虚拟仿真实验教案设计及实践

刘亚丰， 苏 莉， 吴元喜， 唐朝晖， 张日欣， 林 刚， 余龙江

(华中科技大学 生命科学与技术学院， 武汉 430074)

虚拟仿真实验教案设计及实践

刘亚丰， 苏 莉， 吴元喜， 唐朝晖， 张日欣， 林 刚， 余龙江

(华中科技大学 生命科学与技术学院， 武汉 430074)

以生命科学与技术国家级虚拟仿真中心近年在教案设计方面的探索及实践为依据,从专业知识、虚拟场景、逻辑结构、交流互动、教学反馈、效果与质量评测等方面深入探讨了虚拟仿真教案的准备与设计，以期推进虚拟仿真教学模式在实验教学中的广泛应用，提高学生综合实践能力。

虚拟仿真； 实验教学； 教案设计； 自主学习； 实践能力

0 引 言

虚拟仿真实验教学可以弥补真实实验不允许开设或难以达到教学效果的实验，是一种有利于自主学习、主动实验、共享开放的教学模式[1-2]，是教育信息化背景下教学改革的发展方向和人才培养的重要手段[3-5]。为推动虚拟仿真等信息技术在教学上的应用与推广，教育部先后发文并从2013年起每年批准建设100个国家级虚拟仿真实验教学中心[6]。

对于虚拟仿真技术，人们最早接触的是科幻影片或3D网络游戏，其在实验教学上的应用开始于本世纪初，主要用于电路仿真与设计等[7-9]。尽管这几年对虚拟仿真技术有更多了解和认识，其应用也扩大到更多专业[10-15]，但如何将该技术与专业知识结合进行教案设计，将关系到虚拟仿真实验教学质量与可持续发展。本文通过实验教案设计，并结合生命科学与技术国家级虚拟仿真中心建设实施情况，从多个环节探讨虚拟仿真实验教案的规划与设计，以期推动虚拟仿真教学资源建设、促进虚拟仿真教学模式应用与发展。

1 实验教案设计必要性与可行性

1.1 教案设计必要性

虚拟仿真实验教学是专业知识与信息技术深度融合的产物[6]。对于学科专业知识，专任教师熟知并能言传身教传授给学生，整个教学过程顺利实施得益于教师对教案的精心准备。无论是理论教学还是实践教学，教师课前都会设计和准备教案，它是基础知识、专业技术及技能操作通过不同手段、展现形式按照一定逻辑关系执行的一段“程序代码”。在传统教学模式下，这种代码是教师主导学生配合执行的。对于虚拟仿真实验这种新教学模式，为达到教学目标进行教案设计是应该的、也是必需的，其代码是学生主导计算机配合完成的，但其工作量、复杂程度也将远超传统教案。

许多教师对于信息技术，尤其是虚拟现实技术和模拟仿真技术不很熟悉，并且在繁重的科研与教学任务下，教师不可能在短时间内掌握并利用这些技术进行专业知识信息化，更多的是将这部分工作交于专业公司以合作方式完成。专业公司虽精通信息技术，但不熟悉专业知识，若仅仅将实验指导书、PPT课件、实验录像交于公司，甚至仅仅将功能需求告知公司实现转化，不仅使得虚拟仿真实验项目制作周期变长、开发成本升高，更重要的是很难将专业知识尤其是教师丰富经验传递出去，很难获得良好的教学效果与教学质量。因此，需要专任教师亲自参与教案编写，为专业知识信息化提供高质量的素材和准备。

1.2 教案设计可行性

虚拟仿真实验不能简单认为是传统实践教学的虚拟化、网络化，不能因为实体实验复杂、花时间多而虚拟化。本着高水平人才培养的目标，根据新形势下教学需求和学生获取知识方式的转变，有所为有所不为的开发虚拟仿真实验(见图1)，具体建设原则参见文献4和5。

图1 虚拟仿真实验开发原则

在宏观建设原则确定后，还需从教案设计层面进一步展开论证：学科专业知识是否方便信息化技术传递，实验细节及难点是否能通过编程、交互接口实现，实验效率与结果如何通过后台程序监控管理等。只有这些内容确定可行且其开发成本可控，方可进行后续的工作，否则很难达到实验教学目标与良性发展。

2 虚拟仿真实验教案设计

2.1 专业知识设计

专业知识设计是学科知识与操作技能等素材整理、梳理的过程，是信息技术要传递的对象、内涵，要根据教学大纲、培养计划、信息技术展现形式以及学生获取知识习惯，精心准备实验原理、实施技术、方案流程、实验结果等内容，这个过程关系到虚拟仿真实验是否有实质内容及传递信息的容量。以细胞膜片钳实验为例，真实实验时教师会讲述、演示玻璃电极对细胞封接的调节过程；虚拟仿真实验则要构思、设计这个过程，不仅要考虑细胞、玻璃电极的三维几何模型构建，还要考虑二者坐标、相对运动的数学/物理模型，二者的控制调节以及错误处理环节等，如图2所示。

通过本次对比研究，基本划定了研究区内优势和劣势茶园分布范围，基本摸清了适宜茶叶生长的立地条件。桐城市大别山区适宜发展茶叶种植，结合地方茶产业发展需求，今后可打造高标准茶园及特色茶叶基地建设。本次研究成果为桐城市其他地区推广种植“桐城小花”茶提供了借鉴和重要参考。

图2 细胞膜片钳封接实验设计

2.2 虚拟场景设计

虚拟仿真场景设计包括操作对象、操作环境以及场景漫游的设计等，主要营造一个逼真的实验条件或氛围。操作对象主要有分子细胞、动植物标本、仪器设备、器具耗材、药品试剂等，应在外形、比例尺寸、按键面板、显示屏制作等方面精心考虑，尽量与实物的外观和尺寸保持高度一致，如图3(a)所示，展示的是中心研发的发酵罐操作系统。操作环境主要涉及建筑物、家具、光照、温湿度等内容的塑造，营造一个逼真的实验环境。图3(b)除了展示中心研发的斑马鱼眼电测量操作对象，还增添了家具、光照等虚拟环境，相比图3(a)营造出较好的操作场景。另外，应根据实验效果需求和开发成本选择是2D还是3D场景。场景漫游是通过程序设计以虚拟人或语音讲解的方式将虚拟场景呈现给用户，可以设计成自动漫游或手动漫游的模式，方便学生了解和熟悉操作环境和实验室功能，有助于提高实验完成效率，提高后续真实实验操作的切入度与操作效果。

(a)发酵罐仿真操作实验

(b)斑马鱼眼电仿真测量实验

图3 虚拟场景设计

2.3 逻辑结构设计

逻辑结构设计关系到专业知识、操作对象、场景等内容以什么样的结构执行，单纯的顺序结构类似实验录像播放方式，对于学生掌握基本知识、实验流程是有助的，但无法锻炼学生综合设计能力和对知识的融会贯通。为克服这些问题，可在教案设计时增添条件结构、循环结构等，如图4所示。条件结构可实现不同实验方案的设计，完成同一目标实验任务，如果实验条件不允许或出现错误，则会产生错误的实验结果或现象。如在血红蛋白分离与纯化综合实验中，将生物技术碎片化处理分解成多个独立的技术和操作模块，学生能够进行技术方案设计、参数选取、条件配置以及虚拟仿真操作[2]。循环结构可确保只有实验条件、实验参数等配置正确，才可进行后续的实验操作，这种结构有利于强调实验细节、加强知识融会贯通，但其占用的计算机资源相对其他结构较大。

图4 3种逻辑结构对照

2.4 交流互动环节设计

交流互动环节是虚拟仿真实验中教师与学生通过互动实现无时间、地点限制的授业、解惑重要环节、是突出强调实验难点与细节的有效手段、是教师经验传递及知识技能延伸的有效途径。这部分内容关系到实验的效果和学生掌握知识的程度，因而是教案设计的亮点、精华之处，但所带来的工作量也相对较大、复杂程度较高，可采用2种方式实现：

(1) 通过对话框弹出方式进行交互。它可以是单选题或多选题的形式，也可以是图片的形式，只有选择正确才可进行后续的流程或操作。图片形式可以是二维的、也可以是三维的，图片形式给人直观，将成为未来建设重点。

(2) 通过硬件接口方式进行交互。这种互动环节往往需要添加立体投影系统、位置跟踪定位系统、感觉测量与反馈系统，能将用户所做的行为跟踪记录下来并与模板匹配，只有正确地执行，方可开展后续实验操作。该环节能够给学生身临其境参与，随着虚拟现实技术的发展，将成为未来发展方向。

2.5 教学反馈环节设计

教学反馈环节设计是提升实验教学效果的途径之一。虚拟仿真实验通常由学生自主完成，学生碰到问题无法像真实实验那样可随时咨询老师，也不能要求教师一直在线答疑解惑，这就要求在教案设计时，充分考虑学生可能遇到的困难和教师不在现场的应对之策，具体可从3个方面考虑设计：

(1) 辅助材料准备。教师不仅要整理实验原理、操作步骤、注意事项等相关内容，还应准备实验难点、实验细节并以试题形式供在线查询。这些实验辅助材料准备得越全面、详细，对学生的帮助越大，可提高实验成功率、夯实学生掌握知识程度；

(2) 问题反馈栏目设计。学生实验结束时可在线提交所遇到的难点与问题，系统通过短消息、邮件自动转发给课程负责教师，教师基于手机APP应用后台或邮件及时反馈给学生。该环节设计涉及到系统软件的编写，对于学生解决实验过程中碰到的问题、巩固所学知识是非常必要的，需在教案设计中予以考虑；

(3) 后台监督反馈设计。通过系统后台数据，分析学生实验中存在的共性问题，由负责老师通过公共消息或后续实体实验课时进行重点解释答疑。该环节要求系统能够记录学生在线操作的完整过程，因而数据量大、分析复杂，对系统设计要求较高，类似大数据处理，如果有条件应考虑建设。

2.6 效果与质量评测设计

目前开展的虚拟仿真实验教学，仅仅成为学生获取知识与能力的一种载体或传播手段，很少涉及到如何考核教学质量、学生学习效果，更不用来评价学生实验技能，造成虚拟实验教学过于简单和流于形式。为克服这些问题，可参照图5所示建立完善的评价体系，监督和跟踪学生在线学习与实验操作。

重点要考虑以下4个方面设计：

(1) 综合设计能力评测环节设计。应考虑实验方案流程设计评价、仪器参数选取评价、交互质量评价等内容。对于方案流程设计评价，一般应设计多个方案供学生选择，方案选择是否正确、优劣则反映学生对相关知识和技术的掌握程度；对于仪器参数选取评价，仪器参数及工作参数选取直接决定实验或操作的成败和实验效果，每种选择应给出相应的评分细则；对于交互质量评价，可将实验中一些关键技术要点和核心流程，以弹出对话框、即时消息等方式考察用户是否掌握，作为学习量化的一种形式。

图5 教学效果与质量评价模块设计

(2) 监控环节设计。通过在线后台监控的方式或实时现场监控如视频监控方式监察和记录用户的实验操作与活动，监督确保学生高效学习与操作，避免过多占用公共网络资源。

(3) 报告提交与评阅环节设计。系统开发实验报告在线提交、在线批注、在线批改、智能评阅等功能。

(4) 操作效果评测环节设计。学生进行实验操作过程中，设计后台监控学生在线时间、完成内容、实验成败及完成效率，通过分析获取学生学习与实验能力评价报告以及教学效果与教学质量评价报告。

3 结 语

虚拟仿真实验教学将成为信息时代教育改革的发展方向，将成为学生获取知识与技能的重要手段。本文首先从建设的必要性、可行性出发，分析了虚拟仿真实验教案设计对虚拟仿真教学的意义和重要性，进而结合相关实例从专业知识、虚拟场景、逻辑结构、交流互动、教学反馈、效果与质量评测设计等方面具体阐述了虚拟仿真教案的设计原则、建设内容及相关注意事项，这些建议与结论将有利于高质量虚拟仿真教学资源的建设，有利于虚拟仿真教学模式的应用与推广，促进教学模式多元化发展和高水平人才培养。

[1] 李 平，毛昌杰，徐 进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J]. 实验室研究与探索，2013，32(11)：5-8.

[2] 刘亚丰，吴元喜，苏 莉，等.生命科学与技术虚拟仿真实验教学体系的构建[J]. 实验技术与管理，2015，32(9)：120-123.

[3] 中共中央、国务院. 《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》，中发[2010]12号[Z]. 2010.7.

[4] 刘亚丰，吴元喜，苏 莉，等.信息化背景下虚拟仿真实验教学中心建设规划与实践[J]. 高校生物学教学研究，2015，5(3)：39-43.

[5] 刘亚丰，余龙江. 虚拟仿真实验教学中心建设理念及发展模式探索[J]. 实验技术与管理，2016，33(4)：108-114.

[6] 中华人民共和国教育部.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知(教高司函(2013)94号，2013.8.

[7] 宋象军. 虚拟实验室在高校实验[J]. 实验技术与管理，2005，22(1)：35-37.

[8] 张宏立，李 喆. 虚拟现实在仿真实验教学中应用[J]. 实验室研究与探索，2005，24(z1)：328-330.

[9] 韩芝侠，魏辽博，韩宏博，等. 仿真虚拟实验教学的研究与实践[J]. 实验技术与管理，2006，23(2)：63-65.

[10] 银玉容，朱能武，施召才，等. 虚拟仿真实验系统在给排水工程专业实验教学中的应用[J]. 实验技术与管理，2016，33(1)：111-113.

[11] 徐 明，刘 艳，陆金钰，等. 土木工程虚拟仿真实验教学资源的建设[J]. 实验技术与管理，2015，32(12)：116-119.

[12] 张居华，陈国辉，钟 宏，等. 矿冶工程化学虚拟仿真实验教学中心[J]. 实验室研究与探索，2015，34(7)：111-113.

[13] 向远明，范 炤，王伏玲. 虚拟仿真实验室在心理学实验教学中的作用[J]. 实验技术与管理，2015，32(12)：120-122.

[14] 刘维慧，孟丽华，于 阳，等. 工科物理虚拟仿真实验教学平台的建设实践[J]. 大学物理实验，2016，29(2)：138-141.

[15] 优 华，马 驷，邓灼志，等. 交通运输虚拟仿真实验教学平台的设计与实现[J]. 实验科学与技术，2016，14(1)：211-214.

·名人名言·

学习知识要善于思考、思考、再思考，我就是靠这个学习方法成为科学家的。

——爱因斯坦

Design and Practice of the Teaching Scheme for Virtual Simulation Experiment

LIUYafeng,SULi,WUYuanxi,TANGZhaohui,ZHANGRixin,LINGang,YULongjiang

(College of Life Science and Technology，Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074， China)

In recent years, the rapid development of virtual reality and other information technology has greatly promoted the teaching reform of higher education and the application of new teaching mode. However, the teaching schemes for virtual simulation experiment are rarely discussed. In order to carry out the wide application of virtual simulation teaching mode and improve students’ comprehensive practical ability, the design and preparation of the teaching scheme for virtual simulation experiment were investigated in detail in the paper based on authors’ previous exploration practice from professional knowledge, virtual scene, program structure, intercommunion, teaching feedback, quality evaluation and so on.

virtual simulation; experimental teaching; teaching scheme design; self-learning

2016-04-12

湖北省教学研究项目(2014070，2015060)

刘亚丰(1976-)，男，河南漯河人，博士，工程师，中心副主任，研究方向：生物医学光子学、光遗传学、电生理学，主要负责生命科学与技术国家级虚拟仿真中心建设。E-mail:yfliu@mail.hust.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)03-0185-04