虛擬仿真實踐教學(xué)在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的作用
——以朱家尖海濱生物野外實習為例

王丹麗，方增冰，韓慶喜，龔一富

（1.寧波大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 寧波 315800；2.寧波海洋研究院，浙江 寧波 315800）

實踐教學(xué)是高校人才培養(yǎng)中的重要環(huán)節(jié)，對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)尤為重要。隨著信息化智能互聯(lián)技術(shù)飛速發(fā)展，越來越多的信息技術(shù)迅速應(yīng)用到高校的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。其中，虛擬仿真實驗教學(xué)更是顯示出其高效安全、全天候、功能拓展性強等優(yōu)點，在高校的實踐類教學(xué)課程中被廣泛采用[1-3]。

海濱生物野外實習是高校生物類相關(guān)專業(yè)實踐教學(xué)的重要組成部分。舟山朱家尖島是浙滬多所高校海濱生物采集的首選實習地點，近年朱家尖島面臨資源破壞嚴重、生物多樣性逐年減少的問題，加之一些海防軍事禁區(qū)及旅游景點的圈圍封閉管理，導(dǎo)致島上可供實習區(qū)域越來越小。而且一方面，出行時間受天氣、潮汐、交通、安全等因素制約，帶隊教師負有很大的安全責任；另一方面，實習師資少導(dǎo)致實地采集時師生間互動性差，考核方法單一且共享性較差。國家級一流課程“朱家尖海濱生物生態(tài)分布與采集虛擬仿真實驗項目”的建設(shè)為解決以上問題提供了切實可行的有效途徑。通過虛擬仿真實驗教學(xué)項目的建設(shè)實施，重構(gòu)了課程體系和教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新了野外實習教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，充分融入了多維互動元素，為新時代海洋經(jīng)濟發(fā)展培養(yǎng)創(chuàng)新型人才提供了良好的平臺。

本文從問題引領(lǐng)、人機互動、自主參與和科學(xué)評價四方面入手，闡述了虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的必要性及在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的發(fā)展?jié)摿Γ荚谶M一步培養(yǎng)學(xué)生拓展性思維及創(chuàng)新能力。

一、虛擬仿真實踐教學(xué)課程的建設(shè)方向

該實驗教學(xué)項目建設(shè)內(nèi)容以全面提高水產(chǎn)養(yǎng)殖專業(yè)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新精神為宗旨，以共享優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源為重心，不斷推進實驗教學(xué)資源開放共享和實踐教學(xué)信息化建設(shè)，以培養(yǎng)水產(chǎn)養(yǎng)殖拔尖創(chuàng)新型人才為目標。因此，朱家尖海濱生物虛擬仿真實驗教學(xué)的設(shè)計緊緊圍繞以下幾點。

1.挑戰(zhàn)傳統(tǒng)，激發(fā)學(xué)生自由探索能力和創(chuàng)新能力。“00后”是在互聯(lián)網(wǎng)背景下成長起來的一代，他們更擅長人機互動、闖關(guān)式的學(xué)習方式。課程改革本著“能實不虛、虛實結(jié)合、以虛補實”的原則，充分應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)構(gòu)建“朱家尖海濱生物生態(tài)分布與采集虛擬仿真實驗項目”，實現(xiàn)讓學(xué)生提前介入，增加學(xué)生實習前的參與度和體驗感，不僅化被動為主動，提高了學(xué)生的學(xué)習興趣，學(xué)習效率較傳統(tǒng)授課方式大大提高，也利于學(xué)生開展探究型、綜合型實習，提升學(xué)生的創(chuàng)新與實踐能力。

2.挑戰(zhàn)局限，為海濱生物野外實習提供重要的輔助手段。學(xué)生利用PC端（網(wǎng)頁版和下載版）和手機移動端可隨時共享項目平臺的海量學(xué)習資源，可以突破時間與空間限制、師資人員等限制，既能在網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域開展在線自主學(xué)習，又能隨時離線練習仿真闖關(guān)，鞏固實習內(nèi)容。學(xué)生通過熟悉野外采集地點的生態(tài)環(huán)境，了解海濱各類生境中的代表物種、分類地位、生態(tài)特征、生活習性和經(jīng)濟價值，了解海濱生態(tài)系統(tǒng)中動植物之間及生物與環(huán)境之間的相互關(guān)系；掌握生物標本的采集、麻醉、培養(yǎng)、固定、保存、制作等基本方法；學(xué)習海濱動植物生態(tài)調(diào)查的一般方法，為將來的科學(xué)研究工作打下扎實的基礎(chǔ)。同時，結(jié)合線下采集時的教師現(xiàn)場指導(dǎo)，進一步鞏固各項技能及知識點。虛實二者的有機結(jié)合，對于學(xué)生全面熟悉掌握海濱野外實習的全過程和關(guān)鍵環(huán)節(jié)都有無可替代的作用。

3.挑戰(zhàn)單一性，突破學(xué)習資源有限考核評價單一的困境。過去對海濱生物野外實習的考核只限于標本采集、種類識別，實習內(nèi)容較單一。在實習環(huán)節(jié)中重過程輕結(jié)果，考核方式單一。本實驗教學(xué)項目中的效果評價系統(tǒng)，將考核融入實習前、中、后全過程，由系統(tǒng)作出科學(xué)評價，并引入學(xué)生互評和自評機制，激發(fā)學(xué)生自主參與和自由探索的能力[4]；虛擬仿真課程資源及手機端靈活多樣的檢索工具充分體現(xiàn)了共享性，使海濱生物野外實習的教學(xué)水平不斷提高，為多所高校和研究院所師生提供了一個良好的學(xué)習和交流平臺。

二、虛擬仿真實踐教學(xué)的特征和體系重構(gòu)

與同類課程相比，“朱家尖海濱生物生態(tài)分布與采集虛擬仿真實驗項目”課程特色明顯，主要體現(xiàn)在以下三個方面。

1.構(gòu)建三維實地生境與3D生物標本——體現(xiàn)實驗過程沉浸感。情景體驗式教學(xué)是通過自主參與和情景模擬激發(fā)學(xué)生的意識潛能、情感與主觀能動性。其基本模式在20世紀80年代由美國組織行為學(xué)教授大衛(wèi)·庫伯提出[5]。以體驗式教學(xué)法為導(dǎo)向，模擬構(gòu)建一套以野外實習場景體驗為情景的實踐教學(xué)模式，對于朱家尖海濱野外采集實習來說客觀可行。根據(jù)朱家尖島上生態(tài)各異的地理環(huán)境，綜合運用航拍、3D建模等技術(shù)構(gòu)建朱家尖4個類型的三維海濱生態(tài)場景模塊，并模擬構(gòu)建風雨與海浪聲、潮汐漲落、日出日落等仿真視聽效果，讓學(xué)生獲得身臨其境的沉浸式實習體驗。

2.重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容與課程體系——體現(xiàn)虛實結(jié)合實驗即時化。以朱家尖海濱無脊椎動物為主，海藻為輔，重構(gòu)了實習課程體系，仿真實習圍繞四個知識點訓(xùn)練展開：（1）觀察生態(tài)環(huán)境與潮間帶生物分布規(guī)律，要求跨時空學(xué)習認識4個生態(tài)場景不同生境特點，熟悉潮間帶海濱動植物分布特點；（2）要求掌握常見海濱動植物分類與鑒別，運用PC端和手機端物種檢索功能，有效完成200種模擬采集物種的檢索鑒定；（3）學(xué)習海濱生物生態(tài)調(diào)查研究方法，通過模擬系統(tǒng)中的樣地選擇、物種定性與定量觀察，實習安全性學(xué)習，標本的采集、麻醉、固定、保存、制作、鑒定等，學(xué)習掌握海濱生物生態(tài)調(diào)查方法；（4）完成在線測試、知識問答、在線闖關(guān)測試環(huán)節(jié)，并設(shè)有疑難物種辨析題等，增強與學(xué)生的交互作用，注重寓教于樂、激勵為主，實現(xiàn)了仿真實習全天候即時化。

3.重構(gòu)評價體系——體現(xiàn)能力評價科學(xué)化。在滿足教學(xué)要求的基礎(chǔ)上，尊重學(xué)生的需求和體驗，真正樹立學(xué)生在教學(xué)環(huán)節(jié)的主體地位。虛擬仿真實驗項目將考核融入實習前、中、后全過程，構(gòu)建了虛擬實習的效果評價系統(tǒng)并引入學(xué)生互評和自評機制，加強團隊精神。考核內(nèi)容包括課前預(yù)習20%、物種鑒定及標本制作15%、綜合能力測試45%和實習結(jié)果匯報20%四個部分，根據(jù)四個部分評分加權(quán)，最后給出綜合成績，充分體現(xiàn)了課程重構(gòu)下的能力評價科學(xué)化。教學(xué)方法的實施過程見圖1。

圖1 朱家尖海濱生物野外實習虛擬仿真教學(xué)方法的實施過程

三、虛擬仿真實踐教學(xué)平臺的應(yīng)用及成效

1.建立了豐富的教學(xué)資源。虛擬仿真實驗項目自2019年3月正式運行后，目前完成注冊人數(shù)10000多人，每年平均瀏覽數(shù)6000余人次，完成線上實驗人數(shù)774人，實驗測試通過率93.2%。學(xué)生于野外實習開始前，利用電腦或手機端登陸水產(chǎn)養(yǎng)殖國家級實驗教學(xué)示范中心的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺或教育部實驗空間（www.ilab-x.com）進行學(xué)習。學(xué)生通過身臨其境的人機交互操作環(huán)境，隨時隨地進行自主學(xué)習，具有開放性、交互性、易操作等優(yōu)點，提高了實驗教學(xué)效果。

“朱家尖海濱生物生態(tài)分布與采集虛擬仿真實驗項目”于2020年11月入選首批國家級一流本科課程，2019—2021年依托該平臺，學(xué)院教師獲得教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目17項、浙江省虛擬仿真實驗教學(xué)項目2項、浙江省一流本科課程和教學(xué)改革項目4項，進一步豐富了教學(xué)資源。

2.實習安全系數(shù)提高。海濱生物野外實習重中之重是確保師生安全。在以往的采集實踐中，教師只能反復(fù)強調(diào)紀律和安全須知。而虛擬仿真實驗教學(xué)有效改變了這一現(xiàn)象，在虛擬仿真實驗中滲入了“安全提示”“危險警示”“禁止”等內(nèi)容，學(xué)生在完成虛擬實習的過程中，養(yǎng)成了良好的安全意識，帶隊教師明顯感覺組織管理輕松了，安全事故沒有發(fā)生。

3.科學(xué)考核提高了實習效果。考核方式兼顧實地采集中的實際操作和虛擬實訓(xùn)操作，學(xué)習平臺通過學(xué)習時長和闖關(guān)分值雙重要求，督促學(xué)生認真完成虛擬實習的每個環(huán)節(jié)，使其知識系統(tǒng)和實踐能力兩方面都得到提升，綜合評價每個學(xué)生的實習成績更加科學(xué)公平。這種評價考核體現(xiàn)了教師指導(dǎo)與學(xué)生自學(xué)并行、以學(xué)生自主學(xué)習為根本的教學(xué)策略，更體現(xiàn)了對實踐過程的規(guī)范性、實驗步驟的成效性，以及對知識學(xué)習達成度的客觀評價，具備對學(xué)生認知能力結(jié)構(gòu)考核的功能。

4.提高了學(xué)生的綜合能力。虛擬仿真與實踐教學(xué)有機融合不但顯著提高了學(xué)生的學(xué)習效率和學(xué)習樂趣，而且培養(yǎng)了學(xué)生的探索和創(chuàng)新意識。使用后學(xué)生評價說：“虛擬仿真系統(tǒng)給我們帶來了前所未有的體驗。該課程以虛實結(jié)合的新型實習模式，讓我們通過沉浸式體驗，開闊了視野，獲得更加完整的生物知識。特別是在新冠肺炎疫情期間為我們提供了新的學(xué)習方式。”學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的提升正是虛擬仿真項目平臺建設(shè)的初衷。

5.加強了與其他高校和社會的交流與共享。目前，已與浙江大學(xué)、中國海洋大學(xué)、寧波海洋研究院、寧波水產(chǎn)品批發(fā)市場有限公司等十余所高校、研究所和企業(yè)簽訂了該虛擬仿真項目的共建共享協(xié)議。平臺不斷豐富海洋無脊椎動物標本庫的建設(shè)內(nèi)容，為一些科研單位進行朱家尖海域生物標本鑒定提供便利，也為中小學(xué)生的海洋科普教育與研學(xué)活動提供了空間。

四、虛擬仿真項目建設(shè)的幾點思考

虛擬仿真實驗的“兩性一度”高度切合高校實驗教學(xué)的本真目的。實驗教學(xué)固然要幫助學(xué)生將來成就偉大的創(chuàng)新，但主要任務(wù)是要使學(xué)生體驗到創(chuàng)新的快樂和自信，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新欲望。

目前虛擬仿真項目也普遍存在一些問題，如教學(xué)內(nèi)容設(shè)計、計算機系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計都過于程序化；學(xué)生自主探索環(huán)節(jié)缺失，不利于學(xué)生思維訓(xùn)練和綜合能力的提高；生生互動、師生互動、團隊互動體現(xiàn)得不夠；高校間虛擬仿真教學(xué)資源共享性較差，缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標準和具體有效的共享機制，導(dǎo)致部分資源重復(fù)建設(shè)，兼容性弱等，如何進一步凸顯學(xué)生綜合設(shè)計與創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)的深度和廣度值得我們思考。

立德樹人是高校立身之本，人才培養(yǎng)質(zhì)量是高等教育生命線。進行課程體系重構(gòu)與培養(yǎng)模式的改革與創(chuàng)新是人才培養(yǎng)的關(guān)鍵。虛擬仿真實驗教學(xué)平臺良好支撐了應(yīng)用型專業(yè)技能人才的培養(yǎng)，特別是經(jīng)歷此次新冠肺炎疫情后，我們要更加深刻理解虛擬仿真實踐教學(xué)的內(nèi)涵。相信隨著數(shù)字信息化技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在實踐教學(xué)中的影響將會進一步擴大。

（課題組成員：徐善良、趙淳樸、王佳）