生物類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)與探索

陳卉 魏淑東 王彩麗 陳莎 李進(jìn)

摘 要：針對生物學(xué)科和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的特點(diǎn)，以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺內(nèi)生物科學(xué)類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為例，開展生物類虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)的建設(shè)情況和特點(diǎn)分析，探討在實(shí)驗(yàn)室課堂如何利用優(yōu)質(zhì)線上資源。本研究將為建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程，有效利用國家虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)資源開展互聯(lián)網(wǎng)+實(shí)驗(yàn)室的混合式學(xué)習(xí)提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：生物學(xué);實(shí)驗(yàn)課程;虛擬仿真;混合式學(xué)習(xí)

1 緒論

教育部在《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》（教高〔2012〕4號）中明確要求“建設(shè)優(yōu)質(zhì)教育資源共享體系”，在《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》明確提出，“要建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室”“把教育信息化作為國家信息化的戰(zhàn)略重點(diǎn)和優(yōu)先領(lǐng)域全面部署、加快實(shí)施”。同時(shí)，教育部辦公廳也于2017年發(fā)布了2017—2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)通知。目前已在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺已上線的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有2057項(xiàng)。生物學(xué)是自然科學(xué)中實(shí)驗(yàn)性很強(qiáng)的基礎(chǔ)學(xué)科。然而，傳統(tǒng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在開展過程中存在危險(xiǎn)性、成本高、周期長等問題。已發(fā)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、等領(lǐng)域具有良好的推廣應(yīng)用前景，它可用于彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程的不足。因此，本文針對生物學(xué)科和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的特點(diǎn)，以生物科學(xué)類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為例，開展了生物類虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)的建設(shè)情況和特點(diǎn)分析，將為今后建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程，并有效利用國家虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)資源，開展互聯(lián)網(wǎng)+實(shí)驗(yàn)室的混合式學(xué)習(xí)提供一定的理論參考。

2 生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)

2.1 生物學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)

生物學(xué)是研究生物結(jié)構(gòu)、功能、發(fā)生和發(fā)展規(guī)律的科學(xué)，它也是自然科學(xué)中實(shí)驗(yàn)性很強(qiáng)的基礎(chǔ)學(xué)科之一。在生物學(xué)教學(xué)過程中，需要通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生理解基本概念、原理、基礎(chǔ)專業(yè)知識，同時(shí)鍛煉學(xué)生的動手能力、觀察能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是幫助學(xué)生理解理論知識，培養(yǎng)動手能力、觀察能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力的重要途徑。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的好壞，成為衡量生物學(xué)人才培養(yǎng)質(zhì)量高低的重要指標(biāo)。

2.2 傳統(tǒng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是生物學(xué)專業(yè)教育中必不可少的重要環(huán)節(jié)。然而，傳統(tǒng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在以下幾個方面的問題：（1）危險(xiǎn)性高：生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中的顯色劑、提取試劑、流動相等的毒性較大，且大型儀器一般涉及有毒、易燃、易爆危險(xiǎn)氣體。（2）成本高：稀缺實(shí)驗(yàn)資源、大型實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備、配件、耗材、維護(hù)等費(fèi)用高。（3）大規(guī)模實(shí)體實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)受限制：有些實(shí)驗(yàn)周期長，大型儀器設(shè)備人均臺數(shù)不足，實(shí)驗(yàn)操作要求精細(xì)。（4）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，無法滿足學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐的要求。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的特點(diǎn)

3.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的特點(diǎn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)是一種基于真實(shí)環(huán)境和真實(shí)用戶體驗(yàn)的技術(shù)手段，通過計(jì)算機(jī)等硬件和軟件可以用于輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)。目前，已發(fā)現(xiàn)在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有良好的推廣應(yīng)用前景。隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，也有越來越多的高校和研究院所建立了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，采用互聯(lián)網(wǎng)+實(shí)驗(yàn)室的方式來輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

3.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課的補(bǔ)充

首先，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)能夠通過虛擬仿真進(jìn)行安全培訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、大型儀器演示等以提高學(xué)生的操作技能，提高實(shí)體實(shí)驗(yàn)的安全性。其次，虛擬實(shí)驗(yàn)可以減少實(shí)驗(yàn)材料的浪費(fèi)，節(jié)約成本。最后，可通過虛擬仿真開設(shè)周期長、難度大實(shí)驗(yàn)。此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以滿足學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)，能夠支持探究性學(xué)習(xí)和小組合作學(xué)習(xí)，豐富實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)形式。可見，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行У貜浹a(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足，是傳統(tǒng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教與學(xué)方式的革新和發(fā)展。

4 實(shí)驗(yàn)空間生物類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)情況

4.1 國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的特點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)空間，即國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺，是國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享服務(wù)體系建設(shè)支撐平臺。國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺涵蓋的學(xué)科全面，專業(yè)類型豐富，而且覆蓋了各個層次的高校。所有訪問者都可以進(jìn)入實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)的各項(xiàng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，瀏覽、學(xué)習(xí)、測驗(yàn)、評價(jià)等。

4.2 生物科學(xué)類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)情況

2017—2020年示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)規(guī)劃建設(shè)1000門，目前，在實(shí)驗(yàn)空間已建設(shè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程達(dá)2057門。在已建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的專業(yè)中，醫(yī)學(xué)技術(shù)類、化學(xué)類、土木類、交通運(yùn)輸類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程建設(shè)數(shù)為規(guī)劃數(shù)的6倍。生物科學(xué)類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程規(guī)劃建設(shè)30門，截至2020年11月，實(shí)際已建設(shè)73門。進(jìn)一步按照專業(yè)分類，生物科學(xué)專業(yè)相關(guān)虛擬仿真課程最多，共44門，占生物科學(xué)類總數(shù)的60%，其次為生物技術(shù)專業(yè)和生態(tài)學(xué)專業(yè)，分別有24門（33%）和5門（7%）課程（圖1）。

4.3 生物科學(xué)類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程使用情況

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺上線的生物科學(xué)類虛擬仿真課程總瀏覽量達(dá)790556人次，平均達(dá)10980人次（圖2）。其中，瀏覽人數(shù)超過4萬人的課程，包括暨南大學(xué)開設(shè)的《濱海動物野外實(shí)習(xí)虛擬仿真》實(shí)驗(yàn)（48553人次）和河南師范大學(xué)開設(shè)的《淀粉酶高產(chǎn)菌的篩選、誘變鑒定及應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目》（45411人次）。在生物科學(xué)類課程中，瀏覽人數(shù)超過3萬人的課程，還有河南大學(xué)開設(shè)的《動物細(xì)胞培養(yǎng)》（34180人次）和山東大學(xué)開設(shè)的《黃河三角洲濕地生態(tài)系統(tǒng)演替與修復(fù)實(shí)驗(yàn)》（33635人次）。

5 結(jié)語

在生物學(xué)專業(yè)教育中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是必不可少的重要環(huán)節(jié)之一，它有助于學(xué)生理解理論知識，并將其與實(shí)踐結(jié)合。然而，傳統(tǒng)的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)或課堂在開展過程中存在危險(xiǎn)性、成本高、周期長等問題。生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可用于彌補(bǔ)上述傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程的不足。目前已上線了非常豐富的生物科學(xué)類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程，應(yīng)在分析這些線上實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)平臺的基礎(chǔ)上，針對本校生物學(xué)科教學(xué)體系特點(diǎn)，構(gòu)架適用于本校生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，選取仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，為適合本校平臺的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)提出科學(xué)依據(jù)。此外，也應(yīng)充分利用好已有線上平臺的優(yōu)質(zhì)虛擬仿真教學(xué)資源，開展“互聯(lián)網(wǎng)+實(shí)驗(yàn)室”的混合教學(xué)模式探索。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)直觀、系統(tǒng)地講解理論知識和操作實(shí)驗(yàn)步驟，結(jié)合線下的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室操作進(jìn)一步鞏固所學(xué)原理和實(shí)驗(yàn)操作，以提高學(xué)生的興趣和時(shí)間利用效率。同時(shí)，這將為提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力提供新方式，也為改進(jìn)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，提供一定的幫助和參考。

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基金項(xiàng)目：全國高校實(shí)驗(yàn)室工作研究會農(nóng)業(yè)高校分會研究項(xiàng)目（NYSY1920）;長江大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目（JY2018007）;長江大學(xué)課程思政示范建設(shè)項(xiàng)目和湖北省高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)室工作研究會項(xiàng)目（HBSY2019-03）

作者簡介：陳卉（1986— ），女，福建南平人，博士，副教授，現(xiàn)任職于長江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，主要研究方向?yàn)闈竦厣鷳B(tài)學(xué)。