范 蕾

(北京理工大學(xué) 生命學(xué)院實(shí)驗(yàn)與教學(xué)中心，北京 100081)

0 引 言

信息技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家大學(xué)生物實(shí)驗(yàn)教育的方式產(chǎn)生了重大的影響。發(fā)達(dá)國(guó)家大學(xué)利用多媒體、仿真及網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)運(yùn)用在計(jì)算機(jī)硬件操作環(huán)境上，建立網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室。此類實(shí)驗(yàn)起到輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)者在模擬真實(shí)的操作環(huán)境中完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的實(shí)驗(yàn)效果等同于或優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所獲得的效果，這已成為現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教育技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。

1 概 述

大學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、科研素養(yǎng)和科研方法的基礎(chǔ)課程，是大學(xué)本科生接受系統(tǒng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開始階段。隨著網(wǎng)絡(luò)3D技術(shù)、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)達(dá)國(guó)家大學(xué)構(gòu)建開放式網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，把生物學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字化和虛擬化，為學(xué)生建立了虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和開放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)。學(xué)生在此平臺(tái)上可動(dòng)手設(shè)置、連接、調(diào)節(jié)和使用虛擬實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備。與真實(shí)實(shí)驗(yàn)類似，師生可利用虛擬器材庫中的器材自由設(shè)計(jì)、搭建合理的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)[2]。

虛擬實(shí)驗(yàn)可有效解決大學(xué)在經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地、設(shè)備、材料等方面的困難且開展網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)“時(shí)間、空間、經(jīng)費(fèi)、教師和學(xué)生人數(shù)”的限制，無論是學(xué)生還是教師，都可隨時(shí)隨地上網(wǎng)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室、操作儀器，進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，有助于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和質(zhì)量。

2 虛擬生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)

西方發(fā)達(dá)大學(xué)生物學(xué)專業(yè)的高、低年級(jí)學(xué)生所做虛擬實(shí)驗(yàn)從內(nèi)容與形式上有很大差別。

2.1 低年級(jí)虛擬教學(xué)模式

美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香賓分校生物學(xué)專業(yè)從2001年就開始使用美國(guó)麻省理工學(xué)院構(gòu)建的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室(iLabs)教育系統(tǒng)見圖1。學(xué)生接觸到先進(jìn)的生物學(xué)技術(shù)。例如，學(xué)生可利用以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的軟件模擬需要呈現(xiàn)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)研究醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的疾病診斷。具體虛擬實(shí)驗(yàn)包括疾病的診斷(例如鐮刀細(xì)胞貧血、囊腫性纖維化、亨廷頓疾、血友病)，DNA指紋圖譜實(shí)驗(yàn)、DNA限制性內(nèi)切酶酶切實(shí)驗(yàn)或?qū)W生可在很短的時(shí)間里實(shí)現(xiàn)用現(xiàn)代方法克隆生物或做轉(zhuǎn)基因作物的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過上機(jī)操作、數(shù)據(jù)輸入和分析獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果[3]。

圖1 低年級(jí)生物網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)大綱

在校注冊(cè)的低年級(jí)生物學(xué)專業(yè)的學(xué)生只有順利通過理論課程的考試然后，才能獲得進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)平臺(tái)的密碼，最后持密碼進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)做實(shí)驗(yàn)。學(xué)生做虛擬前還要完成幾個(gè)準(zhǔn)備工作，①做實(shí)驗(yàn)作業(yè)，包括實(shí)驗(yàn)材料的準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒎椒?儀器原理和分析)、任務(wù)(確保實(shí)驗(yàn)順利完成)。②學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)前還要完成在線測(cè)試(一般回答四個(gè)問題并提交答案)。 學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后需提交書面實(shí)驗(yàn)報(bào)告(包括實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)記錄和提出對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題并回答問題發(fā)生的原因和解決方法及實(shí)驗(yàn)安全的教育內(nèi)容)，其中最后實(shí)驗(yàn)的分析需列出參考文獻(xiàn)(理論參考書、學(xué)科研究進(jìn)展類的書籍、文獻(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)信息等)

2.2 高年級(jí)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M真實(shí)工廠實(shí)驗(yàn)操作間

在美國(guó)俄勒岡大學(xué)高年級(jí)生物學(xué)專業(yè)的學(xué)生要參加模擬真實(shí)工廠實(shí)驗(yàn)操作間的高級(jí)虛擬實(shí)驗(yàn)。這一系列的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞菄@模擬復(fù)雜的生物反應(yīng)過程而展開[4]。例如，大學(xué)與工廠合作，工廠提供大學(xué)每個(gè)車間的具體技術(shù)信息，大學(xué)會(huì)根據(jù)提供的真實(shí)化學(xué)車間的錄像帶，通過計(jì)算機(jī)建模。除了增加提供的重要背景信息過程，錄像也會(huì)給學(xué)生觀摩以強(qiáng)調(diào)學(xué)生做模擬實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性。大學(xué)與企業(yè)合作采用SUN工作站上使用UNIX和X Windows操作系統(tǒng)模擬真實(shí)工廠車間中生物反應(yīng)的每個(gè)過程[5]。

在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，學(xué)生以3人為一組，分別是小組長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)員和設(shè)計(jì)工程師。這個(gè)小組每個(gè)學(xué)期做3個(gè)不同的大實(shí)驗(yàn)，組員角色會(huì)互換。每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是24 h，在做實(shí)驗(yàn)前學(xué)生被要求看車間錄像用于書寫研究過程并參加有指導(dǎo)教師加入的定向會(huì)議，教師會(huì)回答所有學(xué)生的問題。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備書寫實(shí)驗(yàn)計(jì)劃書，整個(gè)計(jì)劃書是按照企業(yè)要求的方式來書寫，其內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)的費(fèi)用(人力、材料、設(shè)備的折損等)，企業(yè)的任務(wù)決定了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)完成地動(dòng)力。學(xué)生會(huì)在討論會(huì)上與指導(dǎo)教師論證計(jì)劃書。指導(dǎo)教師舉行討論會(huì)有兩個(gè)目的：①確保學(xué)生準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)完善。②提高學(xué)生在討論會(huì)上表達(dá)能力。教師也會(huì)根據(jù)學(xué)生在不同實(shí)驗(yàn)階段的的表現(xiàn)打分。虛擬實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是，前期準(zhǔn)備花費(fèi)的時(shí)間要長(zhǎng)。盡管模擬實(shí)驗(yàn)任務(wù)的花費(fèi)從幾分鐘到幾小時(shí)或幾十小時(shí)，但是實(shí)驗(yàn)者需長(zhǎng)期跟蹤真實(shí)的實(shí)驗(yàn)才能保證在計(jì)算機(jī)模擬操作的時(shí)間花費(fèi)少。學(xué)生在模擬實(shí)驗(yàn)后，要做15 min的口頭報(bào)告。其報(bào)告內(nèi)容由工廠實(shí)驗(yàn)錄像、模擬數(shù)據(jù)和論述結(jié)果三部分組成。然后，教師給小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果打分。學(xué)生還要完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)的備忘錄，其內(nèi)容要模擬真實(shí)生產(chǎn)中的書寫方式，包括實(shí)驗(yàn)中遇到的各種問題、解決方法、改進(jìn)工藝設(shè)備、采用先進(jìn)可行的措施等，這些內(nèi)容是要上交給廠家。最后，學(xué)生要在一周內(nèi)匯總書寫一個(gè)完整的報(bào)告包括實(shí)驗(yàn)結(jié)果和備忘錄。

學(xué)生做完前期的準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)，則會(huì)從SUN工作站學(xué)會(huì)快速學(xué)會(huì)如何模擬操作實(shí)驗(yàn)。由于一般模擬實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行速度大大超過傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，多數(shù)學(xué)生發(fā)現(xiàn)不需要完整的時(shí)間，在短時(shí)間內(nèi)就可完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。因?yàn)槟M實(shí)驗(yàn)中計(jì)算機(jī)程序簡(jiǎn)化了真實(shí)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作和試劑反應(yīng)的時(shí)間，因此虛擬實(shí)驗(yàn)節(jié)約了時(shí)間。

2.3 高級(jí)虛擬實(shí)驗(yàn)的四個(gè)優(yōu)點(diǎn)

西方發(fā)達(dá)國(guó)家的大學(xué)給高年級(jí)學(xué)生開設(shè)高級(jí)虛擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)很多年了，證明此類實(shí)驗(yàn)比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)更具有吸引力，具體特點(diǎn)體現(xiàn)在以下四方面[6]：

(1) 經(jīng)濟(jì)。虛擬實(shí)驗(yàn)材料可反復(fù)使用，比真實(shí)實(shí)驗(yàn)要節(jié)約成本。

(2) 安全。一個(gè)在模擬工廠作業(yè)的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生不使用危險(xiǎn)的化學(xué)試劑，實(shí)驗(yàn)也不產(chǎn)生任何有毒的化學(xué)廢物。

(3) 真實(shí)性。時(shí)間和預(yù)算成本都需要學(xué)生提前做好計(jì)劃，這種預(yù)算計(jì)劃更接近模擬真實(shí)工廠化作業(yè)。

(4) 靈活性。充分發(fā)揮高級(jí)實(shí)驗(yàn)室的功能，這些模式可被用于其他課程。

2.4 高級(jí)虛擬實(shí)驗(yàn)相比普通虛擬實(shí)驗(yàn)的三個(gè)特點(diǎn)

①為學(xué)生提供整合知識(shí)和技能的平臺(tái)。②為學(xué)生做真實(shí)實(shí)驗(yàn)打基礎(chǔ)，即要求學(xué)生完成一些應(yīng)用性的科研項(xiàng)目，為學(xué)生提供參與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生把所學(xué)知識(shí)和技能用于解決實(shí)際問題。③鍛煉學(xué)生的科研能力，為學(xué)生進(jìn)入深層次研究領(lǐng)域的學(xué)習(xí)或職業(yè)領(lǐng)域的工作做準(zhǔn)備。

高級(jí)虛擬實(shí)驗(yàn)課注重培學(xué)生的技術(shù)技能(例如：工程經(jīng)濟(jì)、設(shè)計(jì)研究方案、生產(chǎn)程序、技術(shù)分析等)和非技術(shù)技能(例如：團(tuán)隊(duì)建設(shè)、溝通能力、領(lǐng)導(dǎo)能力等)。這種高級(jí)虛擬實(shí)驗(yàn)課程是美國(guó)大學(xué)開設(shè)的一種讓學(xué)生整合、拓展、批判和應(yīng)用多學(xué)科知識(shí)的綜合實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可獲得知識(shí)和技能的培訓(xùn)。高級(jí)虛擬實(shí)驗(yàn)課程具有提升各類學(xué)科知識(shí)教育的連貫性和相關(guān)性、開發(fā)學(xué)生綜合素質(zhì)的潛能、幫助學(xué)生從學(xué)校向職場(chǎng)過渡的功能、強(qiáng)化學(xué)生對(duì)研究生教育的準(zhǔn)備，因而在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家高等教育中得到較廣泛的應(yīng)用。

3 對(duì)我國(guó)大學(xué)生物學(xué)創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的啟示

從上面幾方面可以看出西方發(fā)達(dá)國(guó)家大學(xué)開展生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)有很多方面值得我國(guó)大學(xué)學(xué)習(xí)。

3.1 發(fā)展我國(guó)大學(xué)虛擬生物實(shí)驗(yàn)

西方發(fā)達(dá)國(guó)家很多大學(xué)生物學(xué)專業(yè)開設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但我國(guó)很多大學(xué)還沒有開設(shè)此類實(shí)驗(yàn)課程。生物學(xué)中某些實(shí)驗(yàn)周期冗長(zhǎng)而復(fù)雜，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)不能提供給學(xué)生足夠的時(shí)間、空間和經(jīng)費(fèi)去做大量的練習(xí)，因此學(xué)生無法快速有效地掌握實(shí)驗(yàn)技能。相反，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)非常適應(yīng)現(xiàn)代化教學(xué)，虛擬實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供重復(fù)練習(xí)和自主操作的機(jī)會(huì)[7]。

虛擬生物學(xué)實(shí)驗(yàn)具有激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)習(xí)效率、節(jié)約實(shí)驗(yàn)材料、防止有毒試劑對(duì)學(xué)生傷害和減少對(duì)環(huán)境的污染等優(yōu)點(diǎn)。虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)馨呀滩闹徐o態(tài)、晦澀難懂的、微觀的圖片和語言轉(zhuǎn)化成色彩鮮明、動(dòng)態(tài)的、宏觀現(xiàn)象，讓學(xué)生更能理解復(fù)雜、抽象的概念并記憶深刻。這種鮮活的教學(xué)方式讓學(xué)生無法抹去記憶，在今后的考試中發(fā)揮出色。學(xué)生感到這種符合學(xué)習(xí)規(guī)律的教學(xué)方式，提高了學(xué)習(xí)效率[8]。

虛擬實(shí)驗(yàn)材料具有重復(fù)使用的特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)對(duì)虛擬設(shè)備不產(chǎn)生任何耗損，因此節(jié)約實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。真實(shí)生物實(shí)驗(yàn)中會(huì)用到有毒、有害的實(shí)驗(yàn)試劑，而此往往會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)操作者和環(huán)境造成一定的負(fù)面影響。虛擬實(shí)驗(yàn)是綠色環(huán)保的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中不會(huì)產(chǎn)生任何有害影響[10]，所以我國(guó)大學(xué)有必要為學(xué)生提供一定的虛擬實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生有機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，以提高其掌握理論知識(shí)的能力[9]。

3.2 開發(fā)高級(jí)生物虛擬實(shí)驗(yàn)

我國(guó)大學(xué)應(yīng)開發(fā)生物類虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M企業(yè)的大型工業(yè)化生產(chǎn)，具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)步驟可到相關(guān)企業(yè)中采樣獲得，以提高學(xué)生的實(shí)踐能力。因?yàn)榇髮W(xué)高年級(jí)學(xué)生做此類虛擬實(shí)驗(yàn)的最終目的還是要為其畢業(yè)后，在工作中能具備解決現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中實(shí)際問題的能力。因此，大學(xué)在高年級(jí)設(shè)置的虛擬實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容應(yīng)與相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)有關(guān)。校企合作，制作虛擬軟件，使虛擬實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的、現(xiàn)代化、工業(yè)化的綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。這種大型虛擬實(shí)驗(yàn)會(huì)激發(fā)學(xué)生探索未知領(lǐng)域的興趣、培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的創(chuàng)新能力[11]。這種高級(jí)虛擬實(shí)驗(yàn)課程可作為我國(guó)大學(xué)發(fā)展學(xué)生綜合素質(zhì)，增強(qiáng)學(xué)生的職場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和適應(yīng)性的一種有效方法。建議我國(guó)大學(xué)應(yīng)給工程與技術(shù)類理工科學(xué)生在大學(xué)四年級(jí)開設(shè)此類實(shí)驗(yàn)課程。讓學(xué)生在實(shí)習(xí)前已經(jīng)熟悉此類實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生將來就業(yè)提供便利條件 ，這也符合大學(xué)為企業(yè)輸送高級(jí)應(yīng)用型人才的要求。

3.3 重視虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)原則

雖然虛擬實(shí)驗(yàn)有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，但也有其弊端。學(xué)生在做虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，沒有理解實(shí)際操作各種儀器設(shè)備，無法直接獲得感官經(jīng)驗(yàn)。

在真實(shí)實(shí)驗(yàn)里學(xué)生做定性實(shí)驗(yàn)時(shí)，雖然每個(gè)人可以得到相同或相似的結(jié)果，但是在定量實(shí)驗(yàn)時(shí)，每個(gè)學(xué)生會(huì)得到不同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。而在學(xué)生做虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，在相同條件下大家會(huì)得到同樣的結(jié)果。這就是真實(shí)實(shí)驗(yàn)會(huì)給學(xué)生帶來更大的挑戰(zhàn)性。同時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)也減少了學(xué)生應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的處置機(jī)會(huì)[12]。

虛擬實(shí)驗(yàn)是模擬經(jīng)典的真實(shí)實(shí)驗(yàn)且實(shí)驗(yàn)者會(huì)根據(jù)軟件開發(fā)者的思路采用統(tǒng)一、機(jī)械的模式操作，所以虛擬實(shí)驗(yàn)的過度使用，只會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)者的思路單一，而無法激發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維和淡化學(xué)生對(duì)基本技能訓(xùn)練的重視程度[13]。

虛擬實(shí)驗(yàn)不可完全替代真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作[14]，而實(shí)驗(yàn)的本源是要求鍛煉學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，所以在大學(xué)里開展虛擬實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，也應(yīng)避免虛擬實(shí)驗(yàn)過度化而忽視了實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作。大學(xué)在現(xiàn)實(shí)環(huán)境條件允許的情況下，還是應(yīng)以虛擬實(shí)驗(yàn)為輔，實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)為主，引導(dǎo)學(xué)生做現(xiàn)實(shí)的、鍛煉動(dòng)手能力的實(shí)驗(yàn)。所以綜上分析，虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)雖然兩者都各有利弊，但虛擬實(shí)驗(yàn)只能在一定程度上替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)[15]。

3.4 虛擬生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課結(jié)合網(wǎng)絡(luò)教學(xué)

虛擬生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課可結(jié)合網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，為更多的學(xué)生提供選修實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，也可作為遠(yuǎn)程教育[16]的一部分，為希望致力于此專業(yè)學(xué)習(xí)的學(xué)生開設(shè)課程。一般專業(yè)實(shí)驗(yàn)的規(guī)模再大，也無法為上百人同時(shí)提供做實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)地，但是網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)具有方便、快捷、規(guī)?；?、可重復(fù)性的特點(diǎn)，能同時(shí)為更多人提供做實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)。因此，有條件的大學(xué)可開設(shè)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié) 語

發(fā)達(dá)國(guó)家大學(xué)根據(jù)開設(shè)生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)課的難易程度分為低年級(jí)和高年級(jí)兩種水平，大學(xué)為高年級(jí)學(xué)生開設(shè)虛擬生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的目的是為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。我國(guó)大學(xué)應(yīng)借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家大學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教育的經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，為建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家而努力奮斗！

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