的機會，也可作為遠程教育[16]的一部分，為希望致力于此專業學習的學生開設課程。一般專業實驗的規模再大，也無法為上百人同時提供做實驗的場地，但是網絡虛擬實驗具有方便、快捷、規模化、可重復性的特點，能同時為更多人提供做實驗的機會。因此，有條件的大學可開設網絡虛擬實驗。

4 結 語

發達國家大學根據開設生物學虛擬實驗課的難易程度分為低年級和高年級兩種水平，大學為高年級學生開設虛擬生物學實驗課程的目的是為培養創新型人才。我國大學應借鑒發達國家大學虛擬實驗教育的經驗，培養創新型人才，為建設創新型國家而努力奮斗！

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