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淺談虛擬仿真系統(tǒng)在高校生物實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

2024-07-22 00:00:00張瑞益徐偉洲王富剛劉寰劉娟
科技風(fēng) 2024年16期

摘要:生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高校教育中具有舉足輕重的地位,然而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨諸如成本高昂、安全隱患以及倫理問題等局限性。隨著技術(shù)的快速發(fā)展,虛擬仿真系統(tǒng)已逐漸融入高校教育領(lǐng)域。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)借助計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),為學(xué)生提供一個(gè)高度逼真的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)環(huán)境,有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足之處。為此,本文探討了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在高校生物實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用、優(yōu)勢(shì),以及在高校生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所面臨的前景和挑戰(zhàn),期望通過對(duì)虛擬仿真系統(tǒng)在高校生物實(shí)驗(yàn)中的討論,能促進(jìn)其在高校生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的廣泛應(yīng)用,從而提高實(shí)驗(yàn)教育的質(zhì)量與效果。

關(guān)鍵詞:虛擬仿真系統(tǒng);高校生物實(shí)驗(yàn);混合式教學(xué)

AnIntroductiontotheApplicationof

VirtualSimulationSystemsinCollegeBiologyExperiments

ZhangRuiyiXuWeizhou*WangFugangLiuHuanLiu Juan

CollegeofLifeScience,YulinUniversityShaanxiYulin719000

Abstract:Biologylaboratoryeducationholdsasignificantpositioninhighereducation;however,traditionallaboratoryteachingfaceslimitationssuchashighcosts,safetyconcerns,andethicalissues.Virtualsimulationexperiments,utilizingcomputertechnologyandvirtualreality,providestudentswithahighlyrealisticdigitallaboratoryenvironment,effectivelycompensatingfortheshortcomingsoftraditionallaboratoryteaching.Withtherapiddevelopmentoftechnology,virtualsimulationsystemshavegraduallyintegratedintotherealmofhighereducation.Thisarticleaimstoexploretheapplicationandadvantagesofvirtualsimulationexperimentsincollegebiologylaboratories,aswellastheprospectsandchallengesfacedinbiologylaboratoryteaching.Throughthediscussionpresentedinthisarticle,hopetopromotethewidespreadapplicationofvirtualsimulationexperimentsincollegebiologylaboratoryeducation,ultimatelyenhancingthequalityandeffectivenessoflaboratoryeducation.

Keywords:Virtualsimulationsystem,;collegebiologyexperiments;blendedlearning

生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高校教育中具有至關(guān)重要的地位,它通過培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作、觀察分析和思考能力,助力學(xué)生更加深入地理解生物學(xué)原理。然而,傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)也面臨一些局限性。首先,實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室空間的需求使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本相對(duì)較高[1]。其次,部分實(shí)驗(yàn)受實(shí)驗(yàn)材料和時(shí)間的限制影響,學(xué)生往往無法充分進(jìn)行實(shí)踐和探索,從而對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果產(chǎn)生不利影響。

在這種背景下,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生。它通過計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),為學(xué)生提供一個(gè)高度逼真的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)環(huán)境。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性,為學(xué)生提供更安全、高效和可重復(fù)的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)體驗(yàn)[2]。近年來,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛速發(fā)展,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在高校教育中得到了廣泛應(yīng)用。許多學(xué)科,如物理學(xué)、化學(xué)和工程學(xué)等[3],已經(jīng)將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)納入實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域同樣也開始嘗試引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

1虛擬仿真實(shí)驗(yàn)原理與技術(shù)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是一種借助計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),通過數(shù)字化手段模擬實(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)境和過程的教學(xué)方法。它可以為學(xué)生提供一個(gè)高度逼真、交互式的學(xué)習(xí)平臺(tái),使學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,從而更好地理解和掌握實(shí)驗(yàn)原理和技巧。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的技術(shù)主要包括:計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、模型構(gòu)建與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)以及交互式設(shè)計(jì)與實(shí)時(shí)反饋。

1.1計(jì)算機(jī)技術(shù)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)依賴于計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)各種仿真模型的運(yùn)算與處理。計(jì)算機(jī)技術(shù)為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提供了硬件基礎(chǔ)和軟件平臺(tái),通過高性能計(jì)算和圖形處理能力實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜數(shù)學(xué)模型的快速計(jì)算和可視化呈現(xiàn)。

1.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的核心組成部分,它通過生成逼真的三維數(shù)字化環(huán)境,讓學(xué)生能夠身臨其境地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)包括頭戴式顯示器、運(yùn)動(dòng)追蹤器和手部控制器等設(shè)備,使學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中感受到真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程。

1.3模型構(gòu)建與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)需要構(gòu)建精確的生物學(xué)模型來模擬實(shí)際生物現(xiàn)象。模型構(gòu)建包括幾何模型、物理模型、化學(xué)模型等,根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求,采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)化和優(yōu)化。此外,大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析方法有助于提高模型的準(zhǔn)確性和逼真度。

1.4交互式設(shè)計(jì)與實(shí)時(shí)反饋

為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)效果,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)需具備良好的交互性和實(shí)時(shí)反饋。交互式設(shè)計(jì)允許學(xué)生通過直觀的操作界面與虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境互動(dòng),實(shí)時(shí)反饋則能讓學(xué)生立即了解自己的操作效果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這有助于學(xué)生及時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)策略,提高學(xué)習(xí)效率。

2高校生物實(shí)驗(yàn)中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用實(shí)例

在高校生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用,以下是四個(gè)領(lǐng)域中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用實(shí)例:

2.1分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn):基因克隆與表達(dá)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛉婺M基因克隆與表達(dá)的整個(gè)過程,包括DNA提取、PCR擴(kuò)增、限制性酶切、連接、轉(zhuǎn)化、篩選、表達(dá)以及蛋白純化等關(guān)鍵步驟。在這種安全且逼真的虛擬環(huán)境中,學(xué)生可以親自進(jìn)行操作,深入了解基因克隆與表達(dá)的相關(guān)原理和技術(shù)細(xì)節(jié)[4]。此外,虛擬實(shí)驗(yàn)還可以通過實(shí)時(shí)反饋和數(shù)據(jù)分析,幫助學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行優(yōu)化,從而提高實(shí)驗(yàn)的效率和準(zhǔn)確性。這樣的方式不僅為學(xué)生提供了寶貴的實(shí)踐機(jī)會(huì),還有助于培養(yǎng)他們分析問題和解決問題的能力??傊?,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為基因克隆與表達(dá)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一個(gè)富有挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新性的學(xué)習(xí)平臺(tái)。

2.2生理學(xué)實(shí)驗(yàn):神經(jīng)傳導(dǎo)與心血管系統(tǒng)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以詳細(xì)模擬神經(jīng)傳導(dǎo)和心血管系統(tǒng)的生理過程,為學(xué)生提供了一個(gè)直觀的學(xué)習(xí)平臺(tái)。例如,在神經(jīng)傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)中,通過創(chuàng)建精細(xì)的神經(jīng)元和突觸模型,學(xué)生可以探究神經(jīng)遞質(zhì)釋放、電位傳導(dǎo)等復(fù)雜現(xiàn)象,從而更好地理解神經(jīng)系統(tǒng)的工作原理。同時(shí),在心血管系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生可以通過調(diào)整心臟和血管的相關(guān)參數(shù),觀察心律、血壓和血流等生理變化,深入探討各種生理機(jī)制與調(diào)節(jié)因素之間的關(guān)系[5]。借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn),學(xué)生可以在安全的環(huán)境中進(jìn)行各種嘗試和探索,更好地理解生理學(xué)原理。這種富有互動(dòng)性的學(xué)習(xí)方式有助于提高學(xué)生的積極參與度和學(xué)習(xí)成效,同時(shí)也激發(fā)了他們對(duì)生物學(xué)領(lǐng)域的興趣。總之,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在神經(jīng)傳導(dǎo)和心血管系統(tǒng)的生理學(xué)教學(xué)中發(fā)揮著越來越重要的作用,為學(xué)生提供了一個(gè)全新的、高效的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

2.3生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn):群落動(dòng)態(tài)與環(huán)境影響

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟敿?xì)地模擬不同生態(tài)系統(tǒng)中的群落動(dòng)態(tài),包括種群數(shù)量、分布、相互作用等多種生態(tài)學(xué)要素。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中操控各種環(huán)境因子,如氣候條件、光照強(qiáng)度、水源分布等,以觀察它們對(duì)群落結(jié)構(gòu)和功能的影響[6]。這種模擬方法不僅可以還原野外生態(tài)實(shí)驗(yàn)的真實(shí)場(chǎng)景,而且能幫助學(xué)生更加深入地理解生態(tài)學(xué)原理和環(huán)境保護(hù)的重要性。

通過對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的探究和操作,學(xué)生可以在安全、節(jié)省資源的條件下研究生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性,發(fā)現(xiàn)環(huán)境變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響以及各種生物之間的相互依賴關(guān)系。此外,這種教學(xué)方式還有助于培養(yǎng)學(xué)生的觀察力、分析能力和解決問題的能力,使他們能夠更好地應(yīng)對(duì)實(shí)際生態(tài)環(huán)境中的挑戰(zhàn)??傊?,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮著重要作用,為學(xué)生提供了一種更為高效、實(shí)用的學(xué)習(xí)方法。

2.4微生物學(xué)實(shí)驗(yàn):細(xì)菌培養(yǎng)與抗生素篩選

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛉娴啬M細(xì)菌培養(yǎng)過程中的各種操作技巧和實(shí)驗(yàn)條件,如無菌操作、營養(yǎng)液配制、生長曲線繪制等關(guān)鍵步驟。在抗生素篩選實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生可以模擬不同濃度抗生素對(duì)細(xì)菌生長的影響,深入探討最佳抗生素選擇以及抗生素耐藥性問題[7]。

通過使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn),學(xué)生可以在安全的環(huán)境中提高實(shí)驗(yàn)操作技能,同時(shí)培養(yǎng)對(duì)微生物學(xué)原理的理解。這種方法可以幫助學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)過程中的微妙變化,分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并運(yùn)用這些知識(shí)解決實(shí)際問題。而且,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)資源和時(shí)間,使學(xué)生能夠在較短的時(shí)間內(nèi)掌握關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)技能。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有很高的價(jià)值。通過有效地整合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法,我們可以為學(xué)生提供更加豐富、高效的實(shí)驗(yàn)教育體驗(yàn),從而提高他們?cè)谖⑸飳W(xué)領(lǐng)域的實(shí)踐能力和理論素養(yǎng)。

3高校生物實(shí)驗(yàn)中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)與潛力

3.1節(jié)省成本與資源

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)減少了實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室空間的需求,從而降低了實(shí)驗(yàn)成本。此外,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行,節(jié)省了實(shí)驗(yàn)室資源,使更多學(xué)生能夠同時(shí)參與實(shí)驗(yàn)。

3.2可重復(fù)性與逼真性

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有高度的可重復(fù)性,學(xué)生可以根據(jù)需要多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解。同時(shí),虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以提供逼真的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)環(huán)境,使學(xué)生感受到真實(shí)實(shí)驗(yàn)的過程。

3.3自主學(xué)習(xí)與個(gè)性化教學(xué)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)允許學(xué)生根據(jù)自己的進(jìn)度進(jìn)行自主學(xué)習(xí),滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。此外,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以根據(jù)學(xué)生的個(gè)性化需求,提供定制化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

3.4促進(jìn)創(chuàng)新與探究

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供了一個(gè)自由探索的平臺(tái),學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中嘗試不同的實(shí)驗(yàn)方案,培養(yǎng)創(chuàng)新思維和探究精神。此外,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)反饋功能有助于學(xué)生快速調(diào)整實(shí)驗(yàn)策略,提高實(shí)驗(yàn)效率。

綜上所述,高校生物實(shí)驗(yàn)中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有顯著的優(yōu)勢(shì)和潛力,有望為生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來更高效、安全和個(gè)性化的教育體驗(yàn)。

4展望

通過對(duì)本文的深入分析和討論,我們可以清楚地看到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在高校生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所展現(xiàn)出的顯著優(yōu)勢(shì)和巨大潛力。盡管虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在高校生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中已經(jīng)取得了一定的成績,但仍然面臨著一些挑戰(zhàn)和未來發(fā)展的前景。

首先,從技術(shù)發(fā)展與更新的角度來說,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展,我們有理由相信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將會(huì)不斷地得到完善和優(yōu)化。在未來,更為先進(jìn)的技術(shù)將使虛擬仿真實(shí)驗(yàn)達(dá)到更高的逼真度、互動(dòng)性和個(gè)性化體驗(yàn),為學(xué)生提供更優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

其次,從教學(xué)方法的整合角度來看,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)結(jié)合將構(gòu)建一種更加高效的混合式教學(xué)模式,充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì),從而提升生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效果[8]。此外,從教師角色的轉(zhuǎn)變方面來說,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的普及將推動(dòng)教師從傳統(tǒng)的知識(shí)傳授者向?qū)W習(xí)引導(dǎo)者和教育資源整合者的角色轉(zhuǎn)變。教師需要不斷提高自身的信息技術(shù)水平,以便更好地利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)。在跨學(xué)科合作與創(chuàng)新方面,虛擬仿真系統(tǒng)有望激發(fā)跨學(xué)科的合作和創(chuàng)新精神。未來,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有望進(jìn)一步拓展到更多的生物學(xué)領(lǐng)域以及跨學(xué)科領(lǐng)域,從而推動(dòng)教育創(chuàng)新和學(xué)科交叉發(fā)展[9]。這將為解決生物學(xué)中的重大科學(xué)問題和應(yīng)對(duì)社會(huì)挑戰(zhàn)提供有力支持。

最后,高校和政府部門需要進(jìn)一步加大對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的支持力度,提供更多的政策、資金和技術(shù)支持,以推動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的廣泛應(yīng)用,從而為培養(yǎng)更多具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的生物科學(xué)人才創(chuàng)造有利條件。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在高校生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和探究能力具有顯著的積極作用,它不僅有助于推動(dòng)生物學(xué)領(lǐng)域的教育創(chuàng)新,還為學(xué)科交叉發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展空間。通過對(duì)相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,加大教育資源和政策支持力度,以及整合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì),我們可以共同構(gòu)建一個(gè)更加高效和實(shí)用的混合式教學(xué)模式。我們有充分的理由相信,在未來,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將為生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來更加高效、安全和個(gè)性化的教育體驗(yàn),為學(xué)生創(chuàng)造更豐富的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。在這個(gè)過程中,教育者和政策制定者需要密切關(guān)注虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的最新發(fā)展動(dòng)態(tài),努力發(fā)掘其在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的潛力,以確保我們能夠充分利用這一創(chuàng)新技術(shù)為未來的生物學(xué)家和科研工作者提供最好的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)資源。這將有助于進(jìn)一步提高高校生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效果,為生物學(xué)研究和創(chuàng)新事業(yè)做出更大貢獻(xiàn)。

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課題:中國高等教育學(xué)會(huì)國家高等教育科學(xué)研究規(guī)劃課題:基于產(chǎn)業(yè)學(xué)院的地方高校應(yīng)用型本科農(nóng)牧人才培養(yǎng)模式改革與實(shí)踐(項(xiàng)目編號(hào):23NL0411);陜西省本科高等教學(xué)改革研究項(xiàng)目:現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)學(xué)院應(yīng)用型本科農(nóng)牧人才培養(yǎng)模式改革與實(shí)踐(項(xiàng)目編號(hào):23BG045)

作者簡(jiǎn)介:張瑞益(1989—),女,漢族,陜西榆林人,碩士研究生,實(shí)驗(yàn)師,研究方向:實(shí)驗(yàn)室日常高效運(yùn)行及土壤線蟲。

*通訊作者:徐偉洲(1985—),男,漢族,陜西藍(lán)田人,博士,教授,研究方向:植被恢復(fù)與生態(tài)適應(yīng)性研究。

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