关于虚拟仿真实验教学提升生物学研究生科研创新能力的思考

孙文秀 夏 帆 熊 涛

（长江大学生命科学学院，湖北 荆州 434025）

0 引言

在2020 年7 月召开的全国研究生教育会议上，习近平总书记强调， 研究生教育在培养创新人才、提高创新能力、服务经济社会发展、推进国家治理体系和治理能力现代化方面具有重要作用，研究生教育是国家教育的顶端，是国家培养拔尖创新人才的重要阶段，肩负着为国家和社会培养高素质创新型人才的重任。 作为高素质人才的重要标志——具有创新能力，也即研究生教育的核心内容，培养研究生的科研创新能力是提高研究生培养质量的关键所在。

生物学是综合类高等院校中一门重要的基础性学科，也是一门实践性较强的学科，涉及范围广泛，生物学研究生必须充分理解和熟练掌握各项实验技能，才能够系统地发现、分析和解决问题，获得创新性成果[1]。笔者通过对湖北省多所高校的调研，发现目前生物学研究生的科研创新能力不足，在培养过程中仍然存在着诸多问题。 众所周知，实践教学在研究生科研创新能力培养过程中起着重要作用，由于生物学研究本身的特点，导致很多先进的实验无法以传统的实践教学开展。虚拟仿真实验教学具有演示性、实践性、趣味性和安全性的特点[2]，可以弥补传统实验教学的弊端，尽可能地为研究生的实验操作提供条件，尽快地提升科研创新能力。

1 研究生科研创新能力培养存在的主要问题

与本科生教育相比，研究生教育更加注重科研创新能力的培养。近年来，研究生招生规模不断扩大，既有的教学科研条件和研究生管理体系发展滞后，出现了部分研究生读而不学、学而不研、研而不精的现象，科研创新能力不足，极大地影响了研究生教育质量。

1.1 读研动机不端正，科研创新意愿缺失

随着经济的快速发展和就业压力的增加，很多学生考研只是为了增加就业机会，通过读研获得高文凭以便进入优秀的企业，找到满意的工作，而本身对学术和专业不感兴趣，也不打算从事科研工作，缺乏投身科研创新工作的主观意愿，大大削弱了研究生教育的质量和效果。

1.2 培养方式发展缓慢，科研创新意识淡薄

在目前研究生培养过程中，表现出了教学手段单一、单向传输为主、教学技术落后、新技术应用缓慢，理论与实践结合不紧密的现象。再加上现有培养研究生科研创新能力的主要途径仍然以参与导师的科研项目为主， 习惯于按照导师的要求开展研究工作，缺乏主动创新实验的意识和能力，以完成毕业论文为主要目标，必然会导致研究生的科研创新能力不足。

1.3 科研创新能力严重不足

在实际的研究生教育过程中，很多研究生为了顺利获得硕士学位， 只是按部就班地完成了培养过程，达到了获得学位的基本条件。本该通过研究生培养能够独立思考、发现和分析问题、设计实验、解决问题等科研创新意识和能力却没有获得，更是缺乏系统的科研训练，科研实践能力严重不足[3]。

2 虚拟仿真实验教学提升生物学研究生科研创新能力的作用

生物学研究具有实验周期长、 实验流程复杂、仪器设备昂贵、实验材料和试剂花费大、实验影响因素多，危险系数大等特点，在很大程度上影响了研究生科研创新能力的培养。虚拟仿真实验技术的应用可以降低上述因素的影响，可将“长时程实验短时化、大尺度实验微缩化、微观实验可视化、危险实验安全化、复杂实验熟练化、难重复实验再现化”，快速提高研究生的实验技能，熟悉实验过程，节约培养成本，加快研究进程，多出科研成果[3]。

2.1 加强研究生安全教育，降低实验危险性

研究生进入实验室开展实验首先要了解实验室管理制度、安全注意事项、操作规范等，特别是有毒、有害、易燃、易爆的危险试剂及仪器设备的危险因素，强化安全教育。 在虚拟仿真实验项目中，安全教育贯穿整个实验过程中，比如“生物实验安全与防护虚拟仿真综合实验”， 可以让研究生以第一视角沉浸式进入虚拟实验室场景，实验涉及一般生物学实验室常见的仪器设备安全操作、 危险试剂安全操作及处理、实验室安全规范及隐患排查、 相关突发事件应急处理等， 训练和考查研究生的主动安全意识和操作技能。通过虚拟仿真实验教学，可以进一步加强研究生安全教育，降低实验危险性，保障人身和实验室安全。

2.2 研究生快速掌握科研创新实践技能， 提高科研效率

虚拟仿真实验教学可以让生物学研究生快速掌握实验的原理、操作及影响因素等，尽快开展研究工作，减少失败机会。例如，研究生《分子细胞生物学》课程中关于蛋白质糖基化和动物细胞原代培养的知识点，除了讲授理论知识外，“蛋白质糖基化合成调控虚拟仿真实验”和“兔胃壁细胞原代培养及胃酸分泌相关蛋白功能研究虚拟仿真实验”也为研究生提供了实践平台，进一步加深了研究生对知识点的理解，掌握了科研创新实践技能。 同时，虚拟仿真实验教学可以让生物学研究生快速熟悉高精尖仪器设备的原理、操作及注意事项，减少因设备引起的实验问题，比如“生物荧光显微镜互动操作虚拟实验”可以使研究生掌握生物荧光显微镜的操作及图像处理相关知识，提高科研效率。 此外，虚拟仿真实验教学可以使生物学研究生了解实验对象、预测实验结果、掌握数据处理方法等，提高科研效率和成功率，减少试剂耗材的用量，节约科研经费。

2.3 提高研究生科研创新意识，增加实践机会

在现有的研究生培养模式下，生物学研究生科研任务较重，参与社会实践的机会较少，这也成为阻碍研究生实践技能与科研创新能力提升的重要原因。虚拟仿真实验教学可以为研究生提供更多操作实验的实践机会，也可以让研究生利用碎片时间学习生物学领域最新的实验技能，还可以了解生物学领域企业的相关专业实训，诸如广西大学生物科学与工程虚拟仿真实验教学中心建立的“工厂实训与仪器分析仿真实验”和“啤酒工艺虚拟仿真实验”，就可以为研究生提供实践机会和提高科研创新意识的良好条件。

2.4 节约教学时间，提高学习效率

虚拟仿真实验教学可以使用电脑和手机完成，操作方便，方式灵活，可以在教室、宿舍、家庭等场所随时随地完成学习，可以随时与教师交流答疑，不受时间和空间的限制。同时，虚拟仿真实验可以反复操作，多次熟练实验操作和流程，提高学习效率，节约教学时间。

3 结语

研究生科研创新能力的提升需要从多个方面多个角度来完成，而虚拟仿真实验教学是在实践教学过程中发挥培养研究生科研创新能力的作用。在研究生实践教学过程中， 虚拟仿真实验是实际实验的补充，可以弥补线下实践教学的不足，充分发挥虚拟实验的优势，培养研究生的科研创新能力。此外，虚拟仿真实验教学除了满足研究生实践教学需要外，还担负着研究生创新创业能力培养的任务，可以将实践教学资源整合优化，解决理论与实践脱节、学习能力与实践能力脱节、教学方法与实践脱节等问题。目前，虚拟仿真实验教学已在医学、工科类研究生培养中得到广泛应用[4-5]，相信在生物学研究生科研创新能力提升过程中也会充分发挥积极作用。