生物類虛擬仿真實驗建設(shè)探索
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摘要:針對生物學(xué)科和虛擬仿真實驗技術(shù)的特點，以虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享平臺內(nèi)生物科學(xué)類虛擬仿真實驗為例，開展生物類虛擬仿真教學(xué)實驗的建設(shè)情況和特點分析，探討在實驗室課堂如何利用優(yōu)質(zhì)線上資源。本研究將為建設(shè)虛擬仿真實驗課程，有效利用國家虛擬仿真教學(xué)實驗資源開展互聯(lián)網(wǎng)+實驗室的混合式學(xué)習(xí)提供一定的參考。
關(guān)鍵詞:生物學(xué);實驗課程;虛擬仿真;混合式學(xué)習(xí)
1緒論
教育部在《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》(教高〔2012〕4號)中明確要求“建設(shè)優(yōu)質(zhì)教育資源共享體系”，在《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》明確提出，“要建設(shè)虛擬實驗室”“把教育信息化作為國家信息化的戰(zhàn)略重點和優(yōu)先領(lǐng)域全面部署、加快實施”。同時，教育部辦公廳也于2017年了2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)通知。目前已在虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享平臺已上線的虛擬仿真實驗項目有2057項。生物學(xué)是自然科學(xué)中實驗性很強(qiáng)的基礎(chǔ)學(xué)科。然而，傳統(tǒng)生物學(xué)實驗教學(xué)在開展過程中存在危險性、成本高、周期長等問題。已發(fā)現(xiàn)虛擬仿真實驗技術(shù)在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、等領(lǐng)域具有良好的推廣應(yīng)用前景，它可用于彌補(bǔ)傳統(tǒng)實驗課程的不足。因此，本文針對生物學(xué)科和虛擬仿真實驗技術(shù)的特點，以生物科學(xué)類虛擬仿真實驗為例，開展了生物類虛擬仿真教學(xué)實驗的建設(shè)情況和特點分析，將為今后建設(shè)虛擬仿真實驗課程，并有效利用國家虛擬仿真教學(xué)實驗資源，開展互聯(lián)網(wǎng)+實驗室的混合式學(xué)習(xí)提供一定的理論參考。
2生物學(xué)實驗教學(xué)的特點
2．1生物學(xué)的學(xué)科特點
生物學(xué)是研究生物結(jié)構(gòu)、功能、發(fā)生和發(fā)展規(guī)律的科學(xué)，它也是自然科學(xué)中實驗性很強(qiáng)的基礎(chǔ)學(xué)科之一。在生物學(xué)教學(xué)過程中，需要通過實驗教學(xué)，讓學(xué)生理解基本概念、原理、基礎(chǔ)專業(yè)知識，同時鍛煉學(xué)生的動手能力、觀察能力和實踐創(chuàng)新能力。實驗教學(xué)是幫助學(xué)生理解理論知識，培養(yǎng)動手能力、觀察能力和創(chuàng)新實踐能力的重要途徑。因此，實驗教學(xué)質(zhì)量的好壞，成為衡量生物學(xué)人才培養(yǎng)質(zhì)量高低的重要指標(biāo)。
2．2傳統(tǒng)生物學(xué)實驗教學(xué)的特點
實驗教學(xué)是生物學(xué)專業(yè)教育中必不可少的重要環(huán)節(jié)。然而，傳統(tǒng)生物學(xué)實驗教學(xué)存在以下幾個方面的問題:(1)危險性高:生物學(xué)實驗中的顯色劑、提取試劑、流動相等的毒性較大，且大型儀器一般涉及有毒、易燃、易爆危險氣體。(2)成本高:稀缺實驗資源、大型實驗儀器設(shè)備、配件、耗材、維護(hù)等費用高。(3)大規(guī)模實體實驗課程開設(shè)受限制:有些實驗周期長，大型儀器設(shè)備人均臺數(shù)不足，實驗操作要求精細(xì)。(4)實驗項目以驗證性實驗為主，無法滿足學(xué)生自主實驗和創(chuàng)新實踐的要求。
3虛擬仿真實驗技術(shù)的特點
3．1虛擬仿真實驗技術(shù)的特點
虛擬仿真實驗技術(shù)是一種基于真實環(huán)境和真實用戶體驗的技術(shù)手段，通過計算機(jī)等硬件和軟件可以用于輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)。目前，已發(fā)現(xiàn)在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有良好的推廣應(yīng)用前景。隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，也有越來越多的高校和研究院所建立了虛擬仿真實驗室，采用互聯(lián)網(wǎng)+實驗室的方式來輔助實驗教學(xué)。
3．2虛擬仿真實驗技術(shù)對傳統(tǒng)實驗課的補(bǔ)充
首先，虛擬仿真實驗技術(shù)能夠通過虛擬仿真進(jìn)行安全培訓(xùn)、實驗預(yù)習(xí)、大型儀器演示等以提高學(xué)生的操作技能，提高實體實驗的安全性。其次，虛擬實驗可以減少實驗材料的浪費，節(jié)約成本。最后，可通過虛擬仿真開設(shè)周期長、難度大實驗。此外，虛擬仿真實驗可以滿足學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)，能夠支持探究性學(xué)習(xí)和小組合作學(xué)習(xí)，豐富實驗課程的教學(xué)形式?？梢姡摂M仿真實驗?zāi)軌蛴行У貜浹a(bǔ)傳統(tǒng)實驗教學(xué)中的不足，是傳統(tǒng)生物學(xué)實驗教與學(xué)方式的革新和發(fā)展。
4實驗空間生物類虛擬仿真實驗建設(shè)情況
4．1國家虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的特點
實驗空間，即國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享平臺，是國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享服務(wù)體系建設(shè)支撐平臺。國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享平臺涵蓋的學(xué)科全面，專業(yè)類型豐富，而且覆蓋了各個層次的高校。所有訪問者都可以進(jìn)入實驗空間內(nèi)的各項虛擬仿真實驗，瀏覽、學(xué)習(xí)、測驗、評價等。
4．2生物科學(xué)類虛擬仿真實驗課程建設(shè)情況
2017—2020年示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)規(guī)劃建設(shè)1000門，目前，在實驗空間已建設(shè)的虛擬仿真實驗教學(xué)課程達(dá)2057門。在已建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)課程的專業(yè)中，醫(yī)學(xué)技術(shù)類、化學(xué)類、土木類、交通運輸類虛擬仿真實驗教學(xué)課程建設(shè)數(shù)為規(guī)劃數(shù)的6倍。生物科學(xué)類虛擬仿真實驗教學(xué)課程規(guī)劃建設(shè)30門，截至2020年11月，實際已建設(shè)73門。進(jìn)一步按照專業(yè)分類，生物科學(xué)專業(yè)相關(guān)虛擬仿真課程最多，共44門，占生物科學(xué)類總數(shù)的60%，其次為生物技術(shù)專業(yè)和生態(tài)學(xué)專業(yè)，分別有24門(33%)和5門(7%)課程(圖1)。
4．3生物科學(xué)類虛擬仿真實驗課程使用情況
虛擬仿真實驗教學(xué)共享平臺上線的生物科學(xué)類虛擬仿真課程總瀏覽量達(dá)790556人次，平均達(dá)10980人次(圖2)。其中，瀏覽人數(shù)超過4萬人的課程，包括暨南大學(xué)開設(shè)的《濱海動物野外實習(xí)虛擬仿真》實驗(48553人次)和河南師范大學(xué)開設(shè)的《淀粉酶高產(chǎn)菌的篩選、誘變鑒定及應(yīng)用虛擬仿真實驗教學(xué)項目》(45411人次)。在生物科學(xué)類課程中，瀏覽人數(shù)超過3萬人的課程，還有河南大學(xué)開設(shè)的《動物細(xì)胞培養(yǎng)》(34180人次)和山東大學(xué)開設(shè)的《黃河三角洲濕地生態(tài)系統(tǒng)演替與修復(fù)實驗》(33635人次)。
5結(jié)語
在生物學(xué)專業(yè)教育中，實驗教學(xué)是必不可少的重要環(huán)節(jié)之一，它有助于學(xué)生理解理論知識，并將其與實踐結(jié)合。然而，傳統(tǒng)的生物學(xué)實驗教學(xué)或課堂在開展過程中存在危險性、成本高、周期長等問題。生物學(xué)虛擬仿真實驗可用于彌補(bǔ)上述傳統(tǒng)實驗課程的不足。目前已上線了非常豐富的生物科學(xué)類虛擬仿真實驗課程，應(yīng)在分析這些線上實驗課程教學(xué)平臺的基礎(chǔ)上，針對本校生物學(xué)科教學(xué)體系特點，構(gòu)架適用于本校生物學(xué)實驗的虛擬仿真實驗教學(xué)體系，選取仿真實驗教學(xué)資源，為適合本校平臺的生物學(xué)實驗虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)提出科學(xué)依據(jù)。此外，也應(yīng)充分利用好已有線上平臺的優(yōu)質(zhì)虛擬仿真教學(xué)資源，開展“互聯(lián)網(wǎng)+實驗室”的混合教學(xué)模式探索。通過虛擬仿真實驗直觀、系統(tǒng)地講解理論知識和操作實驗步驟，結(jié)合線下的理論教學(xué)和實驗室操作進(jìn)一步鞏固所學(xué)原理和實驗操作，以提高學(xué)生的興趣和時間利用效率。同時，這將為提高實驗教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新實踐能力提供新方式，也為改進(jìn)生物學(xué)實驗教學(xué)方式，提供一定的幫助和參考。
作者：陳卉 魏淑東 王彩麗 陳莎 李進(jìn) 單位：長江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院