虛實結合實驗教學驅動生物學卓越教師培養

李 兵， 秦麗瑋， 胡 原， 周 權， 龔思穎， 賀占魁

（華中師范大學a.生命科學學院；b.生物學國家虛擬仿真實驗教學中心；c.湖北省高校生物實驗教學示范中心；d.實驗室與設備管理處，武漢 430079）

0 引 言

互聯網、云計算、大數據、人工智能等信息技術快速發展，深刻改變著人類的思維、生活和學習方式，教育融入了更多互聯網和智能化的元素，需要用信息技術改變教育，重塑教育，而虛擬仿真實驗為改變傳統實驗教學提供了新途徑。為切實推進虛擬仿真實驗建設，教育部于2013年和2017年分別啟動了國家虛擬仿真實驗中心和國家虛擬仿真實驗項目建設評審，2019年又明確將國家虛擬仿真實驗項目認定為“國家虛擬仿真實驗教學一流本科課程［1-3］”。截至2020年11月，已認定國家虛擬仿真實驗教學一流本科課程728門。新冠疫情期間，線上虛擬仿真實驗突破病毒阻隔，解決了實驗性學科無法開展現場實驗教學的困難，讓做不了、做不到的實驗教學有效完成，有力證明了虛擬現實、人工智能、大數據、5G等新一代信息技術對未來教育的積極影響和有力支撐［4-7］。

生物學國家虛擬仿真實驗教學中心（以下簡稱“中心”）緊緊抓住虛擬仿真實驗快速發展的良好機遇，以國家虛擬仿真實驗教學一流課程建設為牽引，積極開展虛擬仿真實驗建設和教學應用探索，現已建成虛擬仿真實驗教學項目66項，其中獲評國家一流本科課程3門，省級1門，并廣泛應用于生物科學專業師范生實驗教學。虛擬仿真實驗良好沉浸感和交互性，激發了學生學習興趣，實現了讓學生快樂學習。虛實結合的實驗教學改革不僅豐富了實驗教學內容，且有效促進學生實踐能力、創新能力和信息化能力的培養，為新時期生物學卓越教師培養提供了新模式［8-11］。

1 虛擬仿真實驗及其基本特點

虛擬仿真實驗是利用虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫、網絡通信或實物仿真技術，構建高度仿真的開放式網絡化虛擬實驗環境和實驗對象，學生在虛擬環境中開展實驗，達到教學大綱所要求教學效果的一種信息化或模擬式實驗教學方法。

虛擬仿真實驗一般具有以下基本特點。①仿真度高。能夠對實驗環境、對象、操作和實驗現象等核心要素進行精確還原，逼真度高，沉浸感強，能夠激發學生學習興趣，提高教學效果。②交互性強。學習者通過鼠標和鍵盤，可以對虛擬實驗環境和實驗對象進行操作，實行人機交互，相比于動畫、視頻有更好的參與感。③規范性好。規范、標準的知識講授和技能訓練，可多次反復操作，讓學生實驗技能掌握更加牢固。④靈活性廣。時間、地點靈活，內容靈活，為學生提供泛在化、個性化、智能化、模塊化的學習方案。⑤共享性高。通過互聯網可以實現優質資源的廣泛共享。

2 虛擬仿真實驗項目建設原則和開發基本流程

虛擬仿真技術是用一個虛擬的系統模仿另一個真實系統的技術。它是計算機仿真技術、數據庫、人工智能、軟件工程、立體顯示、語音識別與合成等多種技術綜合運用之結晶。虛擬仿真實驗項目建設堅持“能實不虛、虛實結合、相互補充”的建設原則。虛擬仿真實驗項目的開發主要包括前期調研分析、項目設計、項目開發、項目測試、項目修改與部署、相關技術資料的收集整理等環節［12］，其基本開發流程如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實驗項目開發基本流程圖

3 中心虛擬仿真實驗項目建設路徑

中心緊密結合生物學學科特點和人才培養需要，全面貫徹“以本為本，以學生為中心”的教學理念，遵循“危險實驗安全化、微觀實驗可視化、宏觀實驗微縮化”的建設思路，重點圍繞高危實驗環境不可及、珍稀生物實驗材料不可采、微觀瞬時實驗過程不可見等生物學實驗教學的瓶頸問題，積極開展虛擬仿真實驗項目建設，逐步形成基礎型、綜合型和探究型3個層次虛實結合的實驗教學課程新體系，不斷拓展生物學實驗教學的深度和廣度。

3.1 針對高危或極端實驗環境的虛擬仿真項目建設

傳統生物學實驗教學中存在放射性、致病性、腐蝕性和劇毒性等高危實驗內容，對實驗條件要求非常高，實驗的安全風險大，無法在本科生實體實驗中大規模開展。為此，充分發揮虛擬仿真的優勢，選取“遺傳學實驗”中的重要實驗項目——“放射性同位素標記核酸分子雜交實驗”進行虛擬仿真實驗研發，既降低了安全風險，又豐富了實驗教學內容。

放射性同位素標記核酸分子雜交是遺傳學、生物化學和分子生物學實驗最常用的技術之一，主要用來確定轉基因是否表達以及表達水平的高低，與Realtime PCR技術及地高辛標記相比，放射性同位素標記實驗靈敏度高，重復性好，結果可靠，因而在Northern雜交、Southern雜交等實驗中廣泛應用。但是放射性同位素具有輻射安全風險，無法經常性大規模面向本科生開展。為此，中心研發了“放射性同位素標記核酸分子雜交虛擬仿真實驗項目”，該實驗設計為7個實驗模塊，包含植物RNA提取、變性RNA電泳、Northern印跡（轉膜）、預雜交、探針的制備與雜交、洗膜和放射自顯影壓片，每個模塊含實驗原理、實驗儀器和試劑、實驗方法與步驟、實驗報告等內容，既自成體系，又環環相扣。學生需要先完成實驗方案設計后，再進行7個模塊的虛擬實驗操作。其實驗方案設計和實驗流程見圖2。該項目利用虛擬仿真技術再現了Northern雜交全過程，情境真實，交互性好，學生像玩游戲一樣進行沉浸式的實驗學習（見圖3）。實驗設有演示模式，教學模式和考核模式，通過開展問題式、討論式、探究式實驗教學，以豐富的教學策略和方法促進學習目標的達成。該項目的成功研發和有效應用，既突破了放射性同位素安全風險和時空制約，又開啟了實驗教學新模式。

圖2 放射性同位素標記核酸分子雜交虛擬仿真實驗方案設計及流程圖

圖3 放射性同位素標記核酸分子雜交虛擬仿真實驗截圖

3.2 圍繞珍稀動植物不可采等珍稀教學資源建設

動植物實驗材料是保證實驗教學順利開展的必要條件，但由于季節、天氣、環境和習性等因素影響，導致有些動植物標本難以采集。特別是受各級自然保護區禁獵禁采等限制，很多珍稀動植物標本不可采集［13］。為此，采用unity3D、三維數字采集還原、VR虛擬現實、測繪數字高程模型等技術，重點選取珍稀瀕危蘭科植物、珍稀動物金絲猴、大熊貓等內容進行虛擬仿真，構建了“蘭科植物傳粉與保護虛擬仿真實驗項目”和“珍稀動物川金絲猴生物學習性觀察研究虛擬仿真實驗項目”，有效解決了珍稀動植物標本不能采集獲取、野外環境難以到達、生活習性不便觀察等實驗教學的瓶頸問題，拓展了相關動植物分類、形態結構、習性觀察、救護與保護等教學內容的深度和廣度，滿足了動植物學實驗和野外實習的教學需求。實驗項目一般包括珍稀動植物虛擬標本庫、野生生境分析、習性觀察和保護管理等主要內容，其顯著特點是動植物虛擬標本還原逼真度高、野生生境重建沉浸感強、生活習性仿真交互性好（見圖4）。該類虛擬仿真實驗的有效應用，極大地激發了學生的學習興趣，提高了教學效果，讓學生實現了快樂、自主和沉浸式學習。

圖4 蘭科植物傳粉與保護虛擬仿真實驗截圖

3.3 選取微觀瞬時實驗過程不可見的虛擬仿真建設

植物光合作用電子傳遞是植物生理實驗教學中的重要內容，但受實驗中電子傳遞微觀不可見、過程迅速以及數據分析難的影響，電子傳遞實驗教學效果不佳。為此，對電子傳遞過程中關鍵的光系統微觀結構進行3D仿真，如PSⅡ是光合作用電子傳遞過程中的核心部件［14］，采用3D Studio Max技術對PSⅡ結構進行三維重建，讓微觀不可見的結構具象化可視化，便于學生直觀學習和掌握（見圖5）。

圖5 光合作用核心部件PSⅡ虛擬仿真結構截圖

光合電子傳遞是植物光合作用實驗的重點和難點，主要發生在PSII—Cytb6f—PSI—NADP+之間［15］。由于電子傳遞過程中涉及多種物質合成、分解以及能量轉換，且在瞬間完成，因而知識點抽象，實驗數據難以分析。為此，我們借助虛擬仿真技術，構建了生動逼真的電子傳遞虛擬動畫，模擬了葉綠素熒光誘導動力學曲線（見圖6），對實驗材料與儀器、植物暗適應、植物效率分析儀（PEA）測量熒光信號等實驗內容進行了虛擬仿真，并將線上虛擬仿真實驗與線下實體實驗操作有機結合，解決了實體實驗中微觀體系難以觀察、瞬時效應難以理解、復雜數據難以分析的困難。目前，該虛擬仿真實驗項目已應用于15級、16級、17級植物生理實驗教學，有效培養了學生實驗能力和創新思維能力，推進了植物光合作用實驗教學的信息化改革。

圖6 光合作用電子傳遞虛擬仿真實驗截圖

3.4 將高水平的科研成果轉化為虛擬仿真實驗項目

為了豐富虛擬仿真實驗教學資源，提高虛擬仿真實驗項目建設水平和層次，中心注重科教融合，積極將最新的高水平科研成果轉化為虛擬仿真實驗項目。如國家自然科學基金面上項目“基于全景視頻的生物學野外實踐VR學習環境研究”直接服務于虛擬仿真實驗項目建設；而“水迷宮技術檢測小鼠空間記憶能力”“蛋白質三級結構之同源模建”“棉花轉基因技術”“果蠅基因過量表達和基因敲降”“真核細胞高效表達系統構建”等都屬于科研成果轉化來的虛擬仿真實驗項目。研發過程中，特別注重虛擬仿真實驗的設計性和交互性，采用3D、VR和AR等技術顯示場景，讓實驗場景和過程生動逼真。利用類似游戲方式進行人機交互和人人交互，增強虛擬仿真實驗的參與感。上述虛擬仿真實驗教學的應用，學生視野得到開拓，學生對生命現象過程認識更全面，對實驗技能的掌握更系統。近5年來，有10余項虛擬仿真實驗項目源自老師科研成果轉化，見表1。

表1 科研成果轉化為虛擬仿真實驗項目表

3.5 緊扣生物學卓越教師培養開展虛擬仿真實驗

為了加強生物學卓越教師培養，中心積極推進信息技術與教師教育深度融合，積極探索線上線下互通、課內課外一體、實體虛擬結合的混合式智能化教學模式。針對中學生物學實驗教學痛點，遴選“中學生物學實驗教學課程”中實驗材料難以獲取、實驗場地難以到達、實驗操作難度大、實驗周期長等教學困難開展虛擬仿真，如行為生態學、動植物細胞培養、分解纖維素微生物的分離、蛙胚胎發育、用樣方法調查草地中某種雙子葉植物的種群密度等，通過虛實結合，突破時間空間限制，開展沉浸式學習，不斷提高師范生實驗教學技能和信息化素養，如中心自主研發的一套“行為生態學虛擬仿真實驗項目”，屬于探究性實驗，教學中將此類虛擬仿真實驗資源貫穿于師范生培養的教學設計、教學實施和教學評價的全過程，變過去“講實驗”為“做實驗和探究實驗”，培養既具備扎實學科專業知識和教育教學技能，又具有良好的信息化素養，能夠勝任信息化時代教育教學需求的高水平“數字教師”（見圖7）。并將上述虛擬仿真實驗向中學生物學實驗教學開放共享，引領中學生物學實驗教學改革，進一步突顯和鞏固我校教師教育優勢和特色。

圖7 標記重捕法虛擬仿真實驗截圖

4 虛實結合實驗教學實施過程

為切實發揮虛擬仿真實驗在生物學卓越教師培養中的作用，采取虛實結合的方式開展教學實施。①將虛擬仿真實驗與傳統實驗項目有機融合，形成虛實結合的實驗教學課程體系。②以課程體系和教學大綱為依托，開展虛實結合的實驗教學組織實施。將整個實驗教學活動設計為課前自主預習、課堂實驗教學、課后復習總結和多元考核評價4個教學模塊，并綜合采用啟發式、問題式和探究式的教學方法，實現虛擬與實體、線上與線下無縫對接，優勢互補，全面提高師范生生物學學科水平、教學能力和信息化素養。具體實施流程如圖8所示。

圖8 虛實結合實驗教學實施流程圖

5 虛實結合實驗教學的建設成效

5.1 虛擬仿真實驗課程建設成效顯著

按照教育部虛擬仿真實驗一流課程建設要求，從選題、開發、測試、應用和評價等方面精心設計，反復打磨，持續更新，已建成基礎型、綜合型和探究型3個層次的虛擬仿真實驗項目66項，其中“放射性同位素標記核酸分子雜交虛擬仿真實驗項目”“珍稀動物金絲猴生物學習性觀察研究虛擬仿真項目”“蘭科植物傳粉與保護虛擬仿真實驗項目”3項獲批為國家虛擬仿真實驗教學一流課程，“水迷宮技術檢測小鼠空間記憶能力”獲批為湖北省虛擬仿真實驗教學一流課程。相關建設思路和方案已成為生物科學類虛擬仿真實驗建設的典型案例。

5.2 生物學實驗教學信息化改革全面推進

中心通過虛實結合的實驗教學新模式應用實踐，帶動實驗課程體系、課程內容和教學模式改革。目前已在植物學、動物學、分子生物學、遺傳學、植物生理學、野外實習、師范生實驗教學技能訓練等實驗課程中廣泛使用。實驗教師綜合采用案例式、問題式、探究式等教學方法，將虛擬與實體、線上與線下、集中與分散、理論與實踐相結合，有效推進“從碎片化向綜合設計型轉變的微生物實驗教學改革”“瞬時、微觀不可見的植物光合作用實驗可視化教學改革”“虛實結合的分子生物學實驗教學改革”等多項教學改革，促進了實驗教學理念、內容、方式和方法的整體創新。

5.3 疫情期間助力實驗教學停課不停教、不停學

受突發新冠疫情影響，中心2020年春季學期所有實體實驗教學按下了暫停鍵。為響應教育部“停課不停學、不停教”號召，積極探索線上、線下和虛擬仿真相結合的實驗教學改革。中心及時啟用多年積累的虛擬仿真實驗教學資源，將包括3項國家虛擬仿真實驗項目在內的60余項虛擬仿真實驗全部投入到線上實驗教學中。為確保線上實驗教學質量，制定了“虛擬仿真實驗教學及管理服務規范”，及時組建虛擬仿真實驗教學和技術服務團隊，全程跟進每一個虛擬仿真實驗教學課堂，解決師生反饋的實驗教學和信息技術問題。實驗教師積極探索教學新方式，將線上講授、演示、云課堂/騰訊課堂、QQ群/微信群等與虛擬仿真實驗有機結合。學生踴躍參與在線虛擬仿真實驗操作、討論互動和在線答疑。疫情期間虛擬仿真實驗較好地滿足了生科院3個本科專業、8門實驗課程、15個實驗項目、50個實驗課堂的教學需求，2020年共有48 602人次參加了實驗操作與學習，有效緩解了無法開展實驗教學的困難，實現了“防疫+教學”的雙贏效果。

5.4 卓越數字教師培養質量明顯提升

近5年來，以虛擬仿真實驗為支撐，中心在人才培養、教學研究和社會服務等方面取得可喜成績。學生畢業率98%，非公費師范生考研率45%；榮獲“華文杯”全國師范生教學技能競賽特等獎40項；全國大學生生命科學競賽獲獎38項，一等獎6項；湖北省大學生生物學實驗技能競賽一等獎19項，獲批大學生創新創業訓練計劃國家級項目15項，校級78項。教師教學研究，獲批《基于全景視頻的生物學野外實踐VR學習環境研究》國家自然科學基金面上項目1項，各類教研項目19項（省級5項），湖北省教學成果二等獎1項，發表虛擬仿真實驗教研論文25篇，獲批虛擬仿真實驗軟件著作權12項，中心于2019年被評為湖北省優秀基層教學組織。中心的國家虛擬仿真實驗項目通過www.ilab-x.com實驗空間對社會免費開放；非國家虛擬仿真實驗項目通過用戶授權對兄弟高校和中學生物學教學免費開放。參加全國性虛擬仿真實驗教學研討會15次，作大會報告8次。接待了吉林大學、陜西師范大學、新疆師范大學、西藏大學、貴州師范學院、西南大學、蘇州一中和貴州余慶中學等單位1 200多人來訪和交流，簽訂共享協議10余份。通過教育部“國培計劃”“公費師范生教育碩士培養”和“中學生物學奧林匹克競賽培訓”等途徑，為中學生物學教學服務，引領中學生物學教學改革。通過科普日、科技周向社會公眾開放共享，實現校內外及更廣范圍的優質資源共享，極大提升了學院社會服務能力和影響力。

6 結 語

虛擬仿真實驗對“教”來說，豐富和完善現有教學手段，拓寬了實驗教學深度和廣度；從“學”來講，增強學習體驗，激發學習興趣，提升教學質量，有力推動了高校新型教學形態變革［16］。毋庸置疑，虛擬仿真實驗將開啟后疫情時代實驗教學的未來［6］。

但是目前國家虛擬仿真實驗項目的建設和應用還存在一些問題：①虛擬仿真實驗項目數量嚴重不足；②核心要素的仿真度不高，建模不精細；③實驗路徑單一，實驗結果大多無推演，交互性不強；④虛擬仿真實驗缺乏對儀器設備的操作感和力反饋；⑤虛擬仿真教學考核辦法和激勵制度不健全；⑥虛擬仿真實驗教學應用和共享有待進一步提高［17-18］。

今后要按照教育部《虛擬仿真實驗教學課程建設和共享應用規范》，推進現有虛擬仿真實驗項目的優化升級，加強項目的設計性、沉浸感和交互性建設。通過視覺、聽覺和觸覺等多通道融合技術，提升虛擬仿真實驗的真實感，將人工智能、大數據與虛擬仿真有機結合，提升虛擬仿真實驗的智能化水平，努力建設“智慧實驗室［5］”。同時，還要建立安全穩定網絡運行環境、創新多樣的教學方式、科學合理的考核辦法和激勵政策，確保虛擬仿真實驗教學的持續健康發展。