虛擬仿真技術在生物學實驗教學中的應用研究

于爽 才忠喜

摘? 要：虛擬仿真技術滲透到教學中是教育信息化發展的必然，基于生物學實驗教學的現狀和虛擬仿真實驗資源開發的現狀，探討深入開發虛擬仿真技術在具體實驗項目中的應用，進一步提高生物學實驗教學效果，構建虛實互補的生物學實驗教學模式。

關鍵詞：虛擬仿真技術? 生物學? 實驗教學

隨著教育信息化的發展，慕課、智慧樹等在線教育教學形式已經逐步滲透到教學中，虛擬仿真技術也越來越多的被應用到實驗中，這也是實驗教學信息化的必然。虛擬仿真技術是一種人工模擬三維仿真環境的綜合性集成技術，通過借助多媒體技術和虛擬現實等技術，在計算機和網絡上搭建的可輔助甚至替代傳統實體實驗操作環節的相關軟硬件操作環境，具有操作簡便、安全性高、成本低及場景逼真生動等優點[1]。

生物學是研究植物、動物和微生物各個層次的種類、結構與功能、行為發育和起源進化以及生物與周圍環境的關系的科學，是實踐性很強的應用型學科[2]，如何將虛擬仿真技術有效應用到生物學實驗教學，進而完善現有生物學實驗教學體系，從而實現生物實驗教學的真正目的，提高學生的動手能力和創新能力，增強學生的分析問題和解決問題的能力，是教育信息化發展的重要課題之一。

1? 傳統生物學實驗教學現狀

1.1 實驗儀器陳舊

隨著生物學實驗技術的發展，實驗所涉及到的儀器更加高端，帶來的問題是實驗儀器更加昂貴，由于實驗經費所限，學生很難接觸到高端的儀器設備，這樣就造成學生不能接觸到先進的實驗技術。細胞生物學實驗要求較高的實驗室操作條件，新建細胞實驗室空間有限，不能滿足大多數同學親自動手操作。

1.2 儀器使用過程中的損耗

在實驗過程中，教師為了提高學生的動手能力，使每位同學都能夠掌握基本實驗儀器的使用方法，讓每位或每組同學都能接觸到儀器，這樣每位同學在操作過程中都是新手，不可避免造成錯誤操作，即使操作都是正確的，對實驗儀器的損耗也很大。如：光學顯微鏡、可見分光光度計、離心機等儀器經常發生故障。

1.3 實驗藥品的浪費

生物學實驗需要大量的藥品，尤其是生物化學實驗藥品的需求量很大，分子生物學實驗藥品的價格又比較高，同時，實驗廢液的處理費用也較高，一些有毒、有害藥液或實驗次生產物隨著下水管流向江河，這樣有可能會造成水、土壤、大氣等的污染，進而影響其他生物的生長、發育，不利于環境保護和生態的可持續發展。

1.4 實驗課時有限

每個實驗都有固定的學時，為了保證學生能在規定時間完成實驗，教師在上課前必須完成材料的準備、試劑的配制和儀器的調試等工作，學生更多的是按照實驗步驟的要求逐步完成操作即可，并沒有真正掌握實驗的精髓，上完實驗課還不能熟練配制藥劑的學生非常普遍，更別說獨立完成一個完整實驗的操作了。

1.5 實驗項目安全系數所限

有一些生物學實驗會用到具有危險性的藥品，或者藥品在使用過程中的危險系數高，需要學生額外注意，涉及這些藥品的實驗項目無論意義大小均不能開設，必須考慮實驗項目的安全性，這也限制了學生對一些實驗技能的掌握。

1.6 實驗教師精力有限

一般一次課有15-20人，根據實驗項目和儀器的不同，每2-4人組成一個小組，在實驗操作過程中，學生會遇到各種各樣的問題，教師對學生的問題進行探討分析時經常不能兼顧其他小組，探究性實驗表現尤為突出，使實驗教師在上完課后筋疲力盡，比上一次理論課還要累。

1.7 生物實驗材料培養的周期長

一些實驗動物和植物的培養需要較長時間，微生物的生長周期雖然短，但要掌握取材的恰當時機，這些都限制了實驗的開展，使實驗效果難以達到預期。

2? 虛擬仿真技術在教學中的應用

2.1 虛擬仿真技術在生物形態學教學中的應用

揚州大學將植物優質玻片標本轉化為數字切片標本等虛擬仿真資源，使植物顯微結構觀察實驗不必借助顯微鏡即可進行。學生可以在屏幕上瀏覽數字切片，切換任意方向、放大，對生物組織局部進行仔細觀察，可進行文字標注、測量等操作，使學生對于植物顯微結構的觀察更加便利，也實現了優質玻片標本被大多數同學共用共享，極大地提高了植物學實驗的教學效果[3]。建設的“兔的形態結構與功能”虛擬仿真實驗項目，對于動手實驗觀察不到的結構、以及結構與功能的協調變化過程能更好的掌握[4]。

2.2 虛擬仿真技術在分子生物學教學中的應用

杭州師范大學將虛擬仿真技術運用到分子生物學實驗中，降低了三氯甲烷、丙酮和溴化乙錠等公安部管制的易制毒?；瘜W品的使用[5]。對于Southern雜交這樣耗時的實驗，需要提取基因組DNA，酶切、DNA消化產物的瓊脂糖凝膠電泳、DNA轉移、探針標記等步驟，利用虛擬仿真技術可以減少實驗等待的時間，提高了實驗教學效率。對基本實驗技能訓練、高危、高風險或涉及到高精貴實驗儀器使用的實驗項目采用虛擬仿真實驗來完成，降低了分子生物學實驗教學的成本?！懊藁ㄞD基因技術虛擬實驗”、“水稻遺傳轉化虛擬仿真實驗”等綜合性實驗，使學生對于分子生物學實驗技術有了全面的理解和掌握。

2.3 虛擬仿真在生物學野外實習中的應用

野外實習是生物學專業學生理論聯系實際，提高實踐能力的重要環節之一。東北師范大學建設了數字化標本館和鳥類鳴叫庫等虛擬仿真資源;華中師范大學對神農架在不同季節、不同路線的野外環境和動植物實景進行虛擬仿真;南京農業大學利用虛擬仿真技術構建了天目山、黃山等生態區的生物學野外實習虛擬仿真實訓系統和天目山虛擬生物標本庫，使實習不受時間和空間的限制，減少了標本的采集，緩解了自然資源保護與實習采集之間的矛盾，有助于提高實習效率和質量，推動了生物學野外實習教學模式的改革和創新[6]。

2.4 虛擬仿真技術在生物學相關儀器使用中的應用

將生物學實驗相關儀器的使用方法、注意事項進行虛擬仿真，使學生能夠生動、形象地看到儀器的操作方法，以及由于使用不當對儀器和實驗結果可能造成的影響，極大程度地減少了儀器的損耗。教師也能夠做到既考核了學生實驗儀器使用的掌握程度，又能夠大膽地改革實驗考核方式。

3? 結語

虛擬仿真技術的應用大大降低了實驗教學的成本，減少了實驗教學造成的藥品污染和毒害，縮短了實際培養生物材料的周期，豐富了實驗教學的內容和方式，加深了學生對知識的理解，有效的提高了學生學習的積極性和主動性，極大地提高了教育教學質量。進一步全面認識虛擬仿真實驗教學的功能，深入挖掘虛擬仿真技術在具體實驗項目中的應用，加大生物實驗應用軟件的開發力度，促進虛擬仿真技術與生物學實驗的深度融合。使虛擬仿真與實際操作相互補充，進一步形成虛實互補的生物學實驗教學模式，培養出新時代的創新型人才。

參考文獻

[1] 李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013，32（11）：5-8.

[2] 蔣建平.重視生物學實驗教學，培養學生生物科學素養[J].生物學教學，2013，38（9）：43-44.

[3]賀建忠，井波，陶大勇，等.虛擬仿真技術在動物醫學實驗（實踐）教學中的應用[J].黑龍江畜牧獸醫，2018（3）：242-244.

[4] 張彪，魏萬紅，丁海東，等.植物學數字切片虛擬仿真教學系統的構建與應用[J].實驗技術與管理，2019，9（36）：103-105，110

[5] 秦麗瑋，胡原，萬建，等.分子生物學虛擬仿真實驗平臺的建設與應用[J].實驗技術與管理，2018，35（7）：140-143，147.

[6] 成丹，崔瑾，魯燕舞，等.生物學野外實習虛擬仿真實訓系統構建與應用[J].實驗技術與管理，2016，12（133）：128-132.