虛擬仿真實驗平臺在生物技術專業本科實踐教學中的應用

金太成，楊麗萍，趙永斌

(吉林師范大學生命科學學院，吉林四平 136000)

生命科學是一門實踐性較強的學科。通過實踐課程提高學生動手能力、發現問題和解決問題的能力，是培養高素質創新型人才的重要手段。在生物專業本科學生培養過程中，實踐教學貫穿始終，簡單來說可以包括實驗、實訓和實習三個教學環節。很多實驗周期長，耗費大，而實訓實習過程又存在作業環境危險等因素。虛擬仿真實驗教學依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，幫助學生在虛擬環境中開展實驗，可以更好地達到教學大綱所要求的實驗目的[1]。

1 高校生物實踐教學中開展虛擬仿真教學的必要性

面對日趨激烈的國力競爭，世界各國普遍關注教育信息化在提高國民素質和增強國家創新能力方面的重要作用[1]。我國同樣重視教育信息化，在高校中積極開展虛擬仿真教學建設工作就是其中的一個具體表現[2]。教育部于2012年印發《教育信息化十年發展規劃(2011—2020)》，明確提出利用先進網絡和信息技術，整合教育資源，強化實踐育人環節，提升實驗教學水平，并推進教學實驗信息化平臺建設。為此，教育部于2013年起陸續批準建立了100個國家級虛擬仿真實驗教學中心。為進一步落實該項工作，教育部在2017年連續印發《2017年教育信息化工作要點》和《關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》兩個重要文件，強調不斷加強高等教育優質資源建設與應用，遴選一批典型虛擬仿真實驗項目，開展虛擬仿真實驗共享平臺建設，規劃到2020年將認定1000項左右示范性虛擬仿真實驗教學項目。開展虛擬仿真教學平臺建設、豐富虛擬仿真教學內容的迫切性和重要性毋庸置疑。

2 虛擬仿真教學在高校生物實踐教學中的優勢及作用

2.1 使長期實驗短期化、抽象實驗可視化，顯著提高實驗教學效果

有些生物學實驗周期較長，現有的真實教學實驗展示的生命現象與過程往往是片斷的、不連續的，不具備大的時空跨越性。以基因工程實驗課程為例，該類實驗通常包括基因克隆、載體構建、目的基因轉化、目的基因檢測與表達等環節，整個實驗過程需要1～2個月，甚至更長時間。通過虛擬仿真教學，可以在有限的教學課時下，保證實驗教學的連貫性及知識點的全覆蓋。同時，有些生物學實驗過程比較抽象，實驗內容簡單。以組織解剖、人體及動物生理學等實驗課程為例，部分實驗內容僅僅利用簡單的人體構造模型完成教學，過程相對枯燥、空洞，學生學習興趣不高。而通過虛擬仿真技術可真實展現人體器官的三維解剖結構，實現立體、直觀、逼真、全方位、多角度觀看實物三維構像，使學生從被動學習轉變成主動、積極、靈活的學習，顯著提高實驗教學效果。

2.2 降低實驗教學成本，顯著提升實驗教學效率

部分生物學實驗教學成本高、消耗大。以分子生物學實驗為例，單克隆抗體制備、基因芯片制備等教學內容非常重要，但開設成本過高，無法保證每個學生動手做大量實驗；而且經常使用一些毒性較大的實驗試劑，存在一定的安全隱患。虛擬現實技術通過一次性投入，建設虛擬仿真實驗教學資源，讓學生不必進入實驗室進行實際操作就能達到一定的學習效果，降低了教學成本。

2.3 加強實習實訓教學，顯著提升學生就業競爭力

實習實訓是生物技術專業重要的實踐型教學環節，對培養學生解決實際問題的能力、全方位提高學生綜合素質具有重要意義。但生物技術企業對衛生、環境及安全性要求很高，接納大量學生實習的積極性不高,同時成本、技術保密等因素使學生無法參與關鍵技術培訓。上述問題制約了學生綜合能力的培養，不利于學生接受系統全面的技能培訓。虛擬仿真實習實訓教學平臺既可以保證學生的安全，又可以保證實習實訓的系統性和教學質量，顯著提高學生從業技能，增強學生的實踐和創新能力，為學生就業提供有力保障。

3 虛擬仿真教學存在的問題和解決策略

虛擬仿真實驗教學工作目前在全國各高校受到普遍重視，但在實驗平臺建設及教學過程中難免存在一些問題。下面結合我院虛擬仿真教學平臺構建過程中的實際情況，針對虛擬仿真教學工作中存在的幾個共性問題，提出相應解決策略。

3.1 虛擬仿真教學資源不夠豐富

虛擬仿真實驗教學優勢獨特，但前期投入較大，特別是內容制作花費昂貴。我國目前雖然已經建立了不少國家級、省級虛擬仿真教學中心，但各中心普遍面臨的問題是在資金限制下虛擬仿真實驗資源不夠豐富或后繼實驗內容拓展不夠。另一方面，很多中心的教學內容存在重復、同質化現象。這種局面嚴重限制虛擬仿真教學的開展，有效的解決策略是全國資源共享，打破各虛擬仿真教學中心間的壁壘，讓大家都能享受到虛擬仿真教學的好處。例如，教育部發布的《關于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》中明確強調開展虛擬仿真實驗共享平臺建設，要求各示范項目必須完全對外公開服務，確保校外互聯網網絡鏈接地址直接指向實驗項目；同時，應加強后繼資金投入，全面統籌虛擬仿真教學資源的建設工作，避免重復建設和資金浪費。

3.2 部分虛擬仿真教學內容陳舊，應用價值不高

隨著國家經濟的快速發展和高等教育水平的顯著提高，有些虛擬仿真實驗教學資源過于陳舊，知識點分散，系統性不強，無法顯著提高學生的實踐創新能力。在虛擬仿真教學內容建設過程中一定要堅持“能實不虛”的原則，一些簡單重復實驗在正常實驗課就能完成，完全沒必要虛擬化。同時,有些成型虛擬仿真教學資源產品與本校的教學實際情況不符，通過簡單的花錢購買無法達到預期的教學目標。針對上述現象的有效策略是根據實驗要求，有針對性地訂制虛擬仿真教學內容。實驗教師應根據具體學科的特點，獨立設計虛擬仿真教學目標、內容，與軟件開發人員合作，訂制虛擬仿真教學資源。虛擬仿真實驗資源貴在精，要有深度和系統性，要真正解決常規實驗解決不了的問題。只有保證虛擬仿真教學資源的質量，才能發揮虛擬仿真實驗教學與常規實驗教學“虛實結合，以虛擴實”的目標，提升實踐教學的質量和效果。

4 結語

教育信息化是大勢所趨，高校開展虛擬仿真教學前景廣闊。只要我們加強虛擬資源共享機制建設，拓展虛實深度結合的仿真教學資源，充分利用互動性強的虛擬仿真教學方式，終將實現提高實踐教學質量、為國家培養創新型人才的最終目標。