生物類虛擬仿真實驗建設(shè)探索

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摘要:針對生物學科和虛擬仿真實驗技術(shù)的特點，以虛擬仿真實驗教學項目共享平臺內(nèi)生物科學類虛擬仿真實驗為例，開展生物類虛擬仿真教學實驗的建設(shè)情況和特點分析，探討在實驗室課堂如何利用優(yōu)質(zhì)線上資源。本研究將為建設(shè)虛擬仿真實驗課程，有效利用國家虛擬仿真教學實驗資源開展互聯(lián)網(wǎng)+實驗室的混合式學習提供一定的參考。

關(guān)鍵詞:生物學;實驗課程;虛擬仿真;混合式學習

1緒論

教育部在《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》(教高〔2012〕4號)中明確要求“建設(shè)優(yōu)質(zhì)教育資源共享體系”，在《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》明確提出，“要建設(shè)虛擬實驗室”“把教育信息化作為國家信息化的戰(zhàn)略重點和優(yōu)先領(lǐng)域全面部署、加快實施”。同時，教育部辦公廳也于2017年了2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)通知。目前已在虛擬仿真實驗教學項目共享平臺已上線的虛擬仿真實驗項目有2057項。生物學是自然科學中實驗性很強的基礎(chǔ)學科。然而，傳統(tǒng)生物學實驗教學在開展過程中存在危險性、成本高、周期長等問題。已發(fā)現(xiàn)虛擬仿真實驗技術(shù)在生物學、醫(yī)學、等領(lǐng)域具有良好的推廣應(yīng)用前景，它可用于彌補傳統(tǒng)實驗課程的不足。因此，本文針對生物學科和虛擬仿真實驗技術(shù)的特點，以生物科學類虛擬仿真實驗為例，開展了生物類虛擬仿真教學實驗的建設(shè)情況和特點分析，將為今后建設(shè)虛擬仿真實驗課程，并有效利用國家虛擬仿真教學實驗資源，開展互聯(lián)網(wǎng)+實驗室的混合式學習提供一定的理論參考。

2生物學實驗教學的特點

2．1生物學的學科特點

生物學是研究生物結(jié)構(gòu)、功能、發(fā)生和發(fā)展規(guī)律的科學，它也是自然科學中實驗性很強的基礎(chǔ)學科之一。在生物學教學過程中，需要通過實驗教學，讓學生理解基本概念、原理、基礎(chǔ)專業(yè)知識，同時鍛煉學生的動手能力、觀察能力和實踐創(chuàng)新能力。實驗教學是幫助學生理解理論知識，培養(yǎng)動手能力、觀察能力和創(chuàng)新實踐能力的重要途徑。因此，實驗教學質(zhì)量的好壞，成為衡量生物學人才培養(yǎng)質(zhì)量高低的重要指標。

2．2傳統(tǒng)生物學實驗教學的特點

實驗教學是生物學專業(yè)教育中必不可少的重要環(huán)節(jié)。然而，傳統(tǒng)生物學實驗教學存在以下幾個方面的問題:(1)危險性高:生物學實驗中的顯色劑、提取試劑、流動相等的毒性較大，且大型儀器一般涉及有毒、易燃、易爆危險氣體。(2)成本高:稀缺實驗資源、大型實驗儀器設(shè)備、配件、耗材、維護等費用高。(3)大規(guī)模實體實驗課程開設(shè)受限制:有些實驗周期長，大型儀器設(shè)備人均臺數(shù)不足，實驗操作要求精細。(4)實驗項目以驗證性實驗為主，無法滿足學生自主實驗和創(chuàng)新實踐的要求。

3虛擬仿真實驗技術(shù)的特點

3．1虛擬仿真實驗技術(shù)的特點

虛擬仿真實驗技術(shù)是一種基于真實環(huán)境和真實用戶體驗的技術(shù)手段，通過計算機等硬件和軟件可以用于輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)。目前，已發(fā)現(xiàn)在生物學、醫(yī)學等領(lǐng)域具有良好的推廣應(yīng)用前景。隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，也有越來越多的高校和研究院所建立了虛擬仿真實驗室，采用互聯(lián)網(wǎng)+實驗室的方式來輔助實驗教學。

3．2虛擬仿真實驗技術(shù)對傳統(tǒng)實驗課的補充

首先，虛擬仿真實驗技術(shù)能夠通過虛擬仿真進行安全培訓、實驗預(yù)習、大型儀器演示等以提高學生的操作技能，提高實體實驗的安全性。其次，虛擬實驗可以減少實驗材料的浪費，節(jié)約成本。最后，可通過虛擬仿真開設(shè)周期長、難度大實驗。此外，虛擬仿真實驗可以滿足學生的個性化學習，能夠支持探究性學習和小組合作學習，豐富實驗課程的教學形式。可見，虛擬仿真實驗?zāi)軌蛴行У貜浹a傳統(tǒng)實驗教學中的不足，是傳統(tǒng)生物學實驗教與學方式的革新和發(fā)展。

4實驗空間生物類虛擬仿真實驗建設(shè)情況

4．1國家虛擬仿真實驗教學平臺的特點

實驗空間，即國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺，是國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務(wù)體系建設(shè)支撐平臺。國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺涵蓋的學科全面，專業(yè)類型豐富，而且覆蓋了各個層次的高校。所有訪問者都可以進入實驗空間內(nèi)的各項虛擬仿真實驗，瀏覽、學習、測驗、評價等。

4．2生物科學類虛擬仿真實驗課程建設(shè)情況

2017—2020年示范性虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)規(guī)劃建設(shè)1000門，目前，在實驗空間已建設(shè)的虛擬仿真實驗教學課程達2057門。在已建設(shè)虛擬仿真實驗教學課程的專業(yè)中，醫(yī)學技術(shù)類、化學類、土木類、交通運輸類虛擬仿真實驗教學課程建設(shè)數(shù)為規(guī)劃數(shù)的6倍。生物科學類虛擬仿真實驗教學課程規(guī)劃建設(shè)30門，截至2020年11月，實際已建設(shè)73門。進一步按照專業(yè)分類，生物科學專業(yè)相關(guān)虛擬仿真課程最多，共44門，占生物科學類總數(shù)的60%，其次為生物技術(shù)專業(yè)和生態(tài)學專業(yè)，分別有24門(33%)和5門(7%)課程(圖1)。

4．3生物科學類虛擬仿真實驗課程使用情況

虛擬仿真實驗教學共享平臺上線的生物科學類虛擬仿真課程總瀏覽量達790556人次，平均達10980人次(圖2)。其中，瀏覽人數(shù)超過4萬人的課程，包括暨南大學開設(shè)的《濱海動物野外實習虛擬仿真》實驗(48553人次)和河南師范大學開設(shè)的《淀粉酶高產(chǎn)菌的篩選、誘變鑒定及應(yīng)用虛擬仿真實驗教學項目》(45411人次)。在生物科學類課程中，瀏覽人數(shù)超過3萬人的課程，還有河南大學開設(shè)的《動物細胞培養(yǎng)》(34180人次)和山東大學開設(shè)的《黃河三角洲濕地生態(tài)系統(tǒng)演替與修復(fù)實驗》(33635人次)。

5結(jié)語

在生物學專業(yè)教育中，實驗教學是必不可少的重要環(huán)節(jié)之一，它有助于學生理解理論知識，并將其與實踐結(jié)合。然而，傳統(tǒng)的生物學實驗教學或課堂在開展過程中存在危險性、成本高、周期長等問題。生物學虛擬仿真實驗可用于彌補上述傳統(tǒng)實驗課程的不足。目前已上線了非常豐富的生物科學類虛擬仿真實驗課程，應(yīng)在分析這些線上實驗課程教學平臺的基礎(chǔ)上，針對本校生物學科教學體系特點，構(gòu)架適用于本校生物學實驗的虛擬仿真實驗教學體系，選取仿真實驗教學資源，為適合本校平臺的生物學實驗虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)提出科學依據(jù)。此外，也應(yīng)充分利用好已有線上平臺的優(yōu)質(zhì)虛擬仿真教學資源，開展“互聯(lián)網(wǎng)+實驗室”的混合教學模式探索。通過虛擬仿真實驗直觀、系統(tǒng)地講解理論知識和操作實驗步驟，結(jié)合線下的理論教學和實驗室操作進一步鞏固所學原理和實驗操作，以提高學生的興趣和時間利用效率。同時，這將為提高實驗教學質(zhì)量，激發(fā)學生的自主學習能力和創(chuàng)新實踐能力提供新方式，也為改進生物學實驗教學方式，提供一定的幫助和參考。

作者：陳卉 魏淑東 王彩麗 陳莎 李進 單位：長江大學生命科學學院