虛擬仿真實驗教案設計及實踐

劉亞豐， 蘇 莉， 吳元喜， 唐朝暉， 張日欣， 林 剛， 余龍江

(華中科技大學 生命科學與技術學院， 武漢 430074)

虛擬仿真實驗教案設計及實踐

劉亞豐， 蘇 莉， 吳元喜， 唐朝暉， 張日欣， 林 剛， 余龍江

(華中科技大學 生命科學與技術學院， 武漢 430074)

以生命科學與技術國家級虛擬仿真中心近年在教案設計方面的探索及實踐為依據,從專業知識、虛擬場景、邏輯結構、交流互動、教學反饋、效果與質量評測等方面深入探討了虛擬仿真教案的準備與設計，以期推進虛擬仿真教學模式在實驗教學中的廣泛應用，提高學生綜合實踐能力。

虛擬仿真； 實驗教學； 教案設計； 自主學習； 實踐能力

0 引 言

虛擬仿真實驗教學可以彌補真實實驗不允許開設或難以達到教學效果的實驗，是一種有利于自主學習、主動實驗、共享開放的教學模式[1-2]，是教育信息化背景下教學改革的發展方向和人才培養的重要手段[3-5]。為推動虛擬仿真等信息技術在教學上的應用與推廣，教育部先后發文并從2013年起每年批準建設100個國家級虛擬仿真實驗教學中心[6]。

對于虛擬仿真技術，人們最早接觸的是科幻影片或3D網絡游戲，其在實驗教學上的應用開始于本世紀初，主要用于電路仿真與設計等[7-9]。盡管這幾年對虛擬仿真技術有更多了解和認識，其應用也擴大到更多專業[10-15]，但如何將該技術與專業知識結合進行教案設計，將關系到虛擬仿真實驗教學質量與可持續發展。本文通過實驗教案設計，并結合生命科學與技術國家級虛擬仿真中心建設實施情況，從多個環節探討虛擬仿真實驗教案的規劃與設計，以期推動虛擬仿真教學資源建設、促進虛擬仿真教學模式應用與發展。

1 實驗教案設計必要性與可行性

1.1 教案設計必要性

虛擬仿真實驗教學是專業知識與信息技術深度融合的產物[6]。對于學科專業知識，專任教師熟知并能言傳身教傳授給學生，整個教學過程順利實施得益于教師對教案的精心準備。無論是理論教學還是實踐教學，教師課前都會設計和準備教案，它是基礎知識、專業技術及技能操作通過不同手段、展現形式按照一定邏輯關系執行的一段“程序代碼”。在傳統教學模式下，這種代碼是教師主導學生配合執行的。對于虛擬仿真實驗這種新教學模式，為達到教學目標進行教案設計是應該的、也是必需的，其代碼是學生主導計算機配合完成的，但其工作量、復雜程度也將遠超傳統教案。

許多教師對于信息技術，尤其是虛擬現實技術和模擬仿真技術不很熟悉，并且在繁重的科研與教學任務下，教師不可能在短時間內掌握并利用這些技術進行專業知識信息化，更多的是將這部分工作交于專業公司以合作方式完成。專業公司雖精通信息技術，但不熟悉專業知識，若僅僅將實驗指導書、PPT課件、實驗錄像交于公司，甚至僅僅將功能需求告知公司實現轉化，不僅使得虛擬仿真實驗項目制作周期變長、開發成本升高，更重要的是很難將專業知識尤其是教師豐富經驗傳遞出去，很難獲得良好的教學效果與教學質量。因此，需要專任教師親自參與教案編寫，為專業知識信息化提供高質量的素材和準備。

1.2 教案設計可行性

虛擬仿真實驗不能簡單認為是傳統實踐教學的虛擬化、網絡化，不能因為實體實驗復雜、花時間多而虛擬化。本著高水平人才培養的目標，根據新形勢下教學需求和學生獲取知識方式的轉變，有所為有所不為的開發虛擬仿真實驗(見圖1)，具體建設原則參見文獻4和5。

圖1 虛擬仿真實驗開發原則

在宏觀建設原則確定后，還需從教案設計層面進一步展開論證：學科專業知識是否方便信息化技術傳遞，實驗細節及難點是否能通過編程、交互接口實現，實驗效率與結果如何通過后臺程序監控管理等。只有這些內容確定可行且其開發成本可控，方可進行后續的工作，否則很難達到實驗教學目標與良性發展。

2 虛擬仿真實驗教案設計

2.1 專業知識設計

專業知識設計是學科知識與操作技能等素材整理、梳理的過程，是信息技術要傳遞的對象、內涵，要根據教學大綱、培養計劃、信息技術展現形式以及學生獲取知識習慣，精心準備實驗原理、實施技術、方案流程、實驗結果等內容，這個過程關系到虛擬仿真實驗是否有實質內容及傳遞信息的容量。以細胞膜片鉗實驗為例，真實實驗時教師會講述、演示玻璃電極對細胞封接的調節過程；虛擬仿真實驗則要構思、設計這個過程，不僅要考慮細胞、玻璃電極的三維幾何模型構建，還要考慮二者坐標、相對運動的數學/物理模型，二者的控制調節以及錯誤處理環節等，如圖2所示。

通過本次對比研究，基本劃定了研究區內優勢和劣勢茶園分布范圍，基本摸清了適宜茶葉生長的立地條件。桐城市大別山區適宜發展茶葉種植，結合地方茶產業發展需求，今后可打造高標準茶園及特色茶葉基地建設。本次研究成果為桐城市其他地區推廣種植“桐城小花”茶提供了借鑒和重要參考。

圖2 細胞膜片鉗封接實驗設計

2.2 虛擬場景設計

虛擬仿真場景設計包括操作對象、操作環境以及場景漫游的設計等，主要營造一個逼真的實驗條件或氛圍。操作對象主要有分子細胞、動植物標本、儀器設備、器具耗材、藥品試劑等，應在外形、比例尺寸、按鍵面板、顯示屏制作等方面精心考慮，盡量與實物的外觀和尺寸保持高度一致，如圖3(a)所示，展示的是中心研發的發酵罐操作系統。操作環境主要涉及建筑物、家具、光照、溫濕度等內容的塑造，營造一個逼真的實驗環境。圖3(b)除了展示中心研發的斑馬魚眼電測量操作對象，還增添了家具、光照等虛擬環境，相比圖3(a)營造出較好的操作場景。另外，應根據實驗效果需求和開發成本選擇是2D還是3D場景。場景漫游是通過程序設計以虛擬人或語音講解的方式將虛擬場景呈現給用戶，可以設計成自動漫游或手動漫游的模式，方便學生了解和熟悉操作環境和實驗室功能，有助于提高實驗完成效率，提高后續真實實驗操作的切入度與操作效果。

(a)發酵罐仿真操作實驗

(b)斑馬魚眼電仿真測量實驗

圖3 虛擬場景設計

2.3 邏輯結構設計

邏輯結構設計關系到專業知識、操作對象、場景等內容以什么樣的結構執行，單純的順序結構類似實驗錄像播放方式，對于學生掌握基本知識、實驗流程是有助的，但無法鍛煉學生綜合設計能力和對知識的融會貫通。為克服這些問題，可在教案設計時增添條件結構、循環結構等，如圖4所示。條件結構可實現不同實驗方案的設計，完成同一目標實驗任務，如果實驗條件不允許或出現錯誤，則會產生錯誤的實驗結果或現象。如在血紅蛋白分離與純化綜合實驗中，將生物技術碎片化處理分解成多個獨立的技術和操作模塊，學生能夠進行技術方案設計、參數選取、條件配置以及虛擬仿真操作[2]。循環結構可確保只有實驗條件、實驗參數等配置正確，才可進行后續的實驗操作，這種結構有利于強調實驗細節、加強知識融會貫通，但其占用的計算機資源相對其他結構較大。

圖4 3種邏輯結構對照

2.4 交流互動環節設計

交流互動環節是虛擬仿真實驗中教師與學生通過互動實現無時間、地點限制的授業、解惑重要環節、是突出強調實驗難點與細節的有效手段、是教師經驗傳遞及知識技能延伸的有效途徑。這部分內容關系到實驗的效果和學生掌握知識的程度，因而是教案設計的亮點、精華之處，但所帶來的工作量也相對較大、復雜程度較高，可采用2種方式實現：

(1) 通過對話框彈出方式進行交互。它可以是單選題或多選題的形式，也可以是圖片的形式，只有選擇正確才可進行后續的流程或操作。圖片形式可以是二維的、也可以是三維的，圖片形式給人直觀，將成為未來建設重點。

(2) 通過硬件接口方式進行交互。這種互動環節往往需要添加立體投影系統、位置跟蹤定位系統、感覺測量與反饋系統，能將用戶所做的行為跟蹤記錄下來并與模板匹配，只有正確地執行，方可開展后續實驗操作。該環節能夠給學生身臨其境參與，隨著虛擬現實技術的發展，將成為未來發展方向。

2.5 教學反饋環節設計

教學反饋環節設計是提升實驗教學效果的途徑之一。虛擬仿真實驗通常由學生自主完成，學生碰到問題無法像真實實驗那樣可隨時咨詢老師，也不能要求教師一直在線答疑解惑，這就要求在教案設計時，充分考慮學生可能遇到的困難和教師不在現場的應對之策，具體可從3個方面考慮設計：

(1) 輔助材料準備。教師不僅要整理實驗原理、操作步驟、注意事項等相關內容，還應準備實驗難點、實驗細節并以試題形式供在線查詢。這些實驗輔助材料準備得越全面、詳細，對學生的幫助越大，可提高實驗成功率、夯實學生掌握知識程度；

(2) 問題反饋欄目設計。學生實驗結束時可在線提交所遇到的難點與問題，系統通過短消息、郵件自動轉發給課程負責教師，教師基于手機APP應用后臺或郵件及時反饋給學生。該環節設計涉及到系統軟件的編寫，對于學生解決實驗過程中碰到的問題、鞏固所學知識是非常必要的，需在教案設計中予以考慮；

(3) 后臺監督反饋設計。通過系統后臺數據，分析學生實驗中存在的共性問題，由負責老師通過公共消息或后續實體實驗課時進行重點解釋答疑。該環節要求系統能夠記錄學生在線操作的完整過程，因而數據量大、分析復雜，對系統設計要求較高，類似大數據處理，如果有條件應考慮建設。

2.6 效果與質量評測設計

目前開展的虛擬仿真實驗教學，僅僅成為學生獲取知識與能力的一種載體或傳播手段，很少涉及到如何考核教學質量、學生學習效果，更不用來評價學生實驗技能，造成虛擬實驗教學過于簡單和流于形式。為克服這些問題，可參照圖5所示建立完善的評價體系，監督和跟蹤學生在線學習與實驗操作。

重點要考慮以下4個方面設計：

(1) 綜合設計能力評測環節設計。應考慮實驗方案流程設計評價、儀器參數選取評價、交互質量評價等內容。對于方案流程設計評價，一般應設計多個方案供學生選擇，方案選擇是否正確、優劣則反映學生對相關知識和技術的掌握程度；對于儀器參數選取評價，儀器參數及工作參數選取直接決定實驗或操作的成敗和實驗效果，每種選擇應給出相應的評分細則；對于交互質量評價，可將實驗中一些關鍵技術要點和核心流程，以彈出對話框、即時消息等方式考察用戶是否掌握，作為學習量化的一種形式。

圖5 教學效果與質量評價模塊設計

(2) 監控環節設計。通過在線后臺監控的方式或實時現場監控如視頻監控方式監察和記錄用戶的實驗操作與活動，監督確保學生高效學習與操作，避免過多占用公共網絡資源。

(3) 報告提交與評閱環節設計。系統開發實驗報告在線提交、在線批注、在線批改、智能評閱等功能。

(4) 操作效果評測環節設計。學生進行實驗操作過程中，設計后臺監控學生在線時間、完成內容、實驗成敗及完成效率，通過分析獲取學生學習與實驗能力評價報告以及教學效果與教學質量評價報告。

3 結 語

虛擬仿真實驗教學將成為信息時代教育改革的發展方向，將成為學生獲取知識與技能的重要手段。本文首先從建設的必要性、可行性出發，分析了虛擬仿真實驗教案設計對虛擬仿真教學的意義和重要性，進而結合相關實例從專業知識、虛擬場景、邏輯結構、交流互動、教學反饋、效果與質量評測設計等方面具體闡述了虛擬仿真教案的設計原則、建設內容及相關注意事項，這些建議與結論將有利于高質量虛擬仿真教學資源的建設，有利于虛擬仿真教學模式的應用與推廣，促進教學模式多元化發展和高水平人才培養。

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[6] 中華人民共和國教育部.關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知(教高司函(2013)94號，2013.8.

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·名人名言·

學習知識要善于思考、思考、再思考，我就是靠這個學習方法成為科學家的。

——愛因斯坦

Design and Practice of the Teaching Scheme for Virtual Simulation Experiment

LIUYafeng,SULi,WUYuanxi,TANGZhaohui,ZHANGRixin,LINGang,YULongjiang

(College of Life Science and Technology，Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074， China)

In recent years, the rapid development of virtual reality and other information technology has greatly promoted the teaching reform of higher education and the application of new teaching mode. However, the teaching schemes for virtual simulation experiment are rarely discussed. In order to carry out the wide application of virtual simulation teaching mode and improve students’ comprehensive practical ability, the design and preparation of the teaching scheme for virtual simulation experiment were investigated in detail in the paper based on authors’ previous exploration practice from professional knowledge, virtual scene, program structure, intercommunion, teaching feedback, quality evaluation and so on.

virtual simulation; experimental teaching; teaching scheme design; self-learning

2016-04-12

湖北省教學研究項目(2014070，2015060)

劉亞豐(1976-)，男，河南漯河人，博士，工程師，中心副主任，研究方向：生物醫學光子學、光遺傳學、電生理學，主要負責生命科學與技術國家級虛擬仿真中心建設。E-mail:yfliu@mail.hust.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)03-0185-04