非雙一流院校生科類專業開設虛擬仿真實驗教學必要性的探討

黃 洋，靳 輝

(忻州師范學院 生物系，山西 忻州 034000)

為建設世界一流大學和一流學科，國家提出了“雙一流”高校的概念。我國建設世界一流大學和一流學科政策，是黨中央、國務院作出的重大戰略決策。該決策的制定為助推我國建設中國特色、世界一流的大學和學科提供有力支撐[1]。首批雙一流建設高校共計137所。這些高校享受了國家的特殊政策，辦學經費充裕。但是，根據2019年教育部網站數據顯示，全國高等學校共計2956所，因此非雙一流高校就多達2800多所，它們構成了中國高等教育的主體。

生命科學類專業(簡稱生科類專業)包括了生物科學、生物技術、生物工程等專業。生科專業是在數學、物理、化學等學科的基礎上發展起來的，從誕生之初便被人稱為“金字塔尖上的科學”[2]。這個定位就注定了這個學科的發展將會非常“昂貴”。由于生命科學是一門實驗科學，所以生科類專業需要開設許多實驗，但是由于辦學條件的原因，許多非雙一流院校在開設實驗課程時會有許多的局限。

1 開展實驗課程的局限性

開展實驗課程教學需要實驗場地、儀器設備，以及熟悉儀器原理與實驗操作的實驗教師。這三方面中的任何一方面出現短板，實驗教學都將無法正常開展。

1.1 實驗場地的局限性

生科類專業在許多非雙一流高校都是小專業，實驗室場地有限，沒有足夠的空間安放實驗設備并容納數量眾多的本科生開展實驗。比如就生科類的基礎課程《細胞生物學》課程而言，其配套的實驗課程《細胞生物學實驗》要求學生們掌握動物細胞的培養方法。動物細胞的培養實驗需要在無菌的細胞培養室內進行操作，而標準的一個動物細胞培養室至少包括一間準備室，一間緩沖室，一間培養室，總共3個房間。但是一個標準的動物細胞培養室只能同時容納不到10名學生開展實驗。如果一個學校生科類專業本科生有幾百人，要想學生都學好《細胞生物學實驗》這門課程，那么對于動物細胞培養室的需求將相當大。而許多非雙一流高校將無法滿足實驗場地的需求。

1.2 儀器設備的局限性

由于生命科學的發展，生科類專業的實驗再也不是認識認識動植物，或者用幾百塊錢的顯微鏡觀察一下動植物切片那么簡單了。比如對于顯微鏡的使用而言，學生們不僅要學習用幾百元的顯微鏡觀察動植物切片，還得學習用價格十幾萬的熒光顯微鏡，甚至價格兩三百萬的電子顯微鏡或激光共聚焦顯微鏡來觀察細胞結構。這還僅僅是細胞觀察方面的實驗，整個生科類的實驗加起來儀器設備的單價至少幾千萬，另外還有高昂的維護成本。由于價格的原因，對于非雙一流院校來說，儀器設備的局限性顯而易見。

1.3 實驗教師的局限性

縱觀全球，從上世紀末至今，生命科學領域迅猛發展，該領域的論文數量呈指數級增長。在這種知識大爆炸的背景下，生命科學領域的實驗技術也在快速地更新。比如對基因研究而言，由于國內以華大基因研究院為主的基因公司的快速崛起，我國基因研究從分析單個基因的序列，發展到分析生物的整個基因組序列，再發展到分析單個細胞的整個基因組序列。令人驚訝的是，這個過度發生在短短的數年內。實驗技術的快速發展讓高校手忙腳亂、應接不暇。為了趕上時代發展的腳步，為了高校高層次人才隊伍的建設，高校不得不高薪聘請海歸或國內名牌大學畢業的博士[3]。這也將為非雙一流高校帶來財務上的負擔。由于辦學經費的局限，實驗教師的局限性也不可避免。

2 開展虛擬仿真實驗的優勢

進入本世紀以來，人工智能高速發展，新一代人工智能技術預示著“第四次工業革命”即將到來。2018年，教育部出臺《高等學校人工智能創新行動計劃》、《教育信息化2.0行動計劃》，高校應該積極把握住人工智能發展的機遇，將其與教育深度融合[4]。虛擬仿真實驗便是人工智能的產物，虛擬仿真實驗是指將整個實驗設計成一個軟件，學生們可以使用個人電腦通過在線或者單機的方式使用該軟件，從而在虛擬的狀態先完成實驗操作[5]。整個軟件里對于實驗目的、原理、方法都有詳細的闡述。學生可以像玩游戲一樣操作虛擬的儀器設備來完成實驗。只要學生會基本的電腦操作，虛擬仿真實驗便可以開展，因此該類實驗具有明顯的優勢。由于其獨特的優勢，我國與西方國家都對虛擬仿真實驗的開發與應用投入了大量人力物力[6,7]。虛擬仿真實驗的應用可以節約實驗場所與費用，提高教學效率，并確保學生緊跟時代前沿。

2.1 節約實驗場所

本科生通過使用個人電腦在學校宿舍、機房，甚至在家便可完成。這大大減少了學生對實驗室的需求，學校可以將有限的實驗室進行更加有效的利用。

2.2 節約儀器購買與維護費用

許多涉及昂貴儀器的生科類實驗在網上都有相應的在線虛擬仿真實驗軟件，比如我國依托高等教育電子音像出版社有限公司創立了國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺。該平臺上就包含了并不限于生科類專業的各種虛擬仿真實驗，并且該平臺的使用是免費的。如果教師使用這類平臺對本科生進行教學，將大大節約學校購買與維護儀器設備的費用。

2.3 提高教學效率

在實驗教學的過程中有一個問題一直很難解決，那就是許多昂貴的儀器設備的操作一次只能讓兩三個學生上手進行操作。而這類實驗如果面向人數眾多的本科生勢必會導致實驗課程進展非常緩慢，嚴重影響學生學習積極性。另外，如果讓大量本科生不停地反復使用儀器設備，會大大縮短儀器設備的使用壽命。如果使用虛擬仿真實驗，一名實驗教師可以同時面向幾十名學生進行教學，大大提高教學效率[8]。

2.4 緊跟科研前沿

生命科學發展突飛猛進，讓學生緊跟時代潮流是各個高校不可推卸的責任。當科學界出現了一種新技術后，高校可以立刻針對性地設計虛擬仿真實驗軟件并及時地進行教學。這免除了購買儀器設備的繁瑣而漫長的等待過程，讓本科生能學習到學科前沿的技術，從而對學科發展擁有更加敏銳的嗅覺。

3 總結

當今生命科學飛速發展，其實驗技術日新月異，許多非雙一流高校由于辦學規模的原因很難在人力和物力上進行大規模的投入，以達到實驗設備、實驗技術上緊跟時代的發展。虛擬仿真實驗利用互聯網與計算機技術完美的解決了這一問題，使得學生更好地緊跟科技的發展。但是虛擬仿真實驗也有其局限性，那就是即便在電腦軟件上操作上一百次，到真正使用儀器設備的時候依然可能會有各種問題發生。因此，高校生科類實驗教學要把握好度，要將傳統實驗與虛擬仿真實驗有機地結合起來，做到虛實結合。相信虛擬仿真實驗將會在高校地生科類實驗教學中發揮越來越重要地作用。