虛擬仿真技術在生物工程專業實驗教學中的應用

摘" 要：學校生物專業實驗課引進虛擬仿真實驗，不僅解決了因受到實驗場地、空間和經費等因素的限制問題，而且生物實驗課程線上和線下相結合的建設經驗也為將其推廣到本校更多其他相關專業以及兄弟院校的相關專業提供了參考依據。借助計算機的軟、硬件以及線上虛擬仿真和線下實際操作相結合的方式，再結合校企共建、資源分享以及應用新技術等，可以實現對長周期、高成本和高危險實驗的模擬操作，使生物實驗教學中存在的問題得到有效解決，學生對生物實驗的學習興趣得到提升，進一步提高生物實驗教學的效果。下一階段通過增加虛擬仿真技術在各門生物工程實驗教學中的利用，進一步促進虛擬仿真生物實驗教學平臺的應用與發展。

關鍵詞：生物工程；實驗教學；虛擬仿真實驗

中圖分類號：G642" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1673-7164（2025）08-0095-04

對于普通高等學校生物工程專業學生，多樣化的生物實驗課程是提高學生實驗興趣和動手操作能力的重要途徑。［1］但由于高校辦學條件的差異，［2］學科間的差異，對學科重視程度的差異，在生物實驗課程項目安排以及設置內容上受到資金、實驗室條件等諸多因素限制，［3-4］很難達到教師教學與學生學習的滿意效果。

尤其是實驗條件限制較多，學生的各門線下實驗課補課的時間沖突導致生物實驗課無法正常開展線下實驗。

福建技術師范學院生物工程專業調整各年級生物實驗課的安排，采購虛擬仿真實驗軟件，形成線上、線下生物實驗相結合的模式，及時完成各個年級各門生物實驗課的進度，總體取得了不錯的效果。線下無法完成的生物實驗可以借助虛擬仿真實驗技術，將實驗進一步虛擬化，達到虛擬真實的效果。

這種模式的教學不但可以打破諸多因素的限制，在很大程度上激起了大學生對各門生物實驗課程的興趣，從而取得良好的生物工程專業生物實驗課的教學效果，為學校培養高素質人才發揮了作用。

一、傳統生物工程專業線下實驗教學運行中存在的問題

（一）實驗課程模式單一

傳統生物工程專業實驗課程模式比較單一，基本上是照抄生物實驗教材上的步驟，向學生講授生物化學實驗、分子生物學實驗、細胞生物學實驗、普通生物學實驗、基因工程實驗、酶工程實驗等實驗項目，學生“依葫蘆畫瓢”照著步驟完成每一門生物實驗的每一個生物實驗項目的實驗步驟。由于分子生物學實驗、基因工程實驗、細胞生物學實驗中部分實驗知識點抽象，實驗過程復雜且難度高，成功率較低，生物實驗采用傳統的教學模式，實驗課程互動少，課堂缺乏活力，學生機械地照做，缺乏對生物實驗機理以及生物實驗過程的思考，生物實驗操作只是停留在表面的認識，部分生物實驗項目缺乏興趣點，學生根本無法得到有價值的收獲。

（二）實驗建設經費有限

伴隨生物技術的快速發展，生物學各類實驗涉及的高端儀器愈發昂貴，受到實驗建設經費的限制，本科生比較難接觸到某些高端生物設備，導致本科生無法及時學習和掌握先進的實驗技術。生物儀器使用過程中的損耗比較大，為了提高學生對基本生物實驗儀器的掌握，某些新生不可避免地會對基本生物儀器進行錯誤操作，導致光學顯微鏡、高速離心機、高壓滅菌鍋等儀器發生故障。因生物實驗藥品的浪費而產生的廢液處理費用比較高，基因工程實驗、分子生物學實驗等藥品價格昂貴，且生物實驗中的一些次生產物容易造成環境污染，處理這些廢物所產生的費用也是一筆不菲的數量。

（三）生物實驗課時受限，實驗危險系數高

由于生物實驗課時的限制，在有限課時內，部分教師傾向于課前提前準備生物實驗課的材料、藥品的配制、某些生物樣品的前處理、某些生物儀器的調試，這種教師提前準備的結果使學生可以真正在生物實驗課上能掌握的東西非常有限。某些生物藥品的危險系數特別高，基本不開展此類生物實驗，由生物教師課堂演示，學生觀摩。以上因素大幅限制了學生的各種生物實驗技能。

二、虛擬仿真技術在傳統生物工程專業實驗教學中的優勢

（一）輔助教學難度大、抽象的生物實驗，體現其可視微觀性

在各門生物學實驗教學中適當運用虛擬仿真技術，將動畫、視頻和音頻等完全融入，形象直觀，通過虛擬技術簡化步驟、詳細講解，將生物實驗中難度大、抽象、毒性大的實驗通過虛擬仿真實驗技術讓學生快速掌握，并理解實驗原理等知識。一些分子生物學實驗反應過程無法用肉眼看見，例如PCR反應中DNA的變性、復性和延伸。運用虛擬仿真實驗技術可以形象直觀地反映生物實驗原理和生物反應過程。［5］

（二）打破時間、空間以及生物實驗儀器臺套數的限制

虛擬仿真生物實驗可以不用考慮生物實驗的經費、空間以及其他資源等限制，不僅能激發學生參與生物實驗的積極性，還可以通過虛擬生物實驗強化學生的操作能力。

普通生物學實驗中植物光合作用不會因天氣原因無法進行實驗，因為植物光合作用儀的臺套數不夠，導致只有小部分學生使用光合作用儀器，大部分學生圍觀觀看其他學生操作，通過利用虛擬仿真實驗，所有的學生可以同步進入虛擬仿真實驗平臺操作實驗，學生不僅可以在課堂上進行操作，還可以不受上課時間的限制、不受次數限制地進入虛擬仿真實驗平臺重復實驗操作。

（三）虛擬仿真實驗可降低生物實驗危險性，縮短生物實驗周期

分子生物學實驗中，DNA提取用到易制毒試劑三氯甲烷；瓊脂糖凝膠電泳涉及致癌性的溴化乙錠；SDS-PAGE實驗中用到的聚丙烯酰胺可能殘留的致癌物單體丙烯酰胺。［6］生物實驗教學過程中存在資源不足、學生分組多的問題，如某些微生物學實驗或分子生物學實驗周期需要兩天甚至更多天的時間，學生無法在當天一次性完成生物實驗，現在通過虛擬仿真實驗技術可以獨立操作，解決了學生操作機會少的問題，也縮短了生物實驗操作的時間。例如Southern雜交，［7］其實驗包括基因組DNA制備、DNA限制酶切等，微生物的分離、培養、觀察和保存，教師可以將這類生物實驗設計成虛擬仿真實驗，不但可以縮短生物實驗時間，還使生物實驗過程清晰緊湊，提高生物實驗效率。

（四）虛擬仿真實驗運行過程中的其他優勢

虛擬仿真的生物實驗教學過程可以通過以下途徑達到教師與學生的“教”與“學”：1. 在軟件上設定一些問題情境，發布實驗課程任務，學生可以在教師限定的時間范圍內進行資料查閱，然后制訂合理可行的實驗方案，教師也在相應時間內通過虛擬仿真系統來論證學生生物實驗方案的可行度，及時反饋給學生，讓學生及時修正，從而提高學生設計方案的能力；2. 當學生確定各自合理的實驗方案后，再開展實驗，通過軟件數據庫，輸入生物實驗的各種參數，然后進行合理的驗證，最后學生做出的數據可以實時通過虛擬仿真系統進行反復的驗證和結果反饋；3. 師生要經常在平臺上進行互動，教師通過虛擬平臺實時了解學生預習情況、操作情況以及完成情況，并針對以上情況及時反饋給學生，還可以進行在線輔導，并實時匯總所有學生的生物實驗情況，通過交互聊天界面，增強教師與學生的互動，以及學生與學生的互動，并通過系統設定考核方式，對生物實驗成績給出最終的評定。

三、虛擬仿真技術在本校生物工程專業實驗教學中的現狀

對于新建本科高校來說，生物實驗室的建設本身就需要大量的資金投入，由于虛擬仿真生物實驗室的建設屬于生物實驗室建設的范疇，其建設和維護都需要大量資金的投入，尤其在對本校生物工程專業開展多門生物實驗的情況下，不僅要滿足學生的實驗學分，而且要支持不同門生物實驗課的不同生物實驗項目同時開展，完全依靠線下開展多門生物實驗是比較困難的。所以必須借助線上的虛擬仿真生物實驗教學軟件，例如，生物化學實驗課、微生物學實驗課、普通生物學實驗課的各教研組開展專題會議討論48學時該如何安排線上的虛擬仿真生物實驗和線下的生物操作實驗的比例以及虛擬仿真生物實驗的設計；細胞生物學實驗課的教研組開專題會議討論32學時該如何安排線上的虛擬仿真生物實驗和線下的生物操作實驗的比例以及虛擬仿真生物實驗的設計；基因工程和酶工程實驗課的教研組開專題會議討論48學時該如何安排線上的虛擬仿真生物實驗和線下的生物操作實驗的比例以及虛擬仿真生物實驗的設計。

（一）目前本校生物工程專業開展的部分虛擬仿真實驗項目

1. 普通生物學實驗開展了植物標本制作、植物光合作用的測定等虛擬仿真實驗。

2. 生物化學實驗開展了影響酶活力因素等虛擬仿真實驗。

3. 微生物學實驗開展了微生物的分離、培養、觀察和保存等虛擬仿真實驗。

4. 基因工程實驗開展了瓊脂糖凝膠電泳等虛擬仿真實驗。

5. 酶工程實驗開展了淀粉酶酶活力測定、SDS- PAGE電泳測定酶分子量和蛋白純度等虛擬仿真實驗。

（二）目前本校生物工程專業部分虛擬仿真實驗開展中存在的困難及解決方案

前期開展虛擬仿真生物實驗遇到了一些阻礙，某些教師對電腦軟件操作不夠熟練，虛擬仿真軟件對電腦的內存要求比較高，一些學生或教師的電腦配備滿足不了虛擬仿真實驗軟件的要求，即使滿足了但也因為操作不熟練導致一些學生跟不上全班的進度，某些教師對虛擬仿真生物實驗的線上指導經驗不足，無法及時處理學生生物實驗中出現的一些問題。

在每個學期末生物實驗課結束后對生物實驗課進行相應的總結，學院召集生物工程專業主任、實驗室主任以及學院分管教學的領導和教學秘書共同商議，在明確各個生物實驗課的虛擬仿真生物實驗的個數和線下生物操作實驗個數，每個學期針對不同生物實驗課的能夠開展的虛擬仿真生物實驗進行問卷調查、民意測試和投票方式，選出學生相對感興趣的實驗，學生選完后，最后各門任課老師、專業主任還有分管教學領導一起確定最終選擇的虛擬仿真生物實驗和線下生物實驗項目比例。生物工程各門實驗課的虛擬仿真生物實驗項目確定后，可以通過資源共享模式，自己設計部分項目與企業合作后，然后和兄弟院校進行虛擬資源的分享，避免虛擬資源的重復建設與浪費。

四、未來虛擬仿真實驗室的建設構思

學校沒有充分發揮虛擬仿真實驗項目在生物實驗課程中的優勢最大化，目的性不明確。學院為了提高虛擬仿真實驗在生物工程專業中的比例，充分考慮線上和線下實驗相結合，已經和學校申請了提出虛擬仿真生物實驗室的建設方案，此建設方案充分體現了虛擬仿真生物實驗在生物工程生物學實驗中的優勢。

（一）新技術應用

目前，在虛擬仿真實驗的建設過程中，利用多媒體和可視化技術構造逼真的二、三維場景比較常見；［1］利用人機技術實現信息交換；可以充分利用新技術來模擬現實、人工智能等虛擬環境；隨著新技術的不斷發展，未來虛擬仿真實驗室將會創造更真實的虛實結合、高度互動以及為學生提供趣味性的最新穎教學環境，達到理想的教學效果。

（二）及時更新設備

未來可以尋找觸摸屏或操作柄等來操作虛擬仿真實驗，讓這種虛擬仿真實驗更直接，不僅能給學生帶來更直接的體驗，還可以快速提高操作效率。

（三）提出校企合作的建設構思

經費投入不足的普通高校虛擬仿真實驗室建設的主要目標和模式是尋求和企業合作。針對某些生物實驗教學效果差、實驗成功率低的問題，可先通過不同生物實驗課的教研組先錄制操作教學視頻，教學視頻主要包括對生物實驗教學方法、教學內容、教學步驟進行設計等，然后由相關企業負責建設和維護虛擬仿真平臺。［8］由于部分高校教師缺乏信息技術能力，高校和相關企業合作模式在一定程度上解決了此難題，如果該合作模式建設費用太高，可以向多個有共同目標的同類兄弟高校發出邀請一起和企業形成聯盟，每個高校發揮自己的專業優勢，既能得到大量的資金支持，又能減輕各個高校的經濟負擔，共同推進虛擬仿真實驗室的建設，［9］保證又能使資源得到更好的利用與共享。

（四）注意虛擬仿真技術與線下實驗操作相結合

虛擬仿真實驗平臺只是創造一個虛擬的實驗環境，外界因素基本不會干擾，有些生物實驗過程在線下的操作中是無法完成和實現的，由于虛擬仿真實驗儀器操作的手感確實與現實有差距，無法完全等同。因此所有生物實驗不能完全依賴虛擬生物實驗，必要的線下生物實驗還是要開展的，否則會造成紙上談兵的現象。因此在今后虛擬仿真實驗技術的不斷發展和優化中，可以進一步探索3D技術，提高虛擬仿真生物實驗的感知性。［10］

五、結語

通過虛擬仿真生物實驗，補充和完善傳統的生物實驗教學，在節約生物實驗經費的同時，達到生物實驗課線上和線下的有效結合，在有限課時內，縮短部分生物實驗周期，使增加生物實驗課時變得可能，打破生物實驗的空間限制，解決新建本科院校線下生物實驗室擁擠、排課困難的問題，可以提高學生做生物實驗的興趣，也可以讓教師和學生每個學期的生物實驗課程教與學安排得游刃有余。目前國內虛擬仿真實驗的運行主要存在實驗教學人員缺乏信息技術能力，虛擬仿真實驗的共享資源低等問題，今后要加快虛擬仿真生物實驗的發展，本校生物工程專業和整個虛擬仿真生物實驗的市場都必須加強對教師信息技術能力的培養，不斷提高開放共享程度。從長遠角度看，虛擬仿真生物實驗教學具有非常大的發展潛力，學校虛擬仿真生物實驗的建設經驗今后可以推廣到更多本校其他相關專業以及兄弟院校的相關專業。

參考文獻：

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（責任編輯：邵秋露）

作者簡介：鄒文桐（1981—），男，碩士，福建技術師范學院食品與生物工程學院實驗室副主任，高級實驗師，研究方向為高校實驗教學和儀器管理 ；王艷君（1979—），女，博士，福建技術師范學院食品與生物工程學院副教授，研究方向為環境微生物；曹智（1976—），男，碩士，福建技術師范學院人事處副處長，副教授，研究方向為植物園林花卉。