李慧麗，廖成竹★，田顏清

（南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，廣東 深圳 518000）

0 引言

生物材料，又稱生物醫(yī)用材料，該學(xué)科的一個(gè)鮮明特點(diǎn)是材料科學(xué)、生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)、力學(xué)等的多學(xué)科交叉與融合，而實(shí)踐性強(qiáng)是生物材料的另一個(gè)鮮明特點(diǎn)。實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)的高素質(zhì)工程技術(shù)人員及卓越人才的重要手段，是理論聯(lián)系實(shí)際、激發(fā)學(xué)生探索欲望、獲得正確思維、技能訓(xùn)練和靈活運(yùn)用知識(shí)并通往科研和工作的橋梁[1]。鑒于生物材料的多學(xué)科交叉特點(diǎn)，開(kāi)設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)更為適合實(shí)驗(yàn)教學(xué)。綜合性實(shí)驗(yàn)難度大、時(shí)間長(zhǎng)、學(xué)科跨度大，部分實(shí)驗(yàn)學(xué)生難以獨(dú)立操作，學(xué)生完成綜合性實(shí)驗(yàn)也需要花費(fèi)更多的經(jīng)歷和時(shí)間。傳統(tǒng)線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式雖然能夠讓學(xué)生自己動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但在有限的學(xué)時(shí)和學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)下，難以達(dá)到最佳教學(xué)效果。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)依托于網(wǎng)絡(luò)通訊、多媒體交互操作等信息技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象并且還原實(shí)驗(yàn)過(guò)程。在虛擬環(huán)境中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，可以完成在現(xiàn)實(shí)中無(wú)法完成或者無(wú)法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以及在有限學(xué)時(shí)內(nèi)無(wú)法完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在教育教學(xué)領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用，是教育信息化的重要手段[2]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有效率高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、操作安全、高度開(kāi)放和資源共享等特點(diǎn)[3]。通過(guò)學(xué)習(xí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠?qū)?shí)際中難以完成以及時(shí)間跨度長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)完成，彌補(bǔ)教學(xué)實(shí)踐的缺點(diǎn)。同時(shí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間和空間限制的特點(diǎn)，能夠讓學(xué)生隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、課后鞏固復(fù)習(xí)的目的，結(jié)合線下教學(xué)實(shí)踐，“虛實(shí)結(jié)合”的方式能夠大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

1 生物材料教學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)有的問(wèn)題和不足

生物材料教學(xué)實(shí)驗(yàn)線下教學(xué)體系進(jìn)過(guò)幾年建設(shè)，已經(jīng)形成相對(duì)成熟的綜合實(shí)驗(yàn)體系。目前，生物材料實(shí)驗(yàn)是典型的綜合性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了材料“合成-制備-表征-性能”的全流程實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及了化學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科的知識(shí)，學(xué)科交叉融合，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖桥囵B(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科學(xué)習(xí)和實(shí)踐的綜合能力，分析解決材料“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-性能-應(yīng)用”的復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，進(jìn)而培養(yǎng)創(chuàng)新型“新工科”人才。實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)不斷的教學(xué)實(shí)踐，通過(guò)學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋，不斷調(diào)整改革，目前，仍有某些問(wèn)題需要解決，如：（1）部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目無(wú)法實(shí)現(xiàn)。如在生物材料中需要培養(yǎng)人成骨細(xì)胞進(jìn)行相關(guān)生物學(xué)表征，人成骨細(xì)胞需要經(jīng)過(guò)人成骨組織提取，培養(yǎng)至所需細(xì)胞密度之后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。在本實(shí)驗(yàn)中，人體成骨組織來(lái)源受限，成骨細(xì)胞分離技術(shù)難度較大，并且培養(yǎng)時(shí)間較長(zhǎng)，一旦出現(xiàn)污染等問(wèn)題實(shí)驗(yàn)不能重復(fù)。以上諸多原因造成該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目學(xué)生基本不能在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中完成。（2）部分實(shí)驗(yàn)時(shí)間跨度過(guò)長(zhǎng)：如實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目藥物合成實(shí)驗(yàn)，需要進(jìn)行藥物釋放表征。藥物釋放實(shí)驗(yàn)需要每隔一段時(shí)間對(duì)樣品取樣，對(duì)于釋放緩慢的藥物時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)10-15天，實(shí)驗(yàn)時(shí)間跨度過(guò)長(zhǎng)。而通過(guò)開(kāi)設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，利用虛擬仿真技術(shù)可以完成實(shí)際無(wú)法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，并且減少實(shí)驗(yàn)材料和貴重試劑的浪費(fèi)，節(jié)約教學(xué)成本。其次，可通過(guò)虛擬仿真開(kāi)設(shè)周期長(zhǎng)、難度大的實(shí)驗(yàn)。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行У貜浹a(bǔ)傳生物材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足，是達(dá)到教學(xué)預(yù)期目標(biāo)的有效手段[4]。

2 建設(shè)生物材料虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的必要性

2.1 避免高危性實(shí)驗(yàn)操作

部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如羥基磷灰石合成涉及到高溫高壓反應(yīng)釜操作實(shí)驗(yàn)，危險(xiǎn)性大。同時(shí)高分子復(fù)合材料制備過(guò)程使用了高分子加工成型設(shè)備，實(shí)驗(yàn)在高溫環(huán)境下操作，具有一定的危險(xiǎn)性。虛擬仿真項(xiàng)目能有效地解決實(shí)驗(yàn)操作具有危險(xiǎn)性的問(wèn)題。

2.2 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地限制，實(shí)驗(yàn)操作成本高

部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及細(xì)胞提取、培養(yǎng)和細(xì)胞活性評(píng)價(jià)，相關(guān)實(shí)驗(yàn)均在細(xì)胞潔凈室里進(jìn)行，大部分普通高校的材料專業(yè)方向，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地缺乏或空間有限。而且細(xì)胞相關(guān)實(shí)驗(yàn)試劑有效期短，價(jià)格昂貴，實(shí)驗(yàn)耗材為一次性滅菌使用，實(shí)驗(yàn)成本高。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)苡行Ы鉀Q因場(chǎng)地缺乏和實(shí)驗(yàn)操作成本高帶來(lái)的困境。

2.3 生物細(xì)胞實(shí)驗(yàn)的特殊性

細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)原理復(fù)雜，知識(shí)點(diǎn)深?yuàn)W難懂，材料專業(yè)學(xué)生掌握起來(lái)難度大，同時(shí)細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)操作要求高，耗時(shí)長(zhǎng)，所占學(xué)時(shí)長(zhǎng)，而且實(shí)驗(yàn)過(guò)程細(xì)胞極易染菌，實(shí)驗(yàn)失敗率高。通過(guò)反復(fù)多次的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練可以提升學(xué)生的操作技能，提高實(shí)驗(yàn)的成功率。

2.4 實(shí)驗(yàn)資源匱乏

精密貴重儀器臺(tái)套數(shù)少，如掃描電鏡SEM、X射線衍射XRD。學(xué)生需分組完成，等待時(shí)間長(zhǎng)，或需配備額外的實(shí)驗(yàn)教師同時(shí)進(jìn)行不同貴重儀器的輔導(dǎo)。虛擬仿真項(xiàng)目能有效地解決因?qū)嶒?yàn)設(shè)備數(shù)量有限而帶來(lái)的學(xué)生有效學(xué)習(xí)時(shí)間短的問(wèn)題。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)措施和內(nèi)容

3.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)依托平臺(tái)

線上教學(xué)取得成功需要依托可靠平臺(tái)，材料科學(xué)與工程系教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為我系獨(dú)立建設(shè)管理的平臺(tái)，已經(jīng)于2019上半年開(kāi)始上線運(yùn)行，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊包含實(shí)驗(yàn)微課模塊、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、學(xué)習(xí)測(cè)評(píng)模塊等。學(xué)生線上學(xué)習(xí)及交流互動(dòng)以及測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)被有效的整合記錄，該平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)鍵。

3.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)內(nèi)容

生物材料實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，全方位展示現(xiàn)有的綜合實(shí)驗(yàn)體系。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了按照 “合成-制備-表征-性能”的要求設(shè)計(jì)了全流程模塊式實(shí)驗(yàn)[5]。目前生物材料包含三個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)由3-4個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K構(gòu)成。如載銀活性炭復(fù)合材料的制備與表征實(shí)驗(yàn)包含載銀活性炭復(fù)合材料的制備、SEM觀察表征復(fù)合材料、大腸桿菌抗菌實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)復(fù)合材料功能。人工骨生物復(fù)合材料制備與表征實(shí)驗(yàn)包含nHA的水熱合成及結(jié)構(gòu)表征、人工骨生物復(fù)合材料的加工及制備、細(xì)胞提取、培養(yǎng)和生物相容性評(píng)價(jià)等實(shí)驗(yàn)?zāi)K（圖1）。

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)K結(jié)構(gòu)圖

依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，讓學(xué)生切身體會(huì)到生物醫(yī)用材料的全流程綜合實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)，結(jié)合軟件的自動(dòng)評(píng)分體系，讓學(xué)生能夠直觀得到實(shí)驗(yàn)效果，有效降低了材料專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)操作的畏難情緒，調(diào)動(dòng)了學(xué)生參與生物材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主動(dòng)性和積極性，大大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能，推進(jìn)了全流程綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的教學(xué)方法的普遍應(yīng)用。

模塊化的虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生可以自主選擇按實(shí)驗(yàn)順序完成全流程實(shí)驗(yàn)，亦可以選擇難度大、易犯錯(cuò)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景重復(fù)練習(xí)并參與考評(píng)，練習(xí)過(guò)程中設(shè)置了大量的選擇題供學(xué)生思考，學(xué)生參與自主分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有效培養(yǎng)新工科學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力和高階思維。

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐

本實(shí)驗(yàn)采用線上線下混合教學(xué)模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其中線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)共13學(xué)時(shí)，線下實(shí)操實(shí)驗(yàn)51學(xué)時(shí)，共64學(xué)時(shí)，具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程可分為課前、課中、課后三個(gè)階段，詳細(xì)過(guò)程如下：

4.1 課前

課前階段進(jìn)行線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)，學(xué)生登錄網(wǎng)站根據(jù)預(yù)習(xí)任務(wù)進(jìn)行課前虛擬實(shí)驗(yàn)，遇到問(wèn)題可以與教師及時(shí)溝通交流。課前屬于自主學(xué)習(xí)，并以此取代傳統(tǒng)的預(yù)習(xí)報(bào)告模式，有利于學(xué)生在自主學(xué)習(xí)過(guò)程中主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，減少課堂實(shí)驗(yàn)失誤的概率，有利于教師有目的、針對(duì)性教學(xué)。學(xué)生完成虛擬實(shí)驗(yàn)后可以在線生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，線上實(shí)驗(yàn)報(bào)告區(qū)別于線下實(shí)驗(yàn)報(bào)告，主要評(píng)定學(xué)生進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的成績(jī)，屬于預(yù)習(xí)成績(jī)，占比20%。

4.2 課中

課中階段進(jìn)行線下實(shí)操實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程。經(jīng)過(guò)課前虛擬實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)內(nèi)容有了初步認(rèn)識(shí)，教師無(wú)需花費(fèi)大量時(shí)間重復(fù)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟等相關(guān)內(nèi)容，將更多的時(shí)間安排在回答學(xué)生自主學(xué)習(xí)時(shí)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，有目的、有側(cè)重地進(jìn)行互動(dòng)討論式教學(xué)，實(shí)現(xiàn)“以學(xué)生為主體，教師為引導(dǎo)”的課堂模式。而對(duì)于人成骨細(xì)胞的提取及培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)“以虛代實(shí)”，可以完成現(xiàn)實(shí)中無(wú)法完成的實(shí)驗(yàn)。

4.3 課后

課后進(jìn)行線上虛擬和線下實(shí)操實(shí)驗(yàn)總結(jié)。學(xué)生在總結(jié)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，如對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程不清楚，還可以反復(fù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，鞏固實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，提升教學(xué)效果。在此基礎(chǔ)上分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成線下實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

5 課程考核及評(píng)價(jià)

5.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)加入考評(píng)測(cè)試內(nèi)容

為提高學(xué)生操作虛擬仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)的積極性，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中加入實(shí)驗(yàn)操作測(cè)試，選擇正確則進(jìn)入下一步，錯(cuò)誤則顯示正確答案，成績(jī)計(jì)入本次操作成績(jī)內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)學(xué)生進(jìn)行本次實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)測(cè)試，測(cè)試題由選擇題和判斷等客觀題組成，由題庫(kù)隨機(jī)抽取一定數(shù)量題目，答題結(jié)束后直接顯示測(cè)試成績(jī)?？偝煽?jī)由實(shí)驗(yàn)操作測(cè)試和理論知識(shí)操作共同構(gòu)成[6]。

5.2 建立更合理的實(shí)驗(yàn)考核評(píng)價(jià)體系

傳統(tǒng)的生物材料實(shí)驗(yàn)課程的考核主要由實(shí)驗(yàn)報(bào)告、平時(shí)成績(jī)和考勤等幾部分組，這種考核方式往往忽略了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成績(jī)加入考核評(píng)價(jià)體系，可以充分體現(xiàn)出學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)考核體系相結(jié)合后能更為合理的考評(píng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)。新的考核評(píng)價(jià)體系由實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作、平時(shí)實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)報(bào)告共同構(gòu)成。經(jīng)過(guò)教學(xué)實(shí)踐，這種考核體系更加調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)獲得更好的教學(xué)效果。

6 結(jié)論

生物材料虛擬仿真實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)一年建設(shè)正式上線，并且已經(jīng)一年的教學(xué)實(shí)踐。虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用，打破了空間和時(shí)間的限制，提高了實(shí)驗(yàn)的深度和完整性，增加了每個(gè)學(xué)生動(dòng)手參與的機(jī)會(huì)，保障了教學(xué)質(zhì)量和效果，積極推動(dòng)了我校的教學(xué)改革發(fā)展。但是虛擬源自于現(xiàn)實(shí)，線下實(shí)驗(yàn)也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)不可或缺的重要組成部分，只有充分的“虛實(shí)結(jié)合”才能取得更好的教學(xué)成果。目前，生物材料虛擬仿真實(shí)驗(yàn)還有一些缺點(diǎn)和不足，該實(shí)驗(yàn)也會(huì)在教學(xué)實(shí)踐中以及學(xué)生的學(xué)習(xí)檢驗(yàn)中越來(lái)越完善，為越來(lái)越多的學(xué)生和學(xué)校服務(wù)。