生物類虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)中的問題與對策

王 甜， 王茂林， 林宏輝

(四川大學 生命科學學院 生物科學實驗教學中心， 成都 610065)

·實驗教學示范中心建設(shè)·

生物類虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)中的問題與對策

王 甜， 王茂林， 林宏輝

(四川大學 生命科學學院 生物科學實驗教學中心， 成都 610065)

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，高校實驗教學資源的信息化成為實驗教學示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，而虛擬仿真實驗教學中心無疑是信息化實驗教學資源開放共享的重要載體。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將以往常規(guī)實驗無法開設(shè)的實驗內(nèi)容轉(zhuǎn)化成虛擬實驗，成為常規(guī)實驗教學不可或缺的補充。通過對生物類虛擬仿真實驗教學中心開展教學資源、平臺等建設(shè)過程中出現(xiàn)的困難與問題進行探討，并結(jié)合自身建設(shè)經(jīng)驗，對資源共享機制、平臺與資源兼容、資源建設(shè)內(nèi)容特點和可持續(xù)發(fā)展等提出解決對策，以期對各高校虛擬仿真實驗教學中心的后續(xù)建設(shè)和發(fā)展提供借鑒和依據(jù)。

虛擬仿真實驗； 共享機制； 教學資源； 建設(shè)經(jīng)驗

0 引 言

提高高校學生創(chuàng)新精神和實踐能力，建設(shè)信息化實驗教學資源，共享優(yōu)質(zhì)實驗教學資源，是高校實驗教學信息化建設(shè)和實驗教學改革與發(fā)展的目標[1]，因此，全國各高校都在積極開展虛擬仿真實驗教學中心的建設(shè)工作，虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)工作堅持“科學規(guī)劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續(xù)發(fā)展”的指導(dǎo)思想[2-4]，大力推進實驗教學改革，創(chuàng)新實驗教學技術(shù)與方法，結(jié)合自身教學特色和培養(yǎng)生物科學類學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的教學目的和要求，將常規(guī)生物實驗教學無法開展的前沿及創(chuàng)新實驗內(nèi)容，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實驗教學資源，服務(wù)于高校實驗教學，以虛擬仿真實驗教學網(wǎng)站平臺為載體，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學資源的開放共享。國家教育部在2013年至2015年期間,共評選出300個國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)單位。其中生物類虛擬國家級虛擬仿真實驗教學中心有11個(見表1)，占比3.7%。

表1 2013-2015年生物類國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)單位

這11個生物類國家級虛擬仿真實驗教學中心是經(jīng)過省級教育行政部門、軍隊院校教育主管部門推薦，再由中國高等教育學會組織相關(guān)學科專家進行審核、網(wǎng)絡(luò)評審和會議評審產(chǎn)生，相對代表了目前中國生物類虛擬仿真實驗教學中心的建設(shè)范圍和水準。

通過訪問中心相關(guān)網(wǎng)站，生物類虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)主要有以下方面：數(shù)字化動植物標本數(shù)據(jù)庫(圖片、標本、音源、視頻等)；形態(tài)學顯微組織切片庫；生態(tài)學野外實習實訓；生物工程(發(fā)酵工程、基因工程、細胞工程等)；生物化學與分子生物學；生物制藥及基礎(chǔ)醫(yī)學及生物醫(yī)學工程；動植物解剖生理學；生態(tài)資源調(diào)查與保護利用。可以看出，各高校的虛擬仿真實驗教學中心的建設(shè)充分利用學校學科專業(yè)優(yōu)勢和地方特色資源，與自身教學相結(jié)合，通過校企深度合作，共建共享虛擬仿真實驗教學中心資源。

目前，全國有很多高校還在如火如荼地進行虛擬仿真實驗教學中心的建設(shè)，根據(jù)遴選要求，主要從4個方面(虛擬仿真實驗教學資源、教學隊伍、教學管理和共享平臺，以及實驗教學中心管理體系)進行全方位建設(shè)[4]，力爭獲評國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)單位。但是，在各高校建設(shè)虛擬仿真實驗教學中心過程中也凸顯出一些問題，使得建設(shè)過程舉步維艱，怎樣應(yīng)對這些問題讓虛擬仿真實驗教學中心的建設(shè)可持續(xù)發(fā)展，是當下最值得深思和探討的問題！

1 虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)中的問題

虛擬仿真實驗教學資源的開發(fā)初衷都是服務(wù)于本科教學，除了需要實驗教學一線教師結(jié)合自身教學優(yōu)勢，根據(jù)教學大綱制定建設(shè)內(nèi)容，同時與虛擬軟件制作公司的合作周期長，虛擬實驗制作、驗收，到投入使用需要很長時間，期間要對軟件進行修改完善反復(fù)測試，但各高校之間沒有溝通的平臺，資源建設(shè)的消息是閉塞的，也許花了時間和精力做出的虛擬仿真實驗也是其他高校正在開發(fā)制作的，導(dǎo)致虛擬仿真實驗教學資源重復(fù)建設(shè)。

(1) 對建設(shè)指導(dǎo)思想理解有偏差。有建設(shè)者將很多生物現(xiàn)象簡單過程復(fù)雜化、常規(guī)和直觀實驗的虛擬化，作為虛擬仿真實驗教學資源的建設(shè)內(nèi)容，又或是制作的虛擬場景和現(xiàn)實存在較大差異，不僅不會對學生的實驗學習帶來幫助，反而讓學生更困惑了，白白浪費了資源，教學效果適得其反。

(2) 虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)沒有統(tǒng)一標準。虛擬仿真實驗教學資源的建設(shè)來源于不同虛擬軟件制作公司，沒有統(tǒng)一的標準，其他高校如果想購買使用已建設(shè)好的虛擬實驗教學資源，卻在兼容與共享方面出現(xiàn)問題。

(3) 不同公司制作的虛擬平臺相互不能共享。很多虛擬軟件制作公司根據(jù)國家級虛擬仿真實驗教學中心的遴選要求，已開發(fā)了成熟的虛擬仿真實驗教學管理平臺，高校只需購買平臺，加入根據(jù)自己教學需要而開發(fā)的虛擬仿真實驗教學資源，就能建設(shè)一個系統(tǒng)完善的、開放共享的虛擬仿真實驗教學中心，具備賬號登錄，資源管理，班級、考試、新聞、論壇、實驗設(shè)備等管理功能。但是，不同公司軟件架構(gòu)會有差異，這也導(dǎo)致了一個學校的虛擬平臺虛擬仿真實驗教學平臺，對另一個學校的和不同公司合作開發(fā)的虛擬仿真實驗教學資源不能實現(xiàn)兼容和共享。虛擬仿真實驗教學平臺網(wǎng)站服務(wù)器往往托管于校園網(wǎng)，校內(nèi)訪問網(wǎng)站速度沒問題，可是校外網(wǎng)站訪問往往會受到影響，造成無法登錄或是虛擬實驗進行中卡頓，無法順利進行。

2 解決對策

2.1 建立共享平臺，制定共享機制

建議由相關(guān)管理部門建立全國虛擬仿真實驗教學示范中心資源共享平臺，各高校登錄注冊，在平臺上，已建設(shè)的單位提供中心鏈接網(wǎng)址，并將已建設(shè)完成的虛擬仿真實驗教學資源內(nèi)容名稱和簡介進行展示，資源內(nèi)容具備被查詢功能，以便其他高校對全國現(xiàn)有已建成的虛擬仿真實驗教學資源有所了解，杜絕重復(fù)資源建設(shè)現(xiàn)象。

高校之間可通過合作共享虛擬仿真實驗教學資源，減少重復(fù)建設(shè)的同時，又提高自身資源的利用率，但是，這需要相關(guān)管理部門建立完善的共享管理機制，鼓勵高校之間的互惠互享！

例如，海南大學的虛擬網(wǎng)絡(luò)平臺就是可進一步展開建設(shè)的開放性平臺，因為虛擬實驗不光是一項單純的教學活動，還包括完整的實驗網(wǎng)絡(luò)教學管理體系，比如虛擬實驗教學進度安排，教學講義，學生作業(yè)提交，老師批改及師生教學互動，都需要通過此平臺來完成。目前有許多開源式軟件支持這項工作，比如Xenservere，NS3等[5-7]。

2.2 建設(shè)資源與平臺兼容，便于二次開發(fā)

虛擬實驗教學軟件的制作需要專門的實驗教師負責開發(fā)，包含實驗教學內(nèi)容、虛擬實驗?zāi)_本撰寫、制作方式(二維或三維)等工作，要完成制作投入運行需要花大量的時間精力，因為不同的高校有著不同的專業(yè)特色和教學要求，為了使虛擬實驗內(nèi)容更適合學生的培養(yǎng)目標，一定程度上需要定制式的制作，這需要學校、任課老師和制作公司的三方配合[5,8]。如果每個學校都以這樣的方式去開發(fā)虛擬仿真實驗教學資源，既增大了教師的工作量，虛擬實驗制作的花費也增加，開發(fā)時間也增加，無形中造成資源的浪費。

如果各高校建設(shè)的中心網(wǎng)站平臺和虛擬仿真實驗教學資源具有統(tǒng)一行業(yè)標準，便于兼容其他高校可利用資源，通過共享機制，鼓勵高校之間利用已有的虛擬仿真實驗教學資源，再結(jié)合自身的教學特色和需求，在已建設(shè)的虛擬仿真實驗教學資源上進行二次開發(fā)，改造成為符合本校本科教學的資源，構(gòu)建“虛實結(jié)合”的實驗教學體系，既避免了資源浪費，也是各高校虛擬仿真實驗教學資源共享機制的有力支持。但是，這需要有關(guān)管理部門出臺全面的共享機制政策，針對收費標準、行業(yè)標準、知識產(chǎn)權(quán)等方面做出明確規(guī)定，以便各高校虛擬仿真實驗教學資源實施共享。

2.3 建設(shè)內(nèi)容要有側(cè)重點

生物類虛擬仿真實驗的開發(fā)范圍很廣，例如，抽象的生命微觀過程，系統(tǒng)宏觀，典型材料解剖過程示范，生物信息學實驗，不安全、昂貴的設(shè)備操作訓練，受資源課時制約無法開設(shè)的實驗，拓展教學空間突破障礙，破碎的知識點通過虛擬實驗連貫系統(tǒng)知識等方面，使得生物虛擬仿真實驗的建設(shè)內(nèi)容具有多樣，這就要求各高校在建設(shè)過程中，應(yīng)利用優(yōu)勢資源和專業(yè)特色，兼顧教學特色和區(qū)域特色，結(jié)合本科教學要求，有針對性、有側(cè)重點地開發(fā)具有高校自身專業(yè)特色的虛擬仿真實驗教學資源。

在開發(fā)資源時,要充分調(diào)研一線實驗教學教師的意見，確定虛擬仿真實驗教學資源內(nèi)容，更要考慮學生作為教學對象，哪種類型的虛擬實驗教學資源是他們感興趣的，哪種內(nèi)容對他們的就業(yè)和發(fā)展有利，真正做到將人力物力用于傳統(tǒng)實驗不能完成的虛擬實驗教學資源的開發(fā)制作。同時，要控制虛擬實驗在實驗教學中的比例，它是對傳統(tǒng)實驗室的輔助和補充，虛實結(jié)合，相輔相成，才能發(fā)揮各自的優(yōu)勢[9]。

四川大學生物科學與技術(shù)虛擬仿真實驗教學中心，積極開發(fā)與學生就業(yè)貼近的虛擬仿真實驗教學資源，建設(shè)的生物技術(shù)虛擬仿真實驗室，側(cè)重于生物制品和生物技術(shù)下游生產(chǎn)相關(guān)流程的虛擬仿真實驗教學內(nèi)容的開發(fā)，將產(chǎn)業(yè)背景介紹、生產(chǎn)流程、大型工業(yè)化設(shè)備虛擬操作等作為主要建設(shè)內(nèi)容，成為生物技術(shù)專業(yè)學生企業(yè)綜合實訓課程的有力補充，既充分發(fā)揮虛擬實驗教學的優(yōu)點，又盡量避免它的虛擬化帶來的不真實性體驗，虛實結(jié)合，相互補充[10-12]。

同時，各高校應(yīng)明確虛擬仿真實驗教學中心后續(xù)建設(shè)發(fā)展方向，作為指導(dǎo)虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)的指南針，有側(cè)重的開發(fā)資源，避免人力物力投入浪費。并且，思考怎樣與自身實驗教學體系結(jié)合，建立完善的虛擬實驗教學評價體系，讓虛擬仿真實驗教學資源成為實驗教學體系的有力補充，更好地發(fā)揮其優(yōu)勢互補的功能。

2.4 建設(shè)不斷變化交互點的虛擬仿真實驗教學資源

現(xiàn)在本科教學的對象是互聯(lián)網(wǎng)信息時代下的95后，曾有軟件公司針對學生感興趣的虛擬仿真實驗形式進行調(diào)查，給學生提供四種形式的虛擬仿真實驗軟件，分別是傳統(tǒng)二維的Flash、三維虛擬仿真、標準化視頻和三維虛擬結(jié)合智能VR.硬件(數(shù)字頭盔和體感設(shè)備)，學生投票選擇他們眼中感興趣的虛擬仿真實驗形式，結(jié)果顯示對采用三維虛擬仿真方法制作的虛擬仿真實驗和三維虛擬仿真結(jié)合智能VR.硬件感興趣的同學占比較高，占74%和89%。

因此，對于虛擬仿真實驗教學資源的開發(fā)不僅僅只是教師撰寫腳本，軟件公司制作，而是從確定內(nèi)容、撰寫實驗?zāi)_本開始就讓學生參與其中，開發(fā)學生感興趣的內(nèi)容和形式，做到以學生為本。還應(yīng)考慮到同一個虛擬仿真實驗教學軟件，使學生有興趣打開第三次，讓學生保持新鮮感。這就要求開發(fā)的虛擬仿真實驗必須設(shè)計不同的交互點，每次學生打開虛擬實驗軟件都有不斷變化的交互點，起到強化各階段知識點學習，保持學生的新鮮感，從而提高使用效率。

2.5 資源建設(shè)應(yīng)考慮移動客戶端使用需求

現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，學生接受教學的方式發(fā)生了很大變化，越來越多的信息學生傾向于從網(wǎng)絡(luò)獲得，因此，虛擬教學資源和平臺的建設(shè)應(yīng)充分考慮網(wǎng)絡(luò)和APP移動設(shè)備的使用，高校在進行虛擬仿真實驗教學中心網(wǎng)站的建設(shè)時，應(yīng)與合作企業(yè)簽訂虛擬實驗的操作界面、登錄交互界面等都應(yīng)該易于在智能手機及iPad(平板電腦)上操作(見圖1)，便于學生隨時隨地登錄網(wǎng)站，進行虛擬實驗，提出問題和發(fā)布問題，教師和其他學生可隨時交流和討論，解決問題。實現(xiàn)學生隨時隨地訪問虛擬教學資源，體驗無處不在的學習樂趣，真正實現(xiàn)了虛擬教學資源的開放和共享，成為開放程度高、移動式的虛擬仿真實驗教學中心。

圖1 智能手機上的虛擬實驗室界面

2.6 建成后的維護

虛擬仿真實驗教學中心建成后，硬件的維護、軟件的定期更新、教師學生的定期培訓等都需要經(jīng)費開支[5]，有些學校因為前期投入資金較大，導(dǎo)致后期維護困難，嚴重影響了教學效果。因此，在購買公司軟件時，應(yīng)盡量爭取公司對后續(xù)的軟件維護升級、人員培訓等給予優(yōu)惠，減少運營成本。同時，積極向?qū)W校爭取經(jīng)費和網(wǎng)絡(luò)改造的投入，支持虛擬實驗教學資源建設(shè)和后臺服務(wù)器訪問速度的提升。

3 建設(shè)服務(wù)型虛擬仿真實驗教學示范中心

3.1 服務(wù)教學

虛擬仿真實驗教學中心的建設(shè)和發(fā)展對未來高校信息化教學具有不可替代的作用，學生可以隨時隨地進入虛擬仿真實驗教學中心平臺，在虛擬實驗室里，完成實驗理論課前預(yù)習、實驗相關(guān)儀器設(shè)備的操作訓練、實驗技能學習和工業(yè)化生產(chǎn)虛擬實踐訓練等。根據(jù)學校辦學特色和學科專業(yè)特點，以虛擬仿真實驗教學中心為基礎(chǔ)平臺，整合實驗教學資源，促進教學與前沿科學研究成果的交流，實現(xiàn)科研成果與實驗教學內(nèi)容的有效對接，保證學生獲取新穎全面的實驗知識，并且，通過強大的虛擬仿真實驗教學中心平臺支持其他高校相關(guān)專業(yè)學生和用戶共享虛擬仿真教學資源。

虛擬仿真實驗教學資源具有經(jīng)濟性、靈活開放性、交互性、安全性、學科交叉性等諸多優(yōu)點[10]，建立生物工程實用技術(shù)虛擬實驗室：①為學生訓練實驗技能提供了教學平臺；②又最大限度的節(jié)省了實驗成本。在虛擬實驗室里，學生可以自由地選做常規(guī)實驗無法開設(shè)的實驗內(nèi)容。如在虛擬生化實驗室里，學生可以做有機物、天然產(chǎn)物提取等實驗[13]。還可以利用各種實驗儀器器材和實驗技術(shù)，組合和設(shè)計虛擬實驗過程。在虛擬工廠化實訓平臺里，學生可操作大型工業(yè)化設(shè)備，了解生物制品的工廠化生產(chǎn)等。它的建設(shè)對于生物專業(yè)學生的實踐訓練有著重要的作用。同時，虛擬仿真實驗與現(xiàn)實實驗的有效結(jié)合，讓虛擬仿真實驗更好地服務(wù)于教學。

3.2 服務(wù)企業(yè)

虛擬仿真實驗教學示范中心的建設(shè)可與合作企業(yè)簽訂虛擬實驗教學資源共享協(xié)議，虛擬仿真實驗教學資源可支持生物技術(shù)高新企業(yè)新員工培訓課程，為員工技能培訓和應(yīng)急處理實訓提供可行性服務(wù)。反之，通過員工使用和反饋意見，也可進一步完善和改進虛擬仿真實驗教學資源開發(fā)，實現(xiàn)資源的可持續(xù)發(fā)展。通過與相關(guān)企業(yè)合作,架起校企聯(lián)合、產(chǎn)學研結(jié)合的橋梁，構(gòu)建教學、研發(fā)相結(jié)合的人才培養(yǎng)創(chuàng)新模式，為國家培養(yǎng)高質(zhì)量的生物技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域的復(fù)合應(yīng)用型專門人才。為相關(guān)行業(yè)企業(yè)提供開放性、遠程繼續(xù)教育，立足服務(wù)于本院、本校和相關(guān)高等職業(yè)培訓機構(gòu)的高等教育資源[10,14]。同時，創(chuàng)建貼近生產(chǎn)實際的虛擬仿真實驗教學軟件，也可用于協(xié)同培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)人才的新模式，為培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)綜合型生物技術(shù)人才創(chuàng)造有利環(huán)境和條件，實現(xiàn)學校和企業(yè)雙贏。

4 結(jié) 語

生物類實驗教學資源的信息化建設(shè)，體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實技術(shù)與實驗教學過程的深度融合，開創(chuàng)了實驗教學的新模式，是高校虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)的重要內(nèi)容。它將推動高校實驗教學示范中心信息化建設(shè)進入新的發(fā)展階段，虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供了全新的教學手段和學習場景，支持交互式合作學習，使學習成為樂趣，互聯(lián)網(wǎng)虛擬現(xiàn)實技術(shù)充分支持并實現(xiàn)了因材施教和個性化學習，為生物的創(chuàng)新實踐教育提供了全新的教學媒體。但是，它的建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展策略還處于探索中，無論是虛擬仿真實驗教學資源的開發(fā)，還是教師隊伍、共享機制和管理體系等建設(shè)過程都會遇到很多意想不到的困難，這需要高校建設(shè)者們共同獻計獻策，在過程中汲取經(jīng)驗教訓，共同創(chuàng)造可持續(xù)發(fā)展的實驗教學改革有利氛圍。

[1] 蘭云賢,林 鵬,蘇 軍,等.動物營養(yǎng)學科本科實驗課程體系構(gòu)建與實踐[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學學報(社會科學版),2013,15(1):83-87.

[2] 教育部辦公廳.關(guān)于開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)工作的通知[EB/OL].[2015-06-04]. http://www.moe.edu.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201506/t20150618_190671.html.

[3] 北京市教育委員會.關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心遴選推薦工作的通知. [EB/OL]. [2015-06-30]. http://zfxxgk.beijing.gov.cn/columns/63/5/604265.html.

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[9] 王元娟.基于高校虛擬實驗室發(fā)展若干問題的建議[J].科技信息,2009(7):118,130.

[10] 王 甜,林宏輝.生物技術(shù)虛擬實驗室的構(gòu)建[J].實驗技術(shù)與管理,2015,32(8):118-120.

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·名人名言·

知識是一座寶庫，而實踐則是開啟寶庫的鑰匙。

——托馬斯·富勒

Analysis of Existing Problems and Countermeasures of Construction of Virtual Simulation Experiment Teaching Center of Biology

WANGTian,WANGMaolin,LINHonghui

(Experimental Teaching Center of Biological Sciences, School of Life Science, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

With the development of digital technology, the informatization of experimental teaching resources becomes an important content of the construction of experimental teaching demonstration center, and virtual simulation experiment teaching center is an important carrier of information the open sharing of teaching resources undoubtedly. Using virtual reality technology, conventional experiments that cannot be open are transferred into virtual experiments, hence the technology becomes indispensable supplement of experiment teaching. This paper discusses the difficulties and problems in the process of the resources and platform construction in the virtual simulation experiment teaching center of biology. Combined with our construction experience, the paper also puts forward the countermeasures such as the platform compatibility with resources, resource sharing mechanism, the construction content characteristics and sustainable development, in order to provide reference and basis for construction and development of virtual simulation experiment teaching center.

virtual simulation experiment; sharing mechanism; teaching resources; construction experiences

2016-08-16

國家自然基金委四川大學生物學基地人才培養(yǎng)支撐條件(J1210013)；國家自然基金委四川大學國家生物學人才培養(yǎng)基地(J1103518)；高等學校本科教學質(zhì)量與教學改革工程“專業(yè)綜合改革”項目；四川大學新世紀教育教學改革工程(第七期)研究項目

王 甜(1981-)，女，布依族，貴州興義人，碩士，實驗師，研究方向為生物學實驗教學。

Tel.：028-85413596，E-mail：wangtian0311@scu.edu.cn

林宏輝(1968-)，男，四川仁壽人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為植物代謝工程及逆境分子生理領(lǐng)域研究工作。

E-mail：hhlin@scu.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)03-0153-04