生物學(xué)科是一門實(shí)驗(yàn)性較強(qiáng)的學(xué)科，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生知識(shí)體系建立、能力發(fā)展的重要性不言而喻。但是有些生物實(shí)驗(yàn)時(shí)空跨度大、有些涉及有危害的材料和試劑，因此難以在目前本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)施。此外，還有一些實(shí)驗(yàn)需要使用昂貴、精密儀器，其臺(tái)件數(shù)往往不能滿足本科生實(shí)際操作需要。因而現(xiàn)有的生物學(xué)真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系并不完整，影響了學(xué)生全面掌握生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技能、制約了學(xué)生綜合創(chuàng)新能力的發(fā)展。

隨著現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展，采用虛擬仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)等生成逼真的實(shí)驗(yàn)場景，可以在虛擬情境中完成真實(shí)情況下難以甚至不能實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開發(fā)順應(yīng)而生，虛實(shí)結(jié)合的新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系為培養(yǎng)現(xiàn)代生物學(xué)創(chuàng)新人才提供保障。

一虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)的緊迫性

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》指出，“信息技術(shù)對(duì)教育發(fā)展具有革命性影響，必須予以高度重視”?！督逃畔⒒臧l(fā)展規(guī)劃（2011—2020）》要求推動(dòng)信息技術(shù)與高等教育深度融合，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。發(fā)展規(guī)劃還明確了建設(shè)各級(jí)各類優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源的工作目標(biāo)，提出要遴選和開發(fā)1500套虛擬仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

教育部在建設(shè)國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出建設(shè)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，這一舉措具有重大意義。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心重點(diǎn)開展資源、平臺(tái)、隊(duì)伍和制度等方面的建設(shè)，形成持續(xù)服務(wù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，保證優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開放共享的有機(jī)整體。特別對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)提出了具體要求：即以培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力為出發(fā)點(diǎn)，創(chuàng)造性地建設(shè)與應(yīng)用軟件共享虛擬實(shí)驗(yàn)、儀器共享虛擬實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程控制虛擬實(shí)驗(yàn)等優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，推動(dòng)信息化條件下自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革。

二生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開發(fā)的必要性

生物學(xué)是21世紀(jì)自然科學(xué)的重點(diǎn)學(xué)科之一，對(duì)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重大影響。生物學(xué)也是一門實(shí)驗(yàn)性學(xué)科，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提升學(xué)生的觀察能力、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，激發(fā)學(xué)生對(duì)生命科學(xué)研究的興趣和靈感，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

然而，由于生命科學(xué)前沿理論和技術(shù)發(fā)展迅速、生物學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)性強(qiáng)、時(shí)空跨度較大、操作較為繁復(fù)、某些實(shí)驗(yàn)材料存在一定危險(xiǎn)性以及某些實(shí)驗(yàn)需要昂貴儀器等，造成目前本科生真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的局限性，具體表現(xiàn)在：

因生物材料的生命特質(zhì)原因，有些生物學(xué)實(shí)驗(yàn)往往周期較長，如動(dòng)植物的發(fā)育實(shí)驗(yàn)、生態(tài)學(xué)的種群互做實(shí)驗(yàn)、生物進(jìn)化實(shí)驗(yàn)等。在有限的實(shí)驗(yàn)課時(shí)內(nèi)，現(xiàn)有的真實(shí)實(shí)驗(yàn)往往是片段的、不連續(xù)的，大尺度時(shí)空跨越的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本沒有，造成學(xué)生知識(shí)體系和實(shí)驗(yàn)技能的不完整。

目前的生命科學(xué)研究已經(jīng)深入到在分子水平揭示生命現(xiàn)象的本質(zhì)，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)過程往往是微觀的、抽象的，在本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開展相關(guān)真實(shí)實(shí)驗(yàn)一方面成本高、消耗大，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段無法幫助學(xué)生直觀了解微觀抽象的實(shí)驗(yàn)過程，從而影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

現(xiàn)代的、先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)推動(dòng)了生命科學(xué)發(fā)展，然而有助于學(xué)生理解前沿理論的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難度大、復(fù)雜程度高、往往需要使用昂貴的大型科學(xué)儀器設(shè)備，在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中難以廣泛實(shí)施，使得學(xué)生不能及時(shí)了解、跟進(jìn)先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論知識(shí)。

生物實(shí)驗(yàn)可能涉及傷害的、危險(xiǎn)的、污染性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，因?yàn)楝F(xiàn)有本科生真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件有限而不能實(shí)施。例如致病菌、病毒、血液樣品、同位素等等，涉及這些實(shí)驗(yàn)材料和試劑的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在目前的本科生真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常常都是回避的，導(dǎo)致學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)不完整、不系統(tǒng)。

生物技術(shù)工藝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)化程度高、周期長、成本大，在以往有限課時(shí)的本科生真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，僅能安排個(gè)別常規(guī)技術(shù)，難以完成完整的工藝流程。學(xué)生在工廠車間的實(shí)習(xí)也往往無法接觸企業(yè)的核心技術(shù)和工藝，只能粗略的瀏覽生產(chǎn)過程，沒有落實(shí)學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)，造成學(xué)生理論和實(shí)踐的脫節(jié)。

總之，現(xiàn)有的真實(shí)生物實(shí)驗(yàn)的局限性在一定程度上限制了學(xué)生現(xiàn)代生命科學(xué)的視野、影響了學(xué)生對(duì)先進(jìn)理論本質(zhì)的認(rèn)識(shí)以及系統(tǒng)知識(shí)體系的形成、制約了完整生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技能和綜合能力的培養(yǎng)、不能更好的促進(jìn)學(xué)生科研創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

隨著生物科學(xué)的迅猛發(fā)展和人才培養(yǎng)要求的不斷提高，生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容愈來愈豐富，要在有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)內(nèi)擴(kuò)大教學(xué)量、提高教學(xué)質(zhì)量和效率，必須對(duì)傳統(tǒng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行改革。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為真實(shí)實(shí)驗(yàn)的重要補(bǔ)充和擴(kuò)展，既有仿真性、經(jīng)濟(jì)性、安全性的優(yōu)點(diǎn)，又能保證生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)性、綜合化，與傳統(tǒng)真實(shí)實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，可以使學(xué)生開拓視野，獲得更為全面的技能訓(xùn)練，掌握完整的生命科學(xué)知識(shí)體系，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生觀察能力、獨(dú)立思考能力、創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力具有重要意義。

三虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系在綜合創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的重要性

根據(jù)我校生物科學(xué)、生物技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合我校生物學(xué)學(xué)科特色，我校開發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源可以概況為4個(gè)模塊：秦嶺生物學(xué)野外實(shí)踐能力培養(yǎng)模塊、現(xiàn)代生物學(xué)綜合創(chuàng)新能力培養(yǎng)模塊、生物學(xué)教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力提升模塊以及生物技術(shù)工藝仿真實(shí)訓(xùn)模塊。虛擬仿真資源與現(xiàn)有的實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目相互融合和互補(bǔ)，搭建了較為完備的“分層次、多模塊、系統(tǒng)化”的本科生生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，使學(xué)生視野得到開拓，對(duì)生命現(xiàn)象過程認(rèn)識(shí)更全面，對(duì)知識(shí)體系的掌握更系統(tǒng)，同時(shí)課題式的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能點(diǎn)燃思維、激發(fā)興趣，加強(qiáng)了本科生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

陜西師范大學(xué)理科（生物學(xué)）基礎(chǔ)科學(xué)研究與野外實(shí)習(xí)基地被批準(zhǔn)為國家級(jí)實(shí)踐教學(xué)基地，每年對(duì)全國甚至海外高校開放。然而因環(huán)境承載能力、后勤保障能力等因素限制，進(jìn)入基地進(jìn)行實(shí)習(xí)的學(xué)生有限。我們充分利用秦嶺資源，依托國家級(jí)野外實(shí)踐教學(xué)基地，對(duì)生物學(xué)宏觀性、時(shí)空大尺度實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真，為學(xué)生提供了新的實(shí)驗(yàn)資源和學(xué)習(xí)模式，學(xué)生可以在這個(gè)虛擬環(huán)境中開展現(xiàn)實(shí)中無法實(shí)現(xiàn)的大型野外生物實(shí)驗(yàn)、生態(tài)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等。同時(shí)這些教學(xué)資源還可以共享給更多的來自全國各地的學(xué)生。

生命科學(xué)研究早已深入到分子水平。我們將細(xì)胞、分子水平的微觀生命反應(yīng)可視化，將抽象的前沿理論和技術(shù)形象化，為學(xué)生提供了形象逼真的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，提供了以計(jì)算機(jī)為載體、信息技術(shù)為手段的新型學(xué)習(xí)方式。我們開發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)、教育技術(shù)，將學(xué)科前沿、研究熱點(diǎn)及學(xué)院教師的科研成果引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，將真實(shí)的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中極為迅速、經(jīng)典技術(shù)難以跟蹤、肉眼甚至現(xiàn)代科學(xué)儀器無法觀察到的分子變化以及相互作用，借助計(jì)算機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)其可視化，形象地描述以往無法給學(xué)生展現(xiàn)的微觀生命世界，使學(xué)生能更直觀的深刻理解產(chǎn)生生物實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的本質(zhì)與詳細(xì)過程。

生物技術(shù)、生物工程是生物學(xué)在人類社會(huì)的實(shí)際應(yīng)用，有突出的價(jià)值和發(fā)展空間。以往學(xué)生進(jìn)行生物技術(shù)、生物工程實(shí)訓(xùn)需要進(jìn)入藥廠、食品廠、酒廠等等的車間、工廠。因企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)保密等，學(xué)生只能參與部分生產(chǎn)過程。運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)將真實(shí)的生產(chǎn)過程引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，借助計(jì)算機(jī)模擬實(shí)際生產(chǎn)中昂貴的各種器械、成本高的運(yùn)行過程，學(xué)生通過模擬操作和控制，直觀的體驗(yàn)生物技術(shù)、生物工程的實(shí)際應(yīng)用。我們?yōu)閷W(xué)生提供的生物技術(shù)、生物工程實(shí)訓(xùn)新平臺(tái)，可以對(duì)學(xué)生系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)工藝的訓(xùn)練，解決生物技術(shù)應(yīng)用人才實(shí)踐技能與生產(chǎn)實(shí)際脫節(jié)的瓶頸問題。

師范生的培養(yǎng)是我校的特色，生物學(xué)專業(yè)師范生因生物學(xué)這一個(gè)實(shí)驗(yàn)性學(xué)科的特殊要求，必須在掌握生物理論教學(xué)能力的同時(shí)鍛煉實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力。而目前的現(xiàn)狀是我國54.4%的中學(xué)沒有專職生物實(shí)驗(yàn)員，實(shí)驗(yàn)前材料和儀器準(zhǔn)備不充分；因生物實(shí)驗(yàn)室和儀器設(shè)備短缺，能開出10個(gè)以上實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的中學(xué)很少；還有11.8%的學(xué)校一直沒有開設(shè)生物實(shí)驗(yàn)課程。師范生在進(jìn)行教育實(shí)習(xí)的時(shí)候基本不會(huì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課程設(shè)計(jì)、課堂教學(xué)等實(shí)習(xí)內(nèi)容。中學(xué)生物教學(xué)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真，給生物學(xué)專業(yè)師范生搭建了中學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的真實(shí)情境，可以進(jìn)行中學(xué)生物實(shí)驗(yàn)課的模擬教學(xué)訓(xùn)練，鍛煉了師范生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)技能。特別是基于這樣的虛擬平臺(tái)，多名學(xué)生可以同時(shí)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、面向任何受眾進(jìn)行教學(xué)模擬，并可以反復(fù)演練，充分反映了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高效性、便捷性和經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，該平臺(tái)可以共享給在職中學(xué)教師進(jìn)行繼續(xù)教育培訓(xùn)；也可以共享給很多沒有實(shí)驗(yàn)條件的中學(xué)，供中學(xué)生遠(yuǎn)程登錄完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等，重復(fù)發(fā)揮“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心”的開放共享特色。

四虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系的優(yōu)點(diǎn)

我校生物學(xué)虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：第一，緊緊結(jié)合我校生物科學(xué)、生物技術(shù)專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)和生物學(xué)各類實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，可以選擇特定的實(shí)驗(yàn)?zāi)K作為必修、或者選修的內(nèi)容，發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可視化、虛擬操作的功能，突破傳統(tǒng)實(shí)物生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的固有局限性。第二，以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的親歷性鞏固學(xué)生的事實(shí)經(jīng)驗(yàn)，以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提升學(xué)生獲取科學(xué)事實(shí)的能力、拓展科學(xué)思維、鍛煉實(shí)踐能力，有效解決了現(xiàn)有生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源局限性問題，為培養(yǎng)學(xué)生全面、系統(tǒng)的知識(shí)體系和合理、前瞻的技能體系開辟了新途徑。第三，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)所具有的普適性，使其輻射面廣、受眾廣泛。除我校生物學(xué)相關(guān)專業(yè)在校本科生、研究生以外，我校承擔(dān)的國家教師教育、西部教師培訓(xùn)計(jì)劃等均可受益。同時(shí)，對(duì)在中學(xué)任教的生物學(xué)教師開放，提高其業(yè)務(wù)素質(zhì)，服務(wù)我國基礎(chǔ)生物學(xué)教育。

生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心是我校生物基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的重要組成部分，以虛擬仿真的技術(shù)手段完成不可及、不可逆等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以新型知識(shí)載體的形式和真實(shí)實(shí)驗(yàn)相互補(bǔ)充，從而實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)協(xié)同育人、課內(nèi)課外一體化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系，探索了虛實(shí)結(jié)合的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，為培養(yǎng)現(xiàn)代生物學(xué)綜合創(chuàng)新人才奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要工作小組辦公室.國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）[Z].2010.

[2]中華人民共和國教育部.教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）[Z].2012.

[3]李平，毛昌杰，徐進(jìn).開展國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)，提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化水平[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，32（11）：5-8.