生物學虛實結合實驗教學模式探索與研究

顧 昊， 孫智杰， 李 勤

(北京理工大學 生命學院， 北京 100081)

?

生物學虛實結合實驗教學模式探索與研究

顧 昊， 孫智杰， 李 勤

(北京理工大學 生命學院， 北京 100081)

虛擬實驗是以虛擬現實技術為核心發展起來的一種新型實驗模式，在計算機上營造出類似于傳統實驗各操作環節的相關軟硬件操作環境，從而對傳統的實驗教學起到輔助、部分替代甚至全部替代的作用。分析了北京理工大學傳統生物實驗教學中存在的時間、空間限制和課程局限性等普遍問題，提出了生物學虛實結合實驗教學模式。由于虛擬實驗自身獨特的特征，從而使生物學虛實結合實驗教學模式具有突破傳統實驗教學中時空限制、實驗教學模式創新以及提高學生實踐能力等優點。

虛擬實驗； 實驗教學； 生物學

0 引 言

隨著教育信息化不斷深入和互聯網在實驗教學中的廣泛應用，傳統實驗教學已經不能滿足大部分高校實驗教學的要求。如何在傳統實驗教學基礎上結合信息化時代的各類技術，開展實驗教學的創新模式成為當前高校實驗室建設和發展的重要課題[1-2]。

在眾多信息化技術中，以多媒體、仿真和虛擬現實技術為核心發展起來的虛擬實驗已經被逐漸應用于實驗教學中，從而對傳統的實驗教學起到輔助、部分替代甚至全部替代的作用[3-6]。本文將結合北京理工大學生物實驗教學中心傳統生物實驗教學中存在的問題，討論虛擬實驗與真實實驗相結合的“虛實結合”生物實驗教學模式以及該模式對生物學實驗教學的作用和意義。

1 傳統實驗教學存在的問題

1.1 時間限制

生物學實驗包括了基礎生物學、生物化學、生物技術工程、生理解剖、細胞生物學、分子生物學和微生物學等多門實驗課程。總體來說，生物學實驗具有前期準備工作時間長和實驗過程耗時長的特點。因此，實驗課堂上如果學生操作不當造成實驗結果錯誤或者實驗失敗，學生將無法再次重復實驗操作；其次，對于一些轉瞬即逝、重現性與可見度較差的實驗現象和實驗結果,學生也不容易在首次觀察時得出正確的結論。

從外因看，生物學實驗教學由于受到教學課時數、學生人數等因素的制約，學生的實驗課時間普遍較少，從而影響生物學實驗教學的效果。例如在有限的實驗課時內，學生無法在課堂上反復進行實踐操作和練習，也缺乏足夠思考的時間；有些實驗安排2或3人一組甚至更多，一些學生就沒有動手的機會，導致學生動手實踐能力較差。

1.2 空間限制

傳統的生物實驗教學是學生在課堂上完成實驗操作，記錄下實驗現象和結果，隨后再書寫實驗報告。大部分學生的實驗報告都存在“千篇一律”的問題，學生機械地搬抄實驗原理、實驗儀器與設備以及實驗步驟等內容，很少有學生詳細地描述實驗過程中觀察到的各種實驗現象并記錄對實驗現象所引發的思考。其中一個重要的原因是學生在離開實驗室后，對實驗的現象和結果開始印象模糊甚至遺忘，而學生在實驗室外沒有再次復習實驗過程的機會。

此外，當前很多高校都采用兩地辦學的模式。由于新、老校區距離較遠，對學生和教師的出行造成了很大的不便，同時也給本科生和研究生的實驗教學帶來了地域限制，例如老校區的實驗室很難面向新校區的學生開放；而新校區一些新的儀器設備也無法提供給老校區。

1.3 實驗課程局限性

每學期生物學實驗的課時數是一定的，盡管任課教師會精心挑選和準備實驗課程，但是無法保證課程的全面性，一些綜合實驗、大型培訓實驗也很難向學生提供。同時，生物學實驗對實驗環境條件要求高，一些生物實驗還需要在無菌室進行操作，給教師的實驗教學造成種種困難。因此，教師在安排實驗課程時會將條件苛刻、不易實現的實驗排除在外。還有一些生物實驗涉及高危、極端環境，不可及、不可逆操作以及高成本、高消耗等因素，通常這樣的實驗也不會被編入教學計劃內。

實驗課程的局限性將直接導致學生很難全面掌握實驗操作和實驗技能，很大程度上影響了實驗教學的質量和學生實踐能力的培養。

2 虛擬實驗的發展現狀

2.1 虛擬實驗基本概念和特征

虛擬實驗是指借助于多媒體、仿真和虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR)等技術在計算機上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統實驗各操作環節的相關軟硬件操作環境，實驗者可以像在真實的環境中一樣完成各種實驗項目，所取得的實驗效果等價于甚至優于在真實環境中所取得的效果。而虛擬實驗室是依托虛擬現實技術產生和發展的一種實驗室模型，是基于Web 3D技術、虛擬現實平臺構建的開放式網絡化的虛擬實驗教學系統，是現有各種教學實驗室的數字化和虛擬化[7-8]。

虛擬實驗包括以下基本特征：

(1) 高度仿真。虛擬實驗是真實實驗的仿真模擬系統，逼真地還原了實驗場景。學生可在3D交互虛擬環境中進行各個環節的實驗操作，包括樣品準備、儀器設備操作、樣品采集、數據分析、實驗結果評價等。通過演示實驗過程、儀器設備構造、實驗結果等細節，使學生直觀、完整地了解生物實驗的流程。

(2) 交互性。虛擬實驗模塊是根據每一個實驗的基本原理進行邏輯設計的。學生在計算機上進行相應的實驗操作，然后界面對每一個操作步驟給出反饋。同時在實驗結束后，系統還會根據學生對整個實驗的操作向學生提供分析數據和實驗結果。

(3) 多層次、內容豐富。虛擬實驗可以根據不同的實驗項目，開發出多種的仿真軟件，并建立仿真實驗教學模型庫。針對實驗教學的不同需求，教師可以在不同的實驗場景中從虛擬器材庫任意選擇合適的器材搭建所需實驗模塊，再讓學生自己動手配置、連接、調節和使用實驗儀器設備，完成實驗。

2.2 虛擬實驗的發展

虛擬實驗起源于20世紀末，是科學實驗領域中較為年輕的分支，其發展過程大致經歷了以下三個階段[9]：

(1) 思維模型與邏輯分析階段。該階段以科學實驗為基礎，以邏輯推理為根據，在思想中塑造實驗模型的實驗方式。

(2) 計算機仿真階段。20世紀60～80年代，以系統數學模型為基礎，在一定假設條件下利用計算機對實驗對象的數學模型進行信息處理。

(3) 虛擬現實階段。20世紀80年至今，以虛擬現實技術為基礎，通過模擬人與周圍真實環境交互方式而建立的觀察界面進行實驗的過程。

近年來，隨著高校教育信息化的不斷推進，虛擬實驗得到了快速發展。而各類虛擬實驗應用平臺和計算機軟硬件層出不窮，也為虛擬實驗的發展注入了新的活力。

3 虛實結合實驗教學模式

生物學“虛實結合”實驗教學模式是指利用網絡和虛擬實驗等手段，面向學生提供多門生物學真實實驗和虛擬實驗相結合的教學模式(見圖1)。該模式在原有的生物學實驗基礎上，為學生在線提供相對應的虛擬生物實驗以及大型的虛擬生物實驗，以方便學生在網上自主地開展生物學實驗的預習、復習工作和一系列由于條件限制實驗室無法向學生提供的生物實驗操作。

圖1 生物學虛實結合實驗教學框架

3.1 基礎實驗虛實結合

基礎實驗“虛實結合”意在生物學實驗教學的同時，為學生在線提供大量與生物學實驗相對應的虛擬實驗，以方便學生在網上自主地進行實驗的預習和復習。根據生物學實驗特點，將不同的生物實驗分成虛擬平面操作系統[10]和虛擬3D仿真操作系統[11-12]。

虛擬平面操作系統是指基于某個生物學實驗原理，設計出簡單的邏輯關系和數學模型，實現實驗的模型化。例如微生物實驗中的細胞計數實驗，可以根據細胞計數的原理和方法，在計算機上展現出血球計數板平面模型，學生可以在此模型上練習細胞計數并得到計數結果。

虛擬3D仿真操作系統是模擬真實實驗室中的場景，使學生進入系統后“身臨其境”地體驗某個生物實驗的完整過程，包括儀器設備的搭建、實驗器材的選擇以及實驗過程的操作，最后完成實驗并得到數據結果。

3.2 大型實驗虛擬練習

虛擬實驗的另一大特點是可以為“某一類”不易實現的生物實驗提供虛擬的操作機會，例如涉及高危或極端的環境，不可及或不可逆的操作，大型或綜合訓練以及高能耗、高成本的實驗。通過這一類實驗的虛擬設計，向學生提供全面的生物學實驗教學內容，以滿足學生在校期間無法接觸到的各類生物實驗或者大型實驗的訓練機會。

基于上述目的，在傳統的生物實驗教學基礎上開展更多的生物虛擬實驗，包括大型生物發酵生產工藝、生物制劑生產工藝以及生物安全三/四級實驗室模擬等。

4 虛實結合在實驗教學中的意義

4.1 突破傳統實驗教學中時空限制

虛擬實驗的實現可以有效地緩解高校在實驗室經費、場地和器材等方面普遍面臨的困難和壓力，而且開展網上虛擬生物實驗教學能夠突破傳統實驗教學中“時、空”的限制。無論是學生還是教師，都可以自由、無顧慮地隨時隨地上網進入虛擬實驗室，操作儀器，進行各種實驗。

生物學“虛實結合”實驗教學模式在傳統實驗教學基礎上為學生提供了多渠道的生物實驗學習途徑。學生在計算機上通過仿真實驗操作進行實驗課程的預習和復習，進一步加強真實生物實驗的教學效果。

此外，虛擬實驗還為高校兩地辦學的模式提供了信息化服務手段。教師可以利用網絡虛擬實驗資源為新、老校區學生創建資源共享的網上實驗平臺，以緩解新、老校區地域差異給教學帶來的限制。

4.2 實驗教學模式創新

生物學“虛實結合”實驗教學模式無疑是對傳統實驗模式的突破。虛擬實驗是建立在一個虛擬的實驗環境(平臺仿真)之上，注重實驗操作的交互性和實驗結果的仿真性，學生在計算機上進行實驗的模擬操作并獲得相應的數據結果。同時隨著技術的發展，虛擬實驗不再局限于簡單的桌面操作，3D立體眼鏡、位置跟蹤器、數據手套、力反饋器和頭盔顯示器等虛擬現實硬件產品不斷推陳出新，從而為學生提供更加真實的體驗和服務[13-14]。

生物學虛擬實驗不僅補充或替代了傳統的生物實驗教學，計算機、網絡以及虛擬現實等技術也為目前的生物實驗教學帶來新的發展[15-16]。

4.3 提高學生實踐能力

傳統的生物實驗教學由于受到時間、空間和課程的限制，使學生的動手實踐時間較短，從而導致學生的基本實驗技能不過關。“虛實結合”實驗教學模式使學生可以通過上網在計算機上操作虛擬實驗，預習或者復習相關實驗，從而彌補了實驗教學時間短、學生在實驗課堂上沒有機會動手的情況。除此之外，大型的虛擬生物實驗還給學生提供了實訓的機會。

總之，虛擬實驗使學生可以在實驗室外有機會操作仿真的生物實驗，大大提高了學生的學習熱情和實踐操作能力。

5 結 語

近年來隨著虛擬實驗的出現和發展，將虛擬實驗與真實實驗相結合將會為實驗教學提供新的模式。通過生物學“虛實結合”的實驗教學模式，可以在一定程度上解決當前生物實驗教學過程中存在的一些問題，從而達到提高教學質量和學生素質培養的目的。

[1] 余建波, 楊西強, 王 瑗, 等. 高校實驗教學信息化的建設與探索[J]. 實驗室研究與探索, 2010, 29(10): 150-153.

[2] 倪 晟, 金炳堯, 王璟瑤. 實驗教學信息化體系建設的探索與實踐[J]. 實驗室研究與探索, 2013, 32(6): 117-120.

[3] 萬桂怡, 崔建軍, 張振果. 高校虛擬實驗平臺的設計及實踐[J]. 實驗室研究與探索, 2011, 30(3): 386-389.

[4] 王 梅, 張學軍, 唐久磊. 基于“探索性化學虛擬實驗”的聯想思維能力的培養[J]. 實驗技術與管理,2014, 31(7): 108-111

[5] 丁美榮. 虛擬實驗與真實實驗整合的計算機網絡研究性實驗教學探究[J]. 實驗技術與管理, 2011, 28(5): 163-166.

[6] 趙俊蘭. 基于網絡技術虛擬實驗的研究[J]. 實驗技術與管理, 2011, 28(3): 220-227.

[7] 葉步偉, 馬德俊. 虛擬實驗技術及其在遠程教育當中的應用[J]. 繼續教育研究, 2011(6): 79-82.

[8] 瞿 曌, 鄧居祁, 殷科生. 虛擬實驗的特點與實現[J]. 現代遠距離教育, 2007(4): 60-61.

[9] 杜一寧. 虛擬實驗的研究現狀以及在教學中的意義[J]. 浙江海洋學院學報, 2010, 29(4): 390-393.

[10] 江海平, 馮 鴻. 虛擬現實技術的發展對生物實驗和教學的重大影響[J]. 遺傳學教學, 2007, 29(12): 1529-1532.

[11] 廖宏建, 楊玉寶. 體感交互設計及其在三維虛擬實驗中的應用[J]. 遠程教育雜志, 2013(1): 54-59.

[12] 楊 雪, 崔 偉. 關于提高桌面虛擬實驗建模效率的思考[J]. 實驗技術與管理, 2008, 25(11): 76-79.

[13] 李慧迎, 祁玉娟. 體驗式虛擬實驗的設計及實效性分析[J]. 中國教育信息化, 2013(18): 80-83.

[14] 師 蕾, 郝挺雷, 林筑英. 基于三維引擎的虛擬實驗教學系統交互模式研究[J]. 中國遠程教育, 2010(8): 70-74.

[15] 梁亦龍, 盧利平, 范 歡, 等. 虛擬實驗在生物化學實驗教學中的應用[J]. 實驗室科學, 2012, 15(2): 45-47.

[16] 范 蕾. 發達國家在大學開展虛擬生物學實驗教學的經驗及啟示[J]. 實驗室研究與探索, 2014, 33(1): 20-23.

Research of Actual and Virtual Combined Experimental Teaching Model in Biology

GUHao,SUNZhi-jie,LIQin

(School of Life Science, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Virtual experiment is a new experimental model developed based on virtual reality technology. It creates a hardware and software operating environment to simulate the traditional experiment by using computer, and plays a secondary role, sometimes, it partly or all substitutes traditional experiments. This paper analyzed the common problems of the traditional biological experiment teaching such as limitations in time, space and courses in Beijing Institute of Technology, and presented a new teaching model by combining actual experiment with virtual experiment. Because of the unique characteristics of virtual experiment, it broke the traditional experimental teaching constraints of time and space, started a new experimental teaching mode, and improved the students’ practical ability.

virtual experiment; experimental teaching; biology

2015-04-21

顧 昊(1983-)，女，浙江湖州人，博士，講師，研究方向實驗教學和實驗室建設。Tel.：010-68914504；E-mail：guhao@bit.edu.cn

Q 331; G 434

A

1006-7167(2016)04-0108-03