生物工程專業虛擬仿真實驗教學資源建設思路探討

李由然 李江華

摘? 要 在“互聯網+”時代，各項技術的發展給生物工程專業實驗教學的教學方法、課堂模式、學習支持、教學資源、教學評價等帶來多方面的改變，各項虛擬仿真實驗在現代技術的幫助下有了質的改善，無論是實驗的仿真程度，還是教學資源的信息化水平，都有了很大的提升。基于當前技術不斷發展的社會背景，對優化生物工程專業仿真實驗教學的意義和方法進行探索。

關鍵詞 生物工程專業;虛擬仿真實驗;教學資源;信息化教學;實踐基地;發酵工程;微生物工程;生物工程下游技術

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）22-0045-03

1 引言

生物工程專業是一門十分重視實驗探索的學科，仿真實驗教學是幫助學生掌握好專業知識、對知識和發現進行驗證的重要教學模式。當前，在高校的生物工程專業的教學體系安排方面，實驗課的比例為30%～50%。到2016年在中國已經建成的國家重點實驗室中，生物實驗室的占比已經達到23%，生物工程專業虛擬仿真實驗的效果將會直接影響學生的學習效果和整個學科的教學水平。現代信息技術的發展給生物工程專業的學習發展帶來許多積極影響，虛擬仿真實驗要利用好技術發展的優勢，不斷提高實驗教學的信息化水平，從而更好地服務于學科發展和產業發展。在新時代，高校要堅持對生物工程專業虛擬仿真實驗的教學資源進行優化。

2 生物工程專業虛擬仿真實驗教學資源建設的意義

順應“互聯網+”時代發展? “互聯網+”社會最明顯的特點就是各項現代信息技術的發展和涌現，以大數據、云計算和物聯網為代表的現代信息技術為新時代的教育改革提供了技術上的支撐和保障，同時推動了新一輪科技的發展和產業的創新。黨的十九大報告中強調了順應科技發展、實施教育改革的重要性，要求各高校不斷增強培養高素質人才的理念，并將信息技術與教育結合起來，幫助學生掌握更多知識和技能。

開展生物工程虛擬仿真實驗教學資源建設就是順應“互聯網+”時代發展，實現教育信息化發展的重要舉措。如在2013—2015年的兩年間，教育部建設了一批具有代表性的生物類虛擬仿真國家重點實驗室，對生物工程專業的實驗項目和相關的實驗教學內容、教學技術運用等都作出新突破，是在新的教育局勢和產業發展環境中作出的正確選擇。虛擬仿真實驗教學在培養大學生專業能力、促進對學科優質資源的建設和運用、確保學科實驗教學項目與信息技術實現深度融合方面，都發揮了重要作用，是信息化教育改革的重點內容。

適應現代生命科學高速發展? 在信息技術不斷發展的同時，經濟社會也有了新變化，互聯網時代的市場競爭以技術競爭為主，現代生命科學已經實現高速發展，在此情況下為了提升我國教育體系中生物工程學科的專業水平和生物類產業的競爭力，加強虛擬仿真實驗教學具有現實必要性。建設虛擬仿真實驗資源是在人才培養目標指引下，以實際教學中存在的問題和產業發展的需求為導向，對生物虛擬仿真實驗室、教學中心和實踐基地、教育平臺等各項教學資源進行整合，在國家和社會的支持下開展的活動，能夠滿足現代生命科學高速發展對實驗的高要求，從而實現技術和資源的互補，幫助學科發展。如針對微生物學、生物化學等生物工程專業中的具體學科，虛擬仿真實驗能夠通過信息技術建立虛擬實驗模型，并對各項數據和現象進行深入分析和研究，從而獲得真知，促進產業的發展和技術的創新。

解決真實實驗制約因素? 實踐出真知，生物工程專業涉及各項生物學科，需要在具體的實驗中對知識進行驗證，得出一定的科學結論，并應用到具體的產業實踐中。但是在真實的實驗環境中，由于受到材料質量、外部環境和實驗設備、實驗操作人員的素質等各項因素的影響，生物實驗存在一定的偏差，在技術和操作上不如虛擬仿真實驗精確。加大對生物工程虛擬仿真實驗教學資源建設的力度，這種信息化教學和實驗的模式能夠充分發揮現代信息技術的優勢，既提升實驗的準確度和針對性，又實現生物工程學科的現代化教學。

如在進行生物學野外實習項目時，由于受到地域和實踐的限制，部分生物工程專業的學生難以親自去到具體的自然環境中，不能從實踐中獲得第一經驗，建設虛擬仿真實驗教學資源庫則解決了這一問題。如南京農業大學的虛擬仿真實驗教學中心就建立了相關的資源項目，通過運用VR、航拍和WebGL等技術，收集了大量的生態環境和動植物圖片、植物群落的調查信息和顯微結構等，通過創建相關的資源平臺并上傳信息，學生能夠克服時間與空間的限制，實現自主學習。這種技術實現了學科的信息化發展，為學生提供了更豐富的學習資源，解決了真實實驗和實踐的制約因素。

3 生物工程專業虛擬仿真實驗教學資源建設思路

發酵工程設備虛擬仿真實驗教學資源建設? 在生物工程專業學科的現代化發展中，借助現代計算機和網絡技術對虛擬仿真實驗教學進行優化，能夠充分滿足生物學科和相關產業的信息化與工業化發展需求。在針對發酵工程這一課程的虛擬仿真實驗教學進行優化時，要從教學計劃的安排、教學單元內容的制定和授課模式、設備利用等多個方面開展。首先為了幫助學生在充分掌握基礎知識的前提下進行實驗操作，教學計劃應當包含對相關實驗技術和工藝流程的介紹，從而讓學生在具備一定知識基礎的情況下參與仿真實驗教學。以青霉素的發酵工藝為例，學生應當掌握基礎的青霉素生產工藝，如圖1所示。

而在課程內容安排方面，可依照虛擬仿真實驗的對象和具體的工藝流程安排具體的虛擬仿真實驗教學，如按照青霉素的生產工藝設計單元內容。為了順利開展仿真實驗，教師在授課模式上要積極創新，充分利用現代信息技術和資源為生物工程專業的學生創設一個適合的情境，模擬和創設與實驗場景相似的環境和環節，幫助學生理解知識。同時，要積極運用各項設備，為學生創造良好的虛擬仿真設備。如利用多媒體課件和電子軟件教材來讓學生在虛擬條件下開展學習，同時要利用好VR技術、大數據技術等收集具體的信息資源，為學生提供能夠充分了解發酵工藝和技術的虛擬仿真環境，讓學生在信息平臺上獲取更多的有效信息。

微生物工程虛擬仿真實驗教學資源建設? 微生物工程是生物工程的重要部分，在開展生物工程虛擬仿真實驗教學資源建設活動時，針對微生物工程的資源建設要充分順應學科特點和發展局勢，依托自身的優勢和特色，結合現有的教學資源和現有的實踐基地、信息平臺等來開展。首先，高校可以充分發揮自身的學科優勢來開展虛擬仿真教學。如華中農業大學依托學科和產業優勢，針對水稻設計了“水稻遺傳轉化虛擬仿真實驗項目”，從現有的轉基因水稻研究技術入手，結合當前的學科成果對水稻愈傷組織的誘導和繼代、農桿菌的侵染和共培養等技術進行展示，使得學生能夠通過虛擬仿真實驗教學來學習更多有關水稻的知識。同時，許多高校為了開展好生物工程學科的教學和產業化研究，建設了相應的實踐基地，針對現有的實踐基地要做好改革創新，為虛擬仿真實驗教學提供支持。

生物學科需要對實物進行研究，但是受到地區和時間、生態環境差異的影響，許多學生難以獲得適宜的生物實驗材料。為此，高校可以利用現代信息技術來為學生創建一個虛擬的場景，幫助學生獲取更多信息。如利用VR技術，以3D動畫的形式全方位地展現植株的特點，同時基于真實場景創建一個新的虛擬場景，讓學生通過網絡工具就能了解植物的植株信息、生長環境等。

生物工程下游技術虛擬仿真資源建設? 生物工程專業不僅是一門幫助學生學習和掌握更多生物知識的學科，更是促進產業創新發展的重要保障。針對生物工程下游技術的虛擬仿真資源建設應當堅持以學生為主體，以“互聯網+”為依托，不斷優化生物工程下游技術課程的教學方法和模式，幫助學生參與創新創業活動。首先，高校要堅持在創新創業理念的指引下合理設置課程目標，圍繞生物工程專業，堅持以學生為中心開展建設工作。如將學科建設和產業發展結合起來，鼓勵學生參與具體的產業創新活動，促進生物工程學科的產業化、工業化發展。同時，要堅持運用互聯網技術，加強對網絡教學資源平臺的建設。學校可以建立一個信息資源平臺，并上傳各類教學資源，豐富生物工程虛擬仿真教學的課堂模式，通過定期的檢查和考核，學生的學習成果也能及時反饋到學校管理部門。另外，通過發展網絡教學平臺，引入相關企業，能夠幫助學生將自己的創新成果進行產業變現，發揮生物工程學科知識的產業價值。

4 建設成效與評價

針對生物工程專業虛擬仿真實驗教學進行資源建設，順應了生物工程專業的學科特點和當前信息技術不斷發展的趨勢，是提升學生知識水平、實踐能力和產業發展水平的重要措施。本文針對發酵工程、微生物工程和生物工程下游技術等三大生物工程專業重要課程的虛擬仿真實驗教學資源建設進行了研究，獲得一定認識，并提出具體的建議和實施策略。當前這些資源建設策略還存在一定的瑕疵，但在生物工程專業的信息化發展和生物產業的優化發展方面發揮了一定的作用。

5 結論

加強對生物工程虛擬仿真教學資源的建設是順應時代發展、促進學科優化的重要措施。將現代信息技術與教學資源建設有機結合，不僅可為生物工程專業的學生提供更現代的學習環境和資源支持，更促進了生物工程虛擬仿真實驗的信息化、工業化和產業化發展，有利于將知識變現，創造經濟價值，從而為生物工程專業學科的可持續發展注入更多活力。未來，高校和相關的專家教授應當聯合起來，不斷優化虛擬仿真資源，促進生物工程在學科建設和產業發展方面獲得更大進步。■

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