发达国家在大学开展虚拟生物学实验教学的经验及启示

范 蕾

(北京理工大学 生命学院实验与教学中心，北京 100081)

0 引 言

信息技术的快速发展对发达国家大学生物实验教育的方式产生了重大的影响。发达国家大学利用多媒体、仿真及网络等技术运用在计算机硬件操作环境上，建立网络虚拟实验室。此类实验起到辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节。实验者在模拟真实的操作环境中完成各种实验项目，所取得的实验效果等同于或优于在真实环境中所获得的效果，这已成为现代实验教育技术发展的必然趋势[1]。

1 概 述

大学生物学实验是培养学生生物学实验能力、科研素养和科研方法的基础课程，是大学本科生接受系统生物学实验方法和实验技能训练的开始阶段。随着网络3D技术、虚拟实验平台技术的发展，发达国家大学构建开放式网络虚拟实验教学系统，把生物学教学实验室的数字化和虚拟化，为学生建立了虚拟实验平台和开放实验室管理系统。学生在此平台上可动手设置、连接、调节和使用虚拟实验仪器设备。与真实实验类似，师生可利用虚拟器材库中的器材自由设计、搭建合理的经典实验[2]。

虚拟实验可有效解决大学在经费、场地、设备、材料等方面的困难且开展网络虚拟实验教学能够突破传统实验对“时间、空间、经费、教师和学生人数”的限制，无论是学生还是教师，都可随时随地上网进入虚拟实验室、操作仪器，进行各种实验，有助于提高实验教学效率和质量。

2 虚拟生物实验教学的经验

西方发达大学生物学专业的高、低年级学生所做虚拟实验从内容与形式上有很大差别。

2.1 低年级虚拟教学模式

美国伊利诺伊大学香宾分校生物学专业从2001年就开始使用美国麻省理工学院构建的远程网络实验室(iLabs)教育系统见图1。学生接触到先进的生物学技术。例如，学生可利用以网络为基础的软件模拟需要呈现真实的实验研究医学领域内的疾病诊断。具体虚拟实验包括疾病的诊断(例如镰刀细胞贫血、囊肿性纤维化、亨廷顿疾、血友病)，DNA指纹图谱实验、DNA限制性内切酶酶切实验或学生可在很短的时间里实现用现代方法克隆生物或做转基因作物的实验。学生通过上机操作、数据输入和分析获得实验结果[3]。

图1 低年级生物网络虚拟实验的教学大纲

在校注册的低年级生物学专业的学生只有顺利通过理论课程的考试然后，才能获得进入网络实验课程教学平台的密码，最后持密码进入虚拟实验平台做实验。学生做虚拟前还要完成几个准备工作，①做实验作业，包括实验材料的准备、实验目的、方法(仪器原理和分析)、任务(确保实验顺利完成)。②学生在做实验前还要完成在线测试(一般回答四个问题并提交答案)。 学生完成实验后需提交书面实验报告(包括实验原理、实验记录和提出对实验中出现的问题并回答问题发生的原因和解决方法及实验安全的教育内容)，其中最后实验的分析需列出参考文献(理论参考书、学科研究进展类的书籍、文献、网络信息等)

2.2 高年级虚拟实验模拟真实工厂实验操作间

在美国俄勒冈大学高年级生物学专业的学生要参加模拟真实工厂实验操作间的高级虚拟实验。这一系列的实验模式是围绕模拟复杂的生物反应过程而展开[4]。例如，大学与工厂合作，工厂提供大学每个车间的具体技术信息，大学会根据提供的真实化学车间的录像带，通过计算机建模。除了增加提供的重要背景信息过程，录像也会给学生观摩以强调学生做模拟实验的真实性。大学与企业合作采用SUN工作站上使用UNIX和X Windows操作系统模拟真实工厂车间中生物反应的每个过程[5]。

在实验开始时，学生以3人为一组，分别是小组长、实验员和设计工程师。这个小组每个学期做3个不同的大实验，组员角色会互换。每个实验项目是24 h，在做实验前学生被要求看车间录像用于书写研究过程并参加有指导教师加入的定向会议，教师会回答所有学生的问题。学生在实验前准备书写实验计划书，整个计划书是按照企业要求的方式来书写，其内容包括实验的费用(人力、材料、设备的折损等)，企业的任务决定了学生对实验完成地动力。学生会在讨论会上与指导教师论证计划书。指导教师举行讨论会有两个目的：①确保学生准备实验完善。②提高学生在讨论会上表达能力。教师也会根据学生在不同实验阶段的的表现打分。虚拟实验的特点是，前期准备花费的时间要长。尽管模拟实验任务的花费从几分钟到几小时或几十小时，但是实验者需长期跟踪真实的实验才能保证在计算机模拟操作的时间花费少。学生在模拟实验后，要做15 min的口头报告。其报告内容由工厂实验录像、模拟数据和论述结果三部分组成。然后，教师给小组的实验结果打分。学生还要完成整个实验的备忘录，其内容要模拟真实生产中的书写方式，包括实验中遇到的各种问题、解决方法、改进工艺设备、采用先进可行的措施等，这些内容是要上交给厂家。最后，学生要在一周内汇总书写一个完整的报告包括实验结果和备忘录。

学生做完前期的准备实验，则会从SUN工作站学会快速学会如何模拟操作实验。由于一般模拟实验的运行速度大大超过传统的实验，多数学生发现不需要完整的时间，在短时间内就可完成整个实验内容。因为模拟实验中计算机程序简化了真实实验的实际操作和试剂反应的时间，因此虚拟实验节约了时间。

2.3 高级虚拟实验的四个优点

西方发达国家的大学给高年级学生开设高级虚拟实验已经很多年了，证明此类实验比传统实验更具有吸引力，具体特点体现在以下四方面[6]：

(1) 经济。虚拟实验材料可反复使用，比真实实验要节约成本。

(2) 安全。一个在模拟工厂作业的实验中，学生不使用危险的化学试剂，实验也不产生任何有毒的化学废物。

(3) 真实性。时间和预算成本都需要学生提前做好计划，这种预算计划更接近模拟真实工厂化作业。

(4) 灵活性。充分发挥高级实验室的功能，这些模式可被用于其他课程。

2.4 高级虚拟实验相比普通虚拟实验的三个特点

①为学生提供整合知识和技能的平台。②为学生做真实实验打基础，即要求学生完成一些应用性的科研项目，为学生提供参与真实实验的机会，让学生把所学知识和技能用于解决实际问题。③锻炼学生的科研能力，为学生进入深层次研究领域的学习或职业领域的工作做准备。

高级虚拟实验课注重培学生的技术技能(例如：工程经济、设计研究方案、生产程序、技术分析等)和非技术技能(例如：团队建设、沟通能力、领导能力等)。这种高级虚拟实验课程是美国大学开设的一种让学生整合、拓展、批判和应用多学科知识的综合实验，学生可获得知识和技能的培训。高级虚拟实验课程具有提升各类学科知识教育的连贯性和相关性、开发学生综合素质的潜能、帮助学生从学校向职场过渡的功能、强化学生对研究生教育的准备，因而在欧美发达国家高等教育中得到较广泛的应用。

3 对我国大学生物学创新性人才培养的启示

从上面几方面可以看出西方发达国家大学开展生物学虚拟实验有很多方面值得我国大学学习。

3.1 发展我国大学虚拟生物实验

西方发达国家很多大学生物学专业开设虚拟实验教学，但我国很多大学还没有开设此类实验课程。生物学中某些实验周期冗长而复杂，传统的实验不能提供给学生足够的时间、空间和经费去做大量的练习，因此学生无法快速有效地掌握实验技能。相反，虚拟实验教学非常适应现代化教学，虚拟实验为学生提供重复练习和自主操作的机会[7]。

虚拟生物学实验具有激发学生学习兴趣、提高学习效率、节约实验材料、防止有毒试剂对学生伤害和减少对环境的污染等优点。虚拟实验能把教材中静态、晦涩难懂的、微观的图片和语言转化成色彩鲜明、动态的、宏观现象，让学生更能理解复杂、抽象的概念并记忆深刻。这种鲜活的教学方式让学生无法抹去记忆，在今后的考试中发挥出色。学生感到这种符合学习规律的教学方式，提高了学习效率[8]。

虚拟实验材料具有重复使用的特点，在实验操作时对虚拟设备不产生任何耗损，因此节约实验经费。真实生物实验中会用到有毒、有害的实验试剂，而此往往会对实验操作者和环境造成一定的负面影响。虚拟实验是绿色环保的实验，实验过程中不会产生任何有害影响[10]，所以我国大学有必要为学生提供一定的虚拟实验，让学生有机会学习新的实验技术，以提高其掌握理论知识的能力[9]。

3.2 开发高级生物虚拟实验

我国大学应开发生物类虚拟实验模拟企业的大型工业化生产，具体的实验数据、实验步骤可到相关企业中采样获得，以提高学生的实践能力。因为大学高年级学生做此类虚拟实验的最终目的还是要为其毕业后，在工作中能具备解决现实生产中实际问题的能力。因此，大学在高年级设置的虚拟实验的内容应与相关企业的生产有关。校企合作，制作虚拟软件，使虚拟实验的内容应是一个复杂的、现代化、工业化的综合实验项目，具有实际应用价值。这种大型虚拟实验会激发学生探索未知领域的兴趣、培养学生发现问题、解决问题的创新能力[11]。这种高级虚拟实验课程可作为我国大学发展学生综合素质，增强学生的职场竞争力和适应性的一种有效方法。建议我国大学应给工程与技术类理工科学生在大学四年级开设此类实验课程。让学生在实习前已经熟悉此类实验，为学生将来就业提供便利条件 ，这也符合大学为企业输送高级应用型人才的要求。

3.3 重视虚拟与现实相结合的实验原则

虽然虚拟实验有多个优点，但也有其弊端。学生在做虚拟实验时，没有理解实际操作各种仪器设备，无法直接获得感官经验。

在真实实验里学生做定性实验时，虽然每个人可以得到相同或相似的结果，但是在定量实验时，每个学生会得到不同的实验数据。而在学生做虚拟实验时，在相同条件下大家会得到同样的结果。这就是真实实验会给学生带来更大的挑战性。同时，虚拟实验也减少了学生应对突发事件的处置机会[12]。

虚拟实验是模拟经典的真实实验且实验者会根据软件开发者的思路采用统一、机械的模式操作，所以虚拟实验的过度使用，只会导致实验者的思路单一，而无法激发学生的发散思维和淡化学生对基本技能训练的重视程度[13]。

虚拟实验不可完全替代真实的实验操作[14]，而实验的本源是要求锻炼学生的实际动手能力，所以在大学里开展虚拟实验的同时，也应避免虚拟实验过度化而忽视了实际实验操作。大学在现实环境条件允许的情况下，还是应以虚拟实验为辅，实际操作实验为主，引导学生做现实的、锻炼动手能力的实验。所以综上分析，虚拟实验和真实实验虽然两者都各有利弊，但虚拟实验只能在一定程度上替代真实实验[15]。

3.4 虚拟生物学实验课结合网络教学

虚拟生物学实验课可结合网络教学，为更多的学生提供选修实验的机会，也可作为远程教育[16]的一部分，为希望致力于此专业学习的学生开设课程。一般专业实验的规模再大，也无法为上百人同时提供做实验的场地，但是网络虚拟实验具有方便、快捷、规模化、可重复性的特点，能同时为更多人提供做实验的机会。因此，有条件的大学可开设网络虚拟实验。

4 结 语

发达国家大学根据开设生物学虚拟实验课的难易程度分为低年级和高年级两种水平，大学为高年级学生开设虚拟生物学实验课程的目的是为培养创新型人才。我国大学应借鉴发达国家大学虚拟实验教育的经验，培养创新型人才，为建设创新型国家而努力奋斗！

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