生物類虛擬仿真實驗教學資源的建設與發展

龔思穎，陳曉婷，張金菊，胡 原，周 權，萬 建，熊國梅，李 兵

生物類虛擬仿真實驗教學資源的建設與發展

龔思穎，陳曉婷，張金菊，胡 原，周 權，萬 建，熊國梅，李 兵

（華中師范大學 生命科學學院 湖北省生物學實驗教學示范中心 國家級生物學虛擬仿真實驗教學中心，湖北 武漢 430079）

針對國內虛擬仿真實驗資源開發的現狀，以首批國家級生物科學類虛擬仿真實驗項目建設為例，分析了國內生物學虛擬仿真實驗教學資源的建設特色、應用、存在問題和發展趨勢，探討了發揮虛擬仿真實驗在生物學教學中的優勢及提高資源建設質量的建議。

生物學；虛擬仿真實驗教學；資源建設

大數據、云計算和物聯網等信息化技術的快速發展推動了新一輪科技革命和教育改革。黨的十九大關于教育改革的論述，聚焦新時代對人才培養的新需求，強化以能力為先的人才培養理念，強調通過信息技術與教育的深度融合促進教育質量全面提高，并對新時代教師隊伍建設提出了新的要求[1-5]。新時代賦予了教育信息化新的使命，在“互聯網+教育”的時代背景下，慕課（MOOC）、在線課程、虛擬仿真等教學形式在學科專業與信息技術交叉融合下產生。

為加強高等教育實驗教學優質資源的建設與應用，促進信息技術與實驗教學項目融合，2013—2015年教育部分年度建設了一批具有示范、引領作用的生物類國家級虛擬仿真實驗教學中心[6-7]。為進一步解決大學生動手能力不足等問題，達到改造實驗教學項目、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的目標，教育部面向全國普通本科高等學校開展了示范性虛擬仿真實驗教學項目建設[8]。首批公示的105項國家級虛擬仿真實驗教學項目中生物科學類共15項，占14.29%[9]。此類項目的獲批反映了虛擬仿真實驗教學技術在多個學科領域產生的重要影響，也說明生物科學類虛擬仿真實驗教學資源（以下簡稱生物類虛擬資源）具有極大的開發、應用潛力。

目前，國內高校以“互聯網＋實驗室”理念為引導，堅持“學生中心、產出導向、持續改進”原則，采用Flash、Unity3D、VR、AR、大數據等技術，積極開展虛擬仿真實驗教學項目建設。本文以首批國家級生物科學類虛擬仿真實驗教學項目開發現狀為例，分析生物類虛擬資源的建設特色、應用和存在問題，探討資源建設的發展趨勢及提高資源建設質量的建議。

1 建設內容

各高校以人才培養為目標，以社會需求和解決實際教學問題為導向，依托自身優勢學科和特色專業，結合現有實驗教學中心、實踐實習基地、平臺等教學資源，采用校企合作的方式開展虛擬仿真實驗教學資源（以下簡稱虛擬資源）建設，實現資源的優勢互補和多層面共享[10]。目前，國家級虛擬資源的建設內容大致分為5類，各類之間存在部分交叉與融合（見圖1）。以下對這5類的建設內容進行舉例說明。

圖1 虛擬仿真實驗項目建設模式

2 5類建設內容舉例

2.1 依托優勢學科及特色專業開展虛擬資源建設

各高校結合學科優勢和特色，在不同學科、不同專業層面上開發虛擬資源。

南京農業大學農業生物學虛擬仿真實驗教學中心，以植物學、動物學、微生物學、生物化學與分子生物學等課程為基礎，依托作物學、農業資源與環境、植物保護等優勢學科，突出農業生物學特色，通過動植物虛擬仿真平臺、野外實習、現代生物學實驗技術等虛擬仿真平臺，自行開發了校園植物電子地圖、農田雜草識別系統和互動仿真實驗、大型儀器虛擬仿真實訓系統等[11]。

華中農業大學生物學實驗教學中心以“學科特色、產業實踐、技術前沿、創新能力”為導向，依托生物學等優勢學科，建立了包含綜合設計性、校內外實習實訓、尖端儀器設備和生物學資源拓展等4大虛擬仿真實驗資源模塊。其中，綜合設計性虛擬實驗項目“水稻遺傳轉化虛擬仿真實驗項目”依托“國家轉基因重大專項”和全球領先的轉基因水稻研發技術成果，使學生全面理解和掌握愈傷組織的誘導及繼代、農桿菌侵染、共培養、抗性愈傷組織篩選、外源基因轉化瞬時表達檢測、轉基因植株的分化及移栽、外源基因穩定表達檢測等水稻遺傳轉化的全程技術，有助于學生盡早接觸學科前沿。

揚州大學生物科學與技術虛擬仿真實驗教學中心依托獸類學等特色學科，建設了國家首批虛擬仿真實驗教學項目“兔的形態結構與功能虛擬仿真實驗”，該項目可完成兔的形態組成特征、規范化解剖流程等教學內容，解決了在實體實驗中由于“器官微小、結構與功能協調變化過程不可見”等而無法實施的“各系統空間位置關系、結構與功能協同變化過程等”教學內容，實現了實驗項目“完整、高效、綠色、環保”的目標。

東北師范大學生物學虛擬仿真實驗教學中心依托生態學、生物學兩個優勢學科，建設了具有專業特色的動植物圖片庫、數字化標本館、鳥類鳴叫庫等虛擬仿真資源。其中鳥類鳴叫庫是目前高校中唯一的關于鳥類聲音鑒別的虛擬仿真資源。

2.2 結合所在地區特有的生物資源或已有的實踐實習基地、中心平臺等開展基于野外實習的虛擬資源建設

野外實習是生物學專業教學過程中的重要實踐性環節。為解決目前野外實習普遍面臨的師資缺乏、模式單一，互動性、共享性差，采集標本受生境、季節、天氣等因素影響，不利于環境保護等問題，采用現代信息技術構建“不同生態區生物學野外實習虛擬仿真實驗”，學生通過個人計算機、手機等設備模擬野外實習，突破了時空限制。

華中師范大學生物學虛擬仿真實驗教學中心結合多年野外實習的教學成果，重現了神農架在不同季節、不同路線的野外環境和動植物實景，滿足學生動植物實習需要[12]。所建設的“珍稀動物生物學習性觀察研究虛擬仿真實驗項目：以神農架川金絲猴為例”，將教師多年的科研成果（如金絲猴的頭骨、叫聲、行為視頻和照片）轉化為虛擬教學資源，解決了珍稀保護動物金絲猴不可獲得、不能解剖，其生境不能進課堂等瓶頸問題，使學生身臨其境地觀察了解金絲猴生活習性，增強了環境友好、生態文明意識，目前已面向新疆師范大學等西部高校免費開放。

南京農業大學農業生物學虛擬仿真實驗教學中心建設的“不同生態區生物學野外實習項目”，綜合應用WebGL、VR、航拍等技術，構建黃山、天目山、色季拉山、夏瑪和民勤等5個不同生態區的實習場景，為野外實習提供方便、高效的全方位輔助，主要包括生境探究、動植物性狀檢索、植物群落調查和顯微結構觀察等，結合“生物共享聯盟”微信端應用，幫助學生突破時空限制，開展自主移動學習，顯著提高實踐創新能力[13]。該項目不僅創新了實習教學模式，也促進了東、西部高校優勢資源互補，推動了西部高校信息化教學發展。

東北師范大學生物學虛擬仿真實驗教學中心建設的“生物學野外實習虛擬仿真實驗項目”，以長白山野外實習為背景，按照“能實不虛”的原則，從動物學（鳥類多樣性調查、訪花昆蟲對蜜源植物選擇）、植物學、生態學實習等方面，從不同角度建構長白山虛擬仿真野外實習系統[14]。

四川大學生物科學與技術虛擬仿真實驗教學中心以川大博物館館藏標本和西南地區豐富的生物資源為基礎，建立了數字化虛擬動植物教學標本資源庫，建成了“數字化教學標本共享平臺”，與國內多所高校的動植物教學標本資源實現共享，為野外綜合實習實訓提供了強大的物種數據[15]。

西北農林科技大學正在建設的“秦嶺火地塘植物學綜合仿真實訓”結合VR技術與植物生境照片，幫助學生了解植物形態特征，掌握植物鑒定技能，提高識別植物的能力，解決受季節、資源稀缺等因素影響而不能進行破壞性解剖觀察的難題，提高了實習質量。

2.3 結合高校人才培養目標，以問題為導向，建設有特色的虛擬資源，促進教學改革

虛擬資源的研發應緊密結合學校定位和人才培養目標，以解決真實教學中存在問題為導向。

華中師范大學生物學虛擬仿真實驗教學中心建設的“分子生物學虛擬仿真實驗項目”，以分子生物學實體實驗為基礎，建立了虛實結合的人才培養體系[16]。將虛擬實驗真正運用到實驗教學中，要求學生通過虛擬實驗進行課前預習考察和課后復習鞏固，將虛擬實驗考核結果按10%的比例納入期末實驗課成績。與未使用虛擬實驗教學的班級對比結果表明，虛擬仿真教學在很大程度上激發了學生學習興趣，明顯提高了學習效率，體現了虛擬仿真實驗教學的必要性。此外，中心遵循“為基礎教育服務”的發展方向，在教學資源內容設置上注重突出教師教育特色。開設了師范生實驗教學技能訓練虛擬實驗模塊，選取中學生物學實驗教學中的代表性實驗開展虛擬實驗教學，加強師范生實驗教學技能訓練，培養卓越的中學生物學師資[17]。

華中科技大學生命科學與技術虛擬仿真實驗教學中心依托生物學和生物醫學工程兩個優勢學科，建設了“生物大分子分離純化綜合設計虛擬仿真實驗”。該項目將復雜實驗技術分解成諸多獨立模塊單元，學生可自由拖拽、任意組合各模塊，設計自己的純化方案和具體條件參數，設計過關后方可進行虛擬實驗。這種先虛擬方案設計、再仿真操作、再實體實驗的模式，增加了實驗的設計性、任意性、多樣性和趣味性，有助于學生掌握從復雜混合體系中提取生物大分子的原理和方法，提升綜合設計能力和實踐創新能力。

西北農林科技大學森林生物學虛擬仿真實驗教學中心以全面增強學生實踐和創新能力、提高本科教學質量、提供社會服務為宗旨，依據森林生物學的特殊性及其實驗教學目標，建立了人工降雨大廳、生態預測與全球化實驗室、數字林業實驗室、生態仿真優化實驗室等教學平臺，形成虛擬仿真實驗與常規實物實驗相融合的森林生物學實驗教學新體系[18]。

2.4 針對高危或極端環境、高成本高消耗、周期長、操作難度大等實驗內容開展的虛擬資源建設

放射性同位素標記核酸分子雜交是遺傳學和分子生物學研究最常用的一項技術，但因其存在輻射安全風險，很難面向本科生開設。華中師范大學生物學虛擬仿真實驗教學中心建設的“放射性同位素標記核酸分子雜交虛擬仿真實驗”，包括教學模式、演示模式和考核模式，交互性強、呈現手段豐富，綜合采用問題式、研究式、討論式等教學方法，有機整合形成性評價和終結性評價，提高了學生開展獨立研究能力，又避免了安全風險。目前該項目除應用于本校生物專業教學外，還面向新疆師范大學、武漢大學、華中農業大學等高校開放共享，取得良好的應用成效。

杭州師范大學建設的“珍稀保護藥用生物資源研究與應用的綜合性虛擬仿真實驗教學項目”，以生物資源中的藥用資源利用為切入點，選取傳統著名藥用植物鐵皮石斛和抗血栓良藥蛇毒來源的五步蛇為實驗材料，設計了此兩項資源開發利用時鑒定、有效成分提取、快繁栽培或孵化等綜合性實驗，解決了傳統實驗教學項目中危險性大，難于實現、觀測、重現的問題，幫助學生理解掌握現代藥用生物資源的基本概念和理論，提高了學生的綜合設計和探究式學習能力。

動物胚胎工程是開展動物繁殖、克隆、轉基因和基因編輯等研究和生產的基礎，東北農業大學基于克隆豬培育過程開發了“動物胚胎工程虛擬仿真綜合實驗”項目。該項目緊密結合科研平臺優秀成果，包含體細胞核移植、細胞融合及胚胎移植等復雜操作，涵蓋了克隆動物生產的全部環節，通過虛擬情境和交互操作使學生獲得更多的真實體驗。

針對植物光合作用的知識點相對抽象、難以應用的問題，華南師范大學開發了“光合作用光能的吸收、轉化及不同類型植物的光合測定與應用的虛擬仿真”實驗。通過組裝光系統II、I反應中心及ATP合酶等3個復合體的三維模式圖，組成完整的光合作用電子傳遞鏈，將抽象概念轉化為直觀、可控的仿真圖形，并深入淺出地開展實驗。幫助學生逐步理解光能的吸收、傳遞與轉化過程，虛擬田間、森林等野外場地測定幾種不同類型植物的光合速率，了解不同植物光合作用特點，選擇不同類型的綠化植物對住房進行虛擬綠化配置，提高了學生的專業興趣和對知識的實際應用能力。

湖南農業大學開發的虛擬仿真項目“抗逆基因的分離克隆與表達分析”，幫助學生掌握核酸提取純化、聚合酶鏈式反應、凝膠成像分析、基因工程操作等重要實驗技能，了解相關貴重設備的使用，在一定程度上解決了實驗耗費昂貴、實驗過程不可逆、材料培育周期長、存在生物安全風險、普通高校很難完整開設等問題。

2.5 與實訓實習、生產應用等相結合的大型綜合訓練類虛擬資源建設

華中農業大學生物學實驗教學中心將優勢學科與中國名企協同創新相結合，建設了“固態白酒發酵的工藝原理和生物學本質探究虛擬仿真實驗”項目。該項目以勁牌原酒生產數據為藍本，通過“線上模擬＋現場實習＋線上探究”的混合式教學方式，將學科及產業優勢轉化為教學資源，用現代生物技術解析傳統釀造工藝，寓教于樂，寓教于研。

廣西大學生物科學與工程虛擬仿真實驗教學中心建設的“啤酒工藝虛擬仿真實驗教學”項目，構建了虛擬的啤酒生產廠仿真場景與裝置，涵蓋啤酒生產中麥芽汁制備、啤酒發酵、成品包裝等過程，幫助學生理解、掌握設備工作原理和操作規范，培養學生的綜合設計和探究式學習能力。

東北林業大學的“植物細胞規模化生產及產物分析虛擬仿真實驗項目”，將自主研發的“人參規模化培養生物反應器系統”轉化到教學中去，通過虛擬仿真形式整合工廠化生產、活性產物提取與檢測分析系統，全景展示工廠化生產過程，向學生及社會提供模塊化、標準化教學資源，解決了產業化學習中“易看難動手”的問題，讓學生快速熟悉第一線生產知識和分析技術，有效培養學生的實踐動手和創新創業能力。

福建師范大學生物技術與生物化工虛擬仿真實驗教學中心以青霉素和啤酒生產工藝教學為核心，建有現代分子育種、發酵過程工程、生物分離、“三廢”處理技術等虛擬仿真實驗教學平臺，以豐富的課程資源庫形式呈現，服務于教學的不同環節，軟件形式多樣化，能夠滿足教學、實訓實習的需要。

此外，浙江理工大學的“虛擬仿真基因工程方法制備ScFv抗體大實驗”、福建農林大學的“閩東特色魚類深加工及質量安全控制項目”、華東理工大學的“糖化酶催化啤酒發酵工藝虛擬仿真實驗項目”等均與實際生產密切相關。

3 存在問題

隨著信息技術的發展，虛擬仿真技術已廣泛應用于生物學本科實驗教學。但作為對傳統教學的有益補充和完善，國家虛擬仿真實驗教學項目的應用成效與高校人才培養目標和社會需求之間仍存在一定差距，主要體現在以下方面：

（1）項目內容的設計與知識點結合不夠緊密，所呈現的重點、難點不突出；

（2）人機交互性不夠；

（3）資源建設中缺乏完善的評價體系；

（4）資源更新速度和共享度有待提高。

4 提高建設質量建議

生物科學是建立在實驗基礎上的學科，生物類虛擬資源的建設必須堅持“能實不虛，虛實結合”的原則，并在開發應用中不斷改進和完善。圍繞國家虛擬仿真實驗教學項目的整體架構、技術體系、共享應用、綜合評價等有關項目全局發展的重點難點問題，提出如下提高建設質量的建議。

（1）完善國家虛擬仿真實驗教學項目的頂層設計。在教育部引領和“虛擬仿真實驗教學創新聯盟”推動下，應盡快建立和完善生物科學類虛擬仿真實驗教學體系，助力涵蓋13個學科門類、92個專業類、630個專業的虛擬仿真實驗教學項目體系的建立[19]。進行全面布局和引導，從而有效避免資源的重復建設，保證項目建設的必要性和必須性。此外，制定虛擬仿真實驗項目的評估體系和激勵措施，提高虛擬資源建設的水平和質量，便于資源建設的可持續性改進。

（2）與信息技術緊密結合，增強學習的交互性和便捷性。利用人工智能、大數據等信息技術，增強交互的智慧化、智能化，實現隨機交互，便于學生隨時隨地提問和學習，滿足教學需要。進一步完善運行平臺的兼容性，降低對硬件配置的要求，以方便資源共享和二次開發。

（3）設計內容應與知識點緊密結合，并密切聯系學科發展前沿。項目內容應緊密結合教學知識點，解決傳統教學中的難點重點問題，保證虛擬資源建設的可持續性和生命力。除滿足基礎教學外，設計內容還應緊密聯系學科發展的前沿動態，拓展和開發綜合設計性實驗，以利于培養拔尖型、復合型人才，提高人才培養質量。

（4）注重評價體系的完善。將過程評價和結果評價相結合，根據教學需求及時反饋，完善教學資源，以利于學生開展在線學習、自主化學習、個性化學習。

（5）注重資源共享與推廣，形成建設、共享、應用有序的生態體系。充分發揮虛擬資源的輻射、共享作用。將已有的國家虛擬仿真實驗教學項目建設成果，面向西部高校、地方應用型高校和一帶一路高校推廣。此外，應注重教師培訓和資源集成[19]，不斷提高教師使用信息化技術開展實驗教學的能力。同時，做好虛擬仿真實驗教學項目體系的分工、協作、集成，保護所有開發者、參與者的權益，提高資源的整體建設水平和利用效率。

[1] 教育部.教育部關于印發《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》的通知：教技[2012]5號. [EB/OL]. [2012-03-13]. http://old.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3342/201203/133322.html.

[2] 教育部，國家發展改革委，財務部，等.教育部等五部門關于印發《教師教育振興行動計劃（2018—2022）》的通知：教師[2018]2號[EB/OL]. (2018-02-11). http://www.moe.gov.cn/srcsite/ A10/s7034/201803/ t20180323_331063.html.

[3] 教育部.關于印發《高等學校人工智能創新行動計劃》的通知：教技[2018]3號[EB/OL]. (2018-04-02). http://www. moe.gov.cn/srcsite/A16/s7062/201804/t20180410_332722.html.

[4] 教育部.關于印發《教育信息化2.0行動計劃》的通知：教技[2018]6號[EB/OL]. (018-04-13). http://www.moe.gov.cn/srcsite/ A16/s3342/201804/t20180425_334188.html.

[5] 國務院. 關于全面深化新時代教師隊伍建設改革的意見：中發[2018]4號[EB/OL]. (2018-01-20). http://www.gov.cn/zhengce/ 2018-01/31/content_5262659.htm.

[6] 教育部高等教育司.關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知：高教司函[2013] 94號[EB/OL]. (2013-08- 13). http://old.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/ s7946/201308/156121.html.

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[8] 教育部辦公廳. 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：教高廳[2017] 4號[EB/OL].(2017- 07-11). http://www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201707/ t20170721_309819.html.

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Construction and development of teaching resources for biological virtual simulation experiments

GONG Siying, CHEN Xiaoting, ZHANG Jinju, HU Yuan, ZHOU Quan, WAN Jian, XIONG Guomei, LI Bing

(National Biology Virtual Simulation Experiment Teaching Center, Hubei Biology Experimental Teaching Demonstration Center, School of Life Sciences, Central China Normal University, Wuhan 430079, China)

In view of the current situation of the development of virtual simulation experiment resources in China, and by taking the first batch of national virtual simulation experiment projects of biological science as an example, this paper analyses the characteristics, application, existing problems and development trend of domestic virtual simulation experiment teaching resources of biology, and probes into the advantages of virtual simulation experiments in biology teaching and suggestions for improving the quality of resources construction.

biology; virtual simulation experiment teaching; construction of resources

G642.423

A

1002-4956(2019)09-0176-05

2019-02-05

2019-04-16

湖北高校省級教學研究項目（2017089）；湖北省高校實驗室工作研究會2017年課題（HBSY2017-11）

龔思穎（1985—），女，湖北應城，博士，實驗師，主要從事虛擬實驗室建設與管理、實驗教學和學科建設工作。

E-mail: gsy@mail.ccnu.edu.cn

李兵（1969 —），男，湖北天門，博士，教授，生物學虛擬仿真實驗教學中心主任，主要從事虛擬實驗室建設與管理工作。

E-mail: shblzl@mail.ccnu.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.045