虚拟仿真实验平台在生物技术专业本科实践教学中的应用

金太成，杨丽萍，赵永斌

(吉林师范大学生命科学学院，吉林四平 136000)

生命科学是一门实践性较强的学科。通过实践课程提高学生动手能力、发现问题和解决问题的能力，是培养高素质创新型人才的重要手段。在生物专业本科学生培养过程中，实践教学贯穿始终，简单来说可以包括实验、实训和实习三个教学环节。很多实验周期长，耗费大，而实训实习过程又存在作业环境危险等因素。虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，帮助学生在虚拟环境中开展实验，可以更好地达到教学大纲所要求的实验目的[1]。

1 高校生物实践教学中开展虚拟仿真教学的必要性

面对日趋激烈的国力竞争，世界各国普遍关注教育信息化在提高国民素质和增强国家创新能力方面的重要作用[1]。我国同样重视教育信息化，在高校中积极开展虚拟仿真教学建设工作就是其中的一个具体表现[2]。教育部于2012年印发《教育信息化十年发展规划(2011—2020)》，明确提出利用先进网络和信息技术，整合教育资源，强化实践育人环节，提升实验教学水平，并推进教学实验信息化平台建设。为此，教育部于2013年起陆续批准建立了100个国家级虚拟仿真实验教学中心。为进一步落实该项工作，教育部在2017年连续印发《2017年教育信息化工作要点》和《关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》两个重要文件，强调不断加强高等教育优质资源建设与应用，遴选一批典型虚拟仿真实验项目，开展虚拟仿真实验共享平台建设，规划到2020年将认定1000项左右示范性虚拟仿真实验教学项目。开展虚拟仿真教学平台建设、丰富虚拟仿真教学内容的迫切性和重要性毋庸置疑。

2 虚拟仿真教学在高校生物实践教学中的优势及作用

2.1 使长期实验短期化、抽象实验可视化，显著提高实验教学效果

有些生物学实验周期较长，现有的真实教学实验展示的生命现象与过程往往是片断的、不连续的，不具备大的时空跨越性。以基因工程实验课程为例，该类实验通常包括基因克隆、载体构建、目的基因转化、目的基因检测与表达等环节，整个实验过程需要1～2个月，甚至更长时间。通过虚拟仿真教学，可以在有限的教学课时下，保证实验教学的连贯性及知识点的全覆盖。同时，有些生物学实验过程比较抽象，实验内容简单。以组织解剖、人体及动物生理学等实验课程为例，部分实验内容仅仅利用简单的人体构造模型完成教学，过程相对枯燥、空洞，学生学习兴趣不高。而通过虚拟仿真技术可真实展现人体器官的三维解剖结构，实现立体、直观、逼真、全方位、多角度观看实物三维构像，使学生从被动学习转变成主动、积极、灵活的学习，显著提高实验教学效果。

2.2 降低实验教学成本，显著提升实验教学效率

部分生物学实验教学成本高、消耗大。以分子生物学实验为例，单克隆抗体制备、基因芯片制备等教学内容非常重要，但开设成本过高，无法保证每个学生动手做大量实验；而且经常使用一些毒性较大的实验试剂，存在一定的安全隐患。虚拟现实技术通过一次性投入，建设虚拟仿真实验教学资源，让学生不必进入实验室进行实际操作就能达到一定的学习效果，降低了教学成本。

2.3 加强实习实训教学，显著提升学生就业竞争力

实习实训是生物技术专业重要的实践型教学环节，对培养学生解决实际问题的能力、全方位提高学生综合素质具有重要意义。但生物技术企业对卫生、环境及安全性要求很高，接纳大量学生实习的积极性不高,同时成本、技术保密等因素使学生无法参与关键技术培训。上述问题制约了学生综合能力的培养，不利于学生接受系统全面的技能培训。虚拟仿真实习实训教学平台既可以保证学生的安全，又可以保证实习实训的系统性和教学质量，显著提高学生从业技能，增强学生的实践和创新能力，为学生就业提供有力保障。

3 虚拟仿真教学存在的问题和解决策略

虚拟仿真实验教学工作目前在全国各高校受到普遍重视，但在实验平台建设及教学过程中难免存在一些问题。下面结合我院虚拟仿真教学平台构建过程中的实际情况，针对虚拟仿真教学工作中存在的几个共性问题，提出相应解决策略。

3.1 虚拟仿真教学资源不够丰富

虚拟仿真实验教学优势独特，但前期投入较大，特别是内容制作花费昂贵。我国目前虽然已经建立了不少国家级、省级虚拟仿真教学中心，但各中心普遍面临的问题是在资金限制下虚拟仿真实验资源不够丰富或后继实验内容拓展不够。另一方面，很多中心的教学内容存在重复、同质化现象。这种局面严重限制虚拟仿真教学的开展，有效的解决策略是全国资源共享，打破各虚拟仿真教学中心间的壁垒，让大家都能享受到虚拟仿真教学的好处。例如，教育部发布的《关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》中明确强调开展虚拟仿真实验共享平台建设，要求各示范项目必须完全对外公开服务，确保校外互联网网络链接地址直接指向实验项目；同时，应加强后继资金投入，全面统筹虚拟仿真教学资源的建设工作，避免重复建设和资金浪费。

3.2 部分虚拟仿真教学内容陈旧，应用价值不高

随着国家经济的快速发展和高等教育水平的显著提高，有些虚拟仿真实验教学资源过于陈旧，知识点分散，系统性不强，无法显著提高学生的实践创新能力。在虚拟仿真教学内容建设过程中一定要坚持“能实不虚”的原则，一些简单重复实验在正常实验课就能完成，完全没必要虚拟化。同时,有些成型虚拟仿真教学资源产品与本校的教学实际情况不符，通过简单的花钱购买无法达到预期的教学目标。针对上述现象的有效策略是根据实验要求，有针对性地订制虚拟仿真教学内容。实验教师应根据具体学科的特点，独立设计虚拟仿真教学目标、内容，与软件开发人员合作，订制虚拟仿真教学资源。虚拟仿真实验资源贵在精，要有深度和系统性，要真正解决常规实验解决不了的问题。只有保证虚拟仿真教学资源的质量，才能发挥虚拟仿真实验教学与常规实验教学“虚实结合，以虚扩实”的目标，提升实践教学的质量和效果。

4 结语

教育信息化是大势所趋，高校开展虚拟仿真教学前景广阔。只要我们加强虚拟资源共享机制建设，拓展虚实深度结合的仿真教学资源，充分利用互动性强的虚拟仿真教学方式，终将实现提高实践教学质量、为国家培养创新型人才的最终目标。