李玲 閆旭宇 李娟 任潘

摘? 要：本文主要探討了生命科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)情況和在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，期望對(duì)于豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源、培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能、促進(jìn)人才培養(yǎng)質(zhì)量起到積極的作用。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真? 生命科學(xué)? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

Abstract： This paper mainly discusses the construction and application of life science virtual simulation experiment teaching resources， It is expected to play an active role in enriching experimental teaching resources， cultivating students'experimental skills and promoting the quality of talents cultivation.

Key Words： Virtual Simulation; Life Science; Experimental teaching

生命科學(xué)類專業(yè)是實(shí)踐性較強(qiáng)的一門學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中占有很大的比例，是學(xué)生提高發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題和動(dòng)手能力，培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的重要手段。但隨著教學(xué)改革的持續(xù)深入，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)受到一定的沖擊，遇到了一些實(shí)際困難和問(wèn)題，難以滿足人才質(zhì)量培養(yǎng)的要求。目前，很多本科教學(xué)計(jì)劃中開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目受實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)成本高、安全環(huán)保危害大等因素的制約與限制，導(dǎo)致教學(xué)效果并不理想。近些年，虛擬仿真技術(shù)和信息技術(shù)在高校生命科學(xué)類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，已成為當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的新方向，對(duì)于豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源、減短實(shí)驗(yàn)周期、降低實(shí)驗(yàn)成本及解決環(huán)保問(wèn)題等，并對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能、促進(jìn)人才培養(yǎng)質(zhì)量起到重要的作用[1]。

1? 生命科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)

生命科學(xué)學(xué)院結(jié)合專業(yè)特色及人才培養(yǎng)方案，全面推進(jìn)以學(xué)生為主、以學(xué)為主，問(wèn)題導(dǎo)向，任務(wù)驅(qū)動(dòng)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，構(gòu)建了層次結(jié)構(gòu)清晰、適宜共享、易于擴(kuò)展的生物科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。現(xiàn)開發(fā)建設(shè)有生物工程及微生物、植物學(xué)類、儀器設(shè)備使用及實(shí)驗(yàn)室安全培訓(xùn)三個(gè)模塊，每個(gè)學(xué)科模塊根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)再進(jìn)行細(xì)分，建成了結(jié)構(gòu)層次清晰、內(nèi)容擴(kuò)展的生命科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，其中生物工程及微生物模塊包括蛋白質(zhì)同源模建虛擬仿真軟件、動(dòng)物胚胎移植操作實(shí)驗(yàn)、單克隆抗體制備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳測(cè)定蛋白質(zhì)的相對(duì)分子量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件、酶聯(lián)免疫吸附虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件等19個(gè)項(xiàng)目;植物學(xué)類模塊包括水稻遺傳轉(zhuǎn)化虛擬仿真軟件、擬南芥 T-DNA 插入突變體的鑒定虛擬仿真軟件、植物基因克隆及表達(dá)載體建立、植物工廠 3D 仿真培訓(xùn)軟件等6個(gè)項(xiàng)目;儀器設(shè)備使用及實(shí)驗(yàn)室安全培訓(xùn)包括熒光定量 PCR 儀虛擬操作系統(tǒng)、氣相色譜 VR 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)軟件、激光共聚焦操作虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、生物類實(shí)驗(yàn)室安全防護(hù)虛擬仿真訓(xùn)練等6個(gè)項(xiàng)目。軟件平臺(tái)登錄網(wǎng)址為http：//219.244.0.63/website，全校師生可在校園網(wǎng)通過(guò)建立的賬號(hào)和密碼登錄后下載使用。

2? 生命科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的意義

2.1 適應(yīng)信息化建設(shè)發(fā)展需要，提升人才質(zhì)量培養(yǎng)質(zhì)量

國(guó)家非常重視教育信息化建設(shè)，教育部于2012年出臺(tái)了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020）》等文件，為高校開展教育信息化工作提供了政策依據(jù)，指明了發(fā)展方向。新時(shí)期在信息化背景下，利用虛擬仿真技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，完善傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提升平臺(tái)師資力量，不斷加強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是生命科學(xué)類專業(yè)重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，對(duì)學(xué)生提高發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力以及綜合素質(zhì)的提高有極其重要的作用。學(xué)生通過(guò)虛擬仿真教學(xué)的學(xué)習(xí)不僅保證了學(xué)生的人身安全，也增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力，為今后就業(yè)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 依托互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果及效率

生命科學(xué)真實(shí)實(shí)驗(yàn)主要制約因素有：一是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目用到有害性、易燃易爆性、感染性、放射性等類物質(zhì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，現(xiàn)有實(shí)體實(shí)驗(yàn)室條件很難滿足實(shí)驗(yàn)開設(shè)要求，存在安全風(fēng)險(xiǎn);二是實(shí)驗(yàn)的不可逆性，在開展動(dòng)物實(shí)驗(yàn)時(shí)，動(dòng)物不必要的處死和處死的數(shù)量增加，另外實(shí)驗(yàn)中具有危險(xiǎn)的技能操作如穿刺治療等;三是教學(xué)成本和資源限制，有些實(shí)驗(yàn)生物材料由于受環(huán)境變化和季節(jié)性影響很難采集到，還有人體及動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)所需人尸體及器官標(biāo)本更是難求，最終影響實(shí)驗(yàn)重復(fù)性;四是有些生物化學(xué)、分子生物學(xué)、生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)耗材、設(shè)備使用成本高，還有一些實(shí)體實(shí)驗(yàn)受時(shí)間和空間限制，學(xué)生操作難度大，成功率不高。而虛擬生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)則可以做到不受時(shí)空限制、隨時(shí)隨地的開放，通過(guò)交互的動(dòng)畫方式直觀地展現(xiàn)操作過(guò)程和方法，利于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的理解[3]。

3? 生命科學(xué)虛擬仿真平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 虛-實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式創(chuàng)新

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)資源的建設(shè)不僅結(jié)合了相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱和培養(yǎng)方案，在能實(shí)不虛的原則下使虛擬仿真項(xiàng)目發(fā)揮出自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，根據(jù)教學(xué)科研實(shí)際情況，發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，拓展更新了實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目資源，逐漸建立了基礎(chǔ)性、綜合性、設(shè)計(jì)創(chuàng)新性、虛擬仿真性多層次、多模塊、多角度的“虛”與“實(shí)”相結(jié)合一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。比如聯(lián)合開發(fā)了“食用菌（杏鮑菇）工廠化生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”、“固體小曲白酒發(fā)酵過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”等項(xiàng)目，學(xué)生可以通過(guò)游戲的方式掌握實(shí)驗(yàn)的步驟和操作過(guò)程以及決定實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，大大地提升對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的認(rèn)知，學(xué)生通過(guò)虛擬軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了課堂教學(xué)與在線學(xué)習(xí)的結(jié)合，課前課后可以在線觀察、瀏覽、下載學(xué)習(xí)真正做到了“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的原則。

3.2 培優(yōu)育新，管理模式創(chuàng)新

軟件后臺(tái)建立強(qiáng)大多功能綜合管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了資源管理、教師管理、學(xué)生管理、虛擬操作、仿真考試、教師評(píng)閱等功能。在上實(shí)驗(yàn)課時(shí)，學(xué)生在線登錄仿真軟件平臺(tái)，根據(jù)軟件界面提示進(jìn)行虛擬操作，通過(guò)點(diǎn)擊鼠標(biāo)可完成各個(gè)實(shí)驗(yàn)流程、儀器使用等操作。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)記錄學(xué)生操作情況和答題情況，并給予打分，實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員運(yùn)用仿真資源查看學(xué)生考試成績(jī)統(tǒng)計(jì)，教師通過(guò)收集整理分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的突出問(wèn)題和集中存在的問(wèn)題，有針對(duì)性進(jìn)行輔導(dǎo)，達(dá)到提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。通過(guò)線上學(xué)習(xí)和線下實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合，學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能得到了更加系統(tǒng)全面的訓(xùn)練，而且數(shù)字化實(shí)驗(yàn)課程資源的建設(shè)滿足了信息化環(huán)境下學(xué)生在線學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，極大促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主實(shí)驗(yàn)的主觀能動(dòng)性和積極性，開創(chuàng)了虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)協(xié)同育人的新局面。

3.3 突破時(shí)空限制，實(shí)現(xiàn)了自主開放性教學(xué)

近年來(lái)，高校招生規(guī)模的擴(kuò)大，加劇了學(xué)生人數(shù)急速增加與實(shí)驗(yàn)室硬件和軟件發(fā)展相對(duì)滯后的矛盾，人均實(shí)驗(yàn)條件還存在不小的差距。而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是嚴(yán)格按照教學(xué)計(jì)劃和安排，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，在指定的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，以班級(jí)為單位進(jìn)行集中授課和實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)信息技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的操作界面、仿真實(shí)驗(yàn)界面、交互界面、管理界面在智能手機(jī)及 iPad（平板電腦）上展示，只要有一臺(tái)電子設(shè)備，通過(guò)校園網(wǎng)，將授課內(nèi)容與校園其它計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)共享，支持學(xué)生隨時(shí)操作實(shí)驗(yàn)，自己掌控實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，并提出遇到的問(wèn)題，尋求幫助，教師和其他學(xué)生可以一起討論，幫助其解決問(wèn)題。通過(guò)這種“人機(jī)對(duì)話”的交互式學(xué)習(xí)方式，學(xué)生可直觀地、立體地和動(dòng)態(tài)地學(xué)習(xí)知識(shí)，從而加深記憶，充分發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，打破了傳統(tǒng)教學(xué)的時(shí)空限制，真正實(shí)現(xiàn)了虛擬教學(xué)資源的開放和共享。

4? 結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是信息技術(shù)高速發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的產(chǎn)物，是借助多媒體、數(shù)據(jù)庫(kù)及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)而幫助學(xué)生在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程，其具有高仿真、智能化、互動(dòng)性、直觀性、開放性等特點(diǎn)，極大促進(jìn)了教學(xué)效果的提高[2]。但虛擬仿真實(shí)驗(yàn)也有一定的局限性，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)當(dāng)將其與實(shí)物實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，做到虛實(shí)結(jié)合，相輔相成，不斷優(yōu)化創(chuàng)新人才成長(zhǎng)環(huán)境，推進(jìn)人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高[4]。

參考文獻(xiàn)

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