生物学虚实结合实验教学模式探索与研究

顾 昊， 孙智杰， 李 勤

(北京理工大学 生命学院， 北京 100081)



生物学虚实结合实验教学模式探索与研究

顾 昊， 孙智杰， 李 勤

(北京理工大学 生命学院， 北京 100081)

虚拟实验是以虚拟现实技术为核心发展起来的一种新型实验模式，在计算机上营造出类似于传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，从而对传统的实验教学起到辅助、部分替代甚至全部替代的作用。分析了北京理工大学传统生物实验教学中存在的时间、空间限制和课程局限性等普遍问题，提出了生物学虚实结合实验教学模式。由于虚拟实验自身独特的特征，从而使生物学虚实结合实验教学模式具有突破传统实验教学中时空限制、实验教学模式创新以及提高学生实践能力等优点。

虚拟实验； 实验教学； 生物学

0 引 言

随着教育信息化不断深入和互联网在实验教学中的广泛应用，传统实验教学已经不能满足大部分高校实验教学的要求。如何在传统实验教学基础上结合信息化时代的各类技术，开展实验教学的创新模式成为当前高校实验室建设和发展的重要课题[1-2]。

在众多信息化技术中，以多媒体、仿真和虚拟现实技术为核心发展起来的虚拟实验已经被逐渐应用于实验教学中，从而对传统的实验教学起到辅助、部分替代甚至全部替代的作用[3-6]。本文将结合北京理工大学生物实验教学中心传统生物实验教学中存在的问题，讨论虚拟实验与真实实验相结合的“虚实结合”生物实验教学模式以及该模式对生物学实验教学的作用和意义。

1 传统实验教学存在的问题

1.1 时间限制

生物学实验包括了基础生物学、生物化学、生物技术工程、生理解剖、细胞生物学、分子生物学和微生物学等多门实验课程。总体来说，生物学实验具有前期准备工作时间长和实验过程耗时长的特点。因此，实验课堂上如果学生操作不当造成实验结果错误或者实验失败，学生将无法再次重复实验操作；其次，对于一些转瞬即逝、重现性与可见度较差的实验现象和实验结果,学生也不容易在首次观察时得出正确的结论。

从外因看，生物学实验教学由于受到教学课时数、学生人数等因素的制约，学生的实验课时间普遍较少，从而影响生物学实验教学的效果。例如在有限的实验课时内，学生无法在课堂上反复进行实践操作和练习，也缺乏足够思考的时间；有些实验安排2或3人一组甚至更多，一些学生就没有动手的机会，导致学生动手实践能力较差。

1.2 空间限制

传统的生物实验教学是学生在课堂上完成实验操作，记录下实验现象和结果，随后再书写实验报告。大部分学生的实验报告都存在“千篇一律”的问题，学生机械地搬抄实验原理、实验仪器与设备以及实验步骤等内容，很少有学生详细地描述实验过程中观察到的各种实验现象并记录对实验现象所引发的思考。其中一个重要的原因是学生在离开实验室后，对实验的现象和结果开始印象模糊甚至遗忘，而学生在实验室外没有再次复习实验过程的机会。

此外，当前很多高校都采用两地办学的模式。由于新、老校区距离较远，对学生和教师的出行造成了很大的不便，同时也给本科生和研究生的实验教学带来了地域限制，例如老校区的实验室很难面向新校区的学生开放；而新校区一些新的仪器设备也无法提供给老校区。

1.3 实验课程局限性

每学期生物学实验的课时数是一定的，尽管任课教师会精心挑选和准备实验课程，但是无法保证课程的全面性，一些综合实验、大型培训实验也很难向学生提供。同时，生物学实验对实验环境条件要求高，一些生物实验还需要在无菌室进行操作，给教师的实验教学造成种种困难。因此，教师在安排实验课程时会将条件苛刻、不易实现的实验排除在外。还有一些生物实验涉及高危、极端环境，不可及、不可逆操作以及高成本、高消耗等因素，通常这样的实验也不会被编入教学计划内。

实验课程的局限性将直接导致学生很难全面掌握实验操作和实验技能，很大程度上影响了实验教学的质量和学生实践能力的培养。

2 虚拟实验的发展现状

2.1 虚拟实验基本概念和特征

虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)等技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目，所取得的实验效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。而虚拟实验室是依托虚拟现实技术产生和发展的一种实验室模型，是基于Web 3D技术、虚拟现实平台构建的开放式网络化的虚拟实验教学系统，是现有各种教学实验室的数字化和虚拟化[7-8]。

虚拟实验包括以下基本特征：

(1) 高度仿真。虚拟实验是真实实验的仿真模拟系统，逼真地还原了实验场景。学生可在3D交互虚拟环境中进行各个环节的实验操作，包括样品准备、仪器设备操作、样品采集、数据分析、实验结果评价等。通过演示实验过程、仪器设备构造、实验结果等细节，使学生直观、完整地了解生物实验的流程。

(2) 交互性。虚拟实验模块是根据每一个实验的基本原理进行逻辑设计的。学生在计算机上进行相应的实验操作，然后界面对每一个操作步骤给出反馈。同时在实验结束后，系统还会根据学生对整个实验的操作向学生提供分析数据和实验结果。

(3) 多层次、内容丰富。虚拟实验可以根据不同的实验项目，开发出多种的仿真软件，并建立仿真实验教学模型库。针对实验教学的不同需求，教师可以在不同的实验场景中从虚拟器材库任意选择合适的器材搭建所需实验模块，再让学生自己动手配置、连接、调节和使用实验仪器设备，完成实验。

2.2 虚拟实验的发展

虚拟实验起源于20世纪末，是科学实验领域中较为年轻的分支，其发展过程大致经历了以下三个阶段[9]：

(1) 思维模型与逻辑分析阶段。该阶段以科学实验为基础，以逻辑推理为根据，在思想中塑造实验模型的实验方式。

(2) 计算机仿真阶段。20世纪60～80年代，以系统数学模型为基础，在一定假设条件下利用计算机对实验对象的数学模型进行信息处理。

(3) 虚拟现实阶段。20世纪80年至今，以虚拟现实技术为基础，通过模拟人与周围真实环境交互方式而建立的观察界面进行实验的过程。

近年来，随着高校教育信息化的不断推进，虚拟实验得到了快速发展。而各类虚拟实验应用平台和计算机软硬件层出不穷，也为虚拟实验的发展注入了新的活力。

3 虚实结合实验教学模式

生物学“虚实结合”实验教学模式是指利用网络和虚拟实验等手段，面向学生提供多门生物学真实实验和虚拟实验相结合的教学模式(见图1)。该模式在原有的生物学实验基础上，为学生在线提供相对应的虚拟生物实验以及大型的虚拟生物实验，以方便学生在网上自主地开展生物学实验的预习、复习工作和一系列由于条件限制实验室无法向学生提供的生物实验操作。

图1 生物学虚实结合实验教学框架

3.1 基础实验虚实结合

基础实验“虚实结合”意在生物学实验教学的同时，为学生在线提供大量与生物学实验相对应的虚拟实验，以方便学生在网上自主地进行实验的预习和复习。根据生物学实验特点，将不同的生物实验分成虚拟平面操作系统[10]和虚拟3D仿真操作系统[11-12]。

虚拟平面操作系统是指基于某个生物学实验原理，设计出简单的逻辑关系和数学模型，实现实验的模型化。例如微生物实验中的细胞计数实验，可以根据细胞计数的原理和方法，在计算机上展现出血球计数板平面模型，学生可以在此模型上练习细胞计数并得到计数结果。

虚拟3D仿真操作系统是模拟真实实验室中的场景，使学生进入系统后“身临其境”地体验某个生物实验的完整过程，包括仪器设备的搭建、实验器材的选择以及实验过程的操作，最后完成实验并得到数据结果。

3.2 大型实验虚拟练习

虚拟实验的另一大特点是可以为“某一类”不易实现的生物实验提供虚拟的操作机会，例如涉及高危或极端的环境，不可及或不可逆的操作，大型或综合训练以及高能耗、高成本的实验。通过这一类实验的虚拟设计，向学生提供全面的生物学实验教学内容，以满足学生在校期间无法接触到的各类生物实验或者大型实验的训练机会。

基于上述目的，在传统的生物实验教学基础上开展更多的生物虚拟实验，包括大型生物发酵生产工艺、生物制剂生产工艺以及生物安全三/四级实验室模拟等。

4 虚实结合在实验教学中的意义

4.1 突破传统实验教学中时空限制

虚拟实验的实现可以有效地缓解高校在实验室经费、场地和器材等方面普遍面临的困难和压力，而且开展网上虚拟生物实验教学能够突破传统实验教学中“时、空”的限制。无论是学生还是教师，都可以自由、无顾虑地随时随地上网进入虚拟实验室，操作仪器，进行各种实验。

生物学“虚实结合”实验教学模式在传统实验教学基础上为学生提供了多渠道的生物实验学习途径。学生在计算机上通过仿真实验操作进行实验课程的预习和复习，进一步加强真实生物实验的教学效果。

此外，虚拟实验还为高校两地办学的模式提供了信息化服务手段。教师可以利用网络虚拟实验资源为新、老校区学生创建资源共享的网上实验平台，以缓解新、老校区地域差异给教学带来的限制。

4.2 实验教学模式创新

生物学“虚实结合”实验教学模式无疑是对传统实验模式的突破。虚拟实验是建立在一个虚拟的实验环境(平台仿真)之上，注重实验操作的交互性和实验结果的仿真性，学生在计算机上进行实验的模拟操作并获得相应的数据结果。同时随着技术的发展，虚拟实验不再局限于简单的桌面操作，3D立体眼镜、位置跟踪器、数据手套、力反馈器和头盔显示器等虚拟现实硬件产品不断推陈出新，从而为学生提供更加真实的体验和服务[13-14]。

生物学虚拟实验不仅补充或替代了传统的生物实验教学，计算机、网络以及虚拟现实等技术也为目前的生物实验教学带来新的发展[15-16]。

4.3 提高学生实践能力

传统的生物实验教学由于受到时间、空间和课程的限制，使学生的动手实践时间较短，从而导致学生的基本实验技能不过关。“虚实结合”实验教学模式使学生可以通过上网在计算机上操作虚拟实验，预习或者复习相关实验，从而弥补了实验教学时间短、学生在实验课堂上没有机会动手的情况。除此之外，大型的虚拟生物实验还给学生提供了实训的机会。

总之，虚拟实验使学生可以在实验室外有机会操作仿真的生物实验，大大提高了学生的学习热情和实践操作能力。

5 结 语

近年来随着虚拟实验的出现和发展，将虚拟实验与真实实验相结合将会为实验教学提供新的模式。通过生物学“虚实结合”的实验教学模式，可以在一定程度上解决当前生物实验教学过程中存在的一些问题，从而达到提高教学质量和学生素质培养的目的。

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Research of Actual and Virtual Combined Experimental Teaching Model in Biology

GUHao,SUNZhi-jie,LIQin

(School of Life Science, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Virtual experiment is a new experimental model developed based on virtual reality technology. It creates a hardware and software operating environment to simulate the traditional experiment by using computer, and plays a secondary role, sometimes, it partly or all substitutes traditional experiments. This paper analyzed the common problems of the traditional biological experiment teaching such as limitations in time, space and courses in Beijing Institute of Technology, and presented a new teaching model by combining actual experiment with virtual experiment. Because of the unique characteristics of virtual experiment, it broke the traditional experimental teaching constraints of time and space, started a new experimental teaching mode, and improved the students’ practical ability.

virtual experiment; experimental teaching; biology

2015-04-21

顾 昊(1983-)，女，浙江湖州人，博士，讲师，研究方向实验教学和实验室建设。Tel.：010-68914504；E-mail：guhao@bit.edu.cn

Q 331; G 434

A

1006-7167(2016)04-0108-03