李亞琳 李 丹

虛擬仿真技術(shù)在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

李亞琳 李 丹

（渭南師范學(xué)院環(huán)境與生命科學(xué)學(xué)院，陜西 渭南 714099）

文章分析了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)融入生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性。秉承以學(xué)生為主體的教育教學(xué)理念，基于虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建實(shí)踐教學(xué)體系，能解決生物專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi)短缺和安全因素導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)限制之間的矛盾。實(shí)踐實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改革，教學(xué)成果和虛擬仿真技術(shù)的開發(fā)及推廣應(yīng)用，有利于降低實(shí)驗(yàn)成本、節(jié)約自然資源，并能提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。這種新型的現(xiàn)代化信息教育改革模式為高校生物專業(yè)發(fā)展提供有利可行的實(shí)踐探索經(jīng)驗(yàn)。

虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)改革；生物實(shí)驗(yàn)

引言

生物作為一門實(shí)踐性及應(yīng)用性較強(qiáng)的學(xué)科，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅能加深學(xué)生對理論知識的理解，也能全面地培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力、知識應(yīng)用的能力、以及分析問題和解決問題的能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新性和科研思維。然而生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍存在許多問題，如儀器數(shù)量達(dá)不到規(guī)定實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求、實(shí)驗(yàn)周期長、實(shí)驗(yàn)學(xué)時不足、儀器運(yùn)行、維護(hù)成本髙、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)不足和實(shí)驗(yàn)教師缺乏專業(yè)素養(yǎng)等。

為了解決生物實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中的問題，高校應(yīng)該結(jié)合現(xiàn)代信息科技，通過引入虛擬仿真技術(shù)，結(jié)合學(xué)校教育發(fā)展前景，構(gòu)建符合自身的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)知識。隨著計(jì)算機(jī)科技的發(fā)展，仿真技術(shù)已經(jīng)自成體系，成為數(shù)學(xué)推理與科學(xué)實(shí)驗(yàn)之后，人類理解客觀自然規(guī)律的第三種基本方法[1]。由此可見，挖掘虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的具體應(yīng)用，加強(qiáng)生物實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用軟件的開發(fā)，促進(jìn)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真技術(shù)的深度融合，是未來生物實(shí)驗(yàn)發(fā)展的方向。因此本文分析了虛擬仿真技術(shù)在各類生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用及其發(fā)展前景，從理論上為其在教學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用提供了思路，促進(jìn)形成虛擬與真實(shí)互補(bǔ)的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，為培養(yǎng)出新形勢下的創(chuàng)新型人才提供思路。

1 虛擬仿真技術(shù)在生物各類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬仿真是20世紀(jì)40年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)而發(fā)展起來的技術(shù)，主要是利用計(jì)算機(jī)的處理對事物進(jìn)行模擬，通過構(gòu)建在操作軟件上的程序或指令模擬現(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗(yàn)操作，達(dá)到與現(xiàn)實(shí)操作同樣的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。這種技術(shù)在模擬的實(shí)際場景中實(shí)施，功能強(qiáng)大，內(nèi)容豐富，操作性強(qiáng)，資金投入少，在很多行業(yè)都受歡迎。虛擬仿真技術(shù)在生物學(xué)各類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中也得到了廣泛的應(yīng)用。

1.1 生物形態(tài)認(rèn)知類實(shí)驗(yàn)教學(xué)

生長季節(jié)和發(fā)育期對植物試驗(yàn)材料的影響很大。在花蕊發(fā)育的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生僅能利用永久裝片來觀察典型發(fā)育時期的花蕊，而觀察不到完整的發(fā)育過程。這嚴(yán)重影響了學(xué)生掌握植物生殖器官的這一重要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。如果結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，就可以將優(yōu)質(zhì)玻片標(biāo)本轉(zhuǎn)化為數(shù)字切片標(biāo)本，無需顯微鏡即可進(jìn)行植物顯微結(jié)構(gòu)的觀察實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在屏幕上觀看瀏覽數(shù)字切片，隨意切換方向、大小，有利于學(xué)生仔細(xì)觀察生物組織的各部分形態(tài)，還能進(jìn)行文字標(biāo)注、測量等，使學(xué)生更容易觀察植物的顯微結(jié)構(gòu)[2]。此外，學(xué)生間還可以共享高質(zhì)量的玻片標(biāo)本，大大提高了植物學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。在動物形態(tài)方面，如果用虛擬模擬技術(shù)構(gòu)筑如“兔子形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能”的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，則可以更好地理解在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中觀察不到的結(jié)構(gòu)，甚至結(jié)構(gòu)和功能的協(xié)調(diào)變化過程等[3]。

將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用于形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，有真實(shí)感，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)和動植物形態(tài)學(xué)，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中有真實(shí)感受；第二，有交互性，學(xué)生可以自行選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所需的消耗材料和試劑，進(jìn)行獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。有助于學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)原則；第三，有逼真性，虛擬環(huán)境與模擬現(xiàn)實(shí)非常相似，學(xué)生可以通過模擬實(shí)驗(yàn)恢復(fù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在實(shí)際操作之前感知實(shí)驗(yàn)場景，充分理解實(shí)驗(yàn)的預(yù)期結(jié)果。

1.2 生物學(xué)野外實(shí)習(xí)教學(xué)

野外實(shí)習(xí)是理論和實(shí)踐相結(jié)合的重要環(huán)節(jié)，是提高生物學(xué)專業(yè)學(xué)生實(shí)踐能力的重要內(nèi)容。如植物分類學(xué)實(shí)驗(yàn)具有直觀性、開放性和綜合性等特點(diǎn)，氣候和植物生長環(huán)境對其造成了較大影響，植物學(xué)野外實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)也是限制因素之一。如果這類實(shí)驗(yàn)?zāi)芙Y(jié)合虛擬仿真技術(shù)，就可以節(jié)約時間和運(yùn)行成本，并緩解各種教學(xué)資源的短缺，同時消除實(shí)驗(yàn)過程中的安全隱患，改善教師對學(xué)生監(jiān)督、評價的模式，使學(xué)生掌握先進(jìn)的生物學(xué)技術(shù)，提高學(xué)生的創(chuàng)新精神。例如，東北師范大學(xué)建立了數(shù)字化標(biāo)本館和鳥類鳴叫庫等虛擬仿真資源。華中師范大學(xué)對神農(nóng)架不同季節(jié)的野生環(huán)境和動植物進(jìn)行了虛擬模擬，用于研究神農(nóng)架的野生動物。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)建立了天目山、黃山等生態(tài)區(qū)的生物學(xué)野外實(shí)習(xí)的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)和天目山虛擬生物標(biāo)本庫[4]。采用虛擬仿真技術(shù)模擬生態(tài)領(lǐng)域，不受時間和空間的限制，減少了采樣，緩解了自然資源保護(hù)和實(shí)踐采集的矛盾，提高實(shí)習(xí)效率和質(zhì)量，促進(jìn)生物野外實(shí)習(xí)教學(xué)模式的改革與創(chuàng)新。

1.3 生物組織解剖實(shí)驗(yàn)教學(xué)

解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要目的是使學(xué)生掌握動物器官（心臟、胃等）和系統(tǒng)（消化系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)等）的特征和分布。傳統(tǒng)解剖學(xué)教學(xué)強(qiáng)調(diào)教師在課堂上的理論闡釋，教師利用照片、標(biāo)本、模型等向?qū)W生展示盡可能多的動物器官和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并建立尸體解剖的實(shí)用操作環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生腦海中建立復(fù)雜的人體結(jié)構(gòu)和動物結(jié)構(gòu)。但因?yàn)榻馄适w標(biāo)本數(shù)量的限制，降低了人體解剖學(xué)教學(xué)的效果[5]。冷凍切片技術(shù)和虛擬仿真的三維圖像處理技術(shù)的出現(xiàn)，為解剖學(xué)教學(xué)提供了轉(zhuǎn)折點(diǎn)。虛擬解剖學(xué)教學(xué)也就是利用虛擬仿真軟件處理人體切片信息，形成具有立體效果的生理結(jié)構(gòu)數(shù)字模型，可以直觀地向?qū)W生展示人體器官的空間結(jié)構(gòu)。學(xué)生可重復(fù)對數(shù)字人體進(jìn)行解剖操作，既節(jié)約大量的尸體資源，又容易操作。使用高度模擬的儀器和樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時，學(xué)生還可以通過人機(jī)對話，從不同的角度和方向仔細(xì)觀察虛擬人體的系統(tǒng)、器官和組織結(jié)構(gòu)，甚至還可以對其組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆裝，深層次地對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察、重組，該實(shí)驗(yàn)方法的效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的觀察教學(xué)模式。

1.4 食品生產(chǎn)應(yīng)用類實(shí)驗(yàn)教學(xué)

利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)食品，是生物專業(yè)學(xué)生本科階段需要掌握的實(shí)驗(yàn)，但實(shí)際上微生物在食品生產(chǎn)中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)很難進(jìn)行（如利用酵母菌發(fā)酵生產(chǎn)酒類；微生物在傳統(tǒng)食品，如豆瓣醬、腐乳、醋、發(fā)酵火腿等生產(chǎn)中的應(yīng)用；工業(yè)生產(chǎn)上微生物的在線控制；食品致病菌的檢測）[6]。現(xiàn)在大部分微生物實(shí)驗(yàn)課程都是基于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)開設(shè)的，例如培養(yǎng)基的配置、革蘭氏染色、細(xì)菌總數(shù)測定和大腸桿菌的檢測等基礎(chǔ)操作性實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)定明顯不足，沒能強(qiáng)調(diào)實(shí)踐能力的培養(yǎng)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的設(shè)計(jì)突破了時間、空間和距離的限制，為學(xué)生提供了模擬、設(shè)計(jì)、分析實(shí)驗(yàn)的平臺，既還原了實(shí)際的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓學(xué)生有直觀的浸入感，并能自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，也可以幫助教師設(shè)計(jì)更全面的多級實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于生物學(xué)上的危害，很多實(shí)驗(yàn)不能進(jìn)行。采用虛擬模擬技術(shù)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，如檢測引起食物中毒或人畜共患病的病原微生物等，具有低污染、高安全、無“三廢”的優(yōu)點(diǎn)[7]。

1.5 分子生物類實(shí)驗(yàn)教學(xué)

分子生物類的實(shí)驗(yàn)涉及的原理比較抽象，實(shí)驗(yàn)材料和試劑使用劑量非常少。如DNA用納克計(jì)算，聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（Polymerase Chain Reaction，PCR）實(shí)驗(yàn)試劑用微升計(jì)算，還有一些實(shí)驗(yàn)反應(yīng)肉眼看不見。例如“PCR擴(kuò)增實(shí)驗(yàn)中DNA是如何變性，復(fù)性和延伸”“在構(gòu)建DNA重組子的實(shí)驗(yàn)中，DNA片段是如何與載體DNA結(jié)合的”，這些肉眼都看不見，只有在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后才能確認(rèn)實(shí)驗(yàn)的成功與否。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，結(jié)合傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作，可以從視覺上展示實(shí)驗(yàn)反應(yīng)過程和實(shí)驗(yàn)原理，對于實(shí)驗(yàn)是否成功也不用在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后再借助電泳檢測等手段來判斷，而是直接在過程中就能發(fā)現(xiàn)問題所在，既豐富了教學(xué)手段，又能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生主動學(xué)習(xí)，讓學(xué)生更深入地理解實(shí)驗(yàn)和原理，最終掌握和應(yīng)用分子生物學(xué)的知識。

有些分子生物類的實(shí)驗(yàn)要使用有毒有害的化學(xué)試劑，如果操作不當(dāng)?shù)脑挘瑒t容易發(fā)生安全事故。例如，瓊脂糖凝膠電泳時用到致癌物質(zhì)溴化乙錠，蛋白質(zhì)的提取用到有毒易爆的丙酮。杭州師范大學(xué)將虛擬模擬技術(shù)應(yīng)用于分子生物類實(shí)驗(yàn)，降低了公安部所管制的危險化學(xué)品的使用率，如丙酮和溴化乙錠等[8]。這種不需要接觸危險化學(xué)品的虛擬模擬實(shí)驗(yàn)課，學(xué)生可以通過模擬操作和觀察，更好地了解危險化學(xué)試劑的操作和使用。因此，虛擬模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)減少了實(shí)驗(yàn)的危害，有利于提高學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的理解能力。

1.6 使用大型儀器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

一些生物實(shí)驗(yàn)會涉及到昂貴的化學(xué)試劑和大型儀器。例如，反轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（Reverse Transcription-Polymerase Chain Reaction，RT-PCR）實(shí)驗(yàn)要用到價格不菲的反轉(zhuǎn)錄試劑盒，熒光定量PCR實(shí)驗(yàn)要采用價格昂貴的熒光定量PCR儀[9]。使用虛擬仿真技術(shù)便無需購買高價化學(xué)試劑或大型儀器就可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在虛擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生不僅接觸到了更先進(jìn)的分子生物學(xué)技術(shù)，還豐富了教育資源，大大減少了實(shí)驗(yàn)投入。通過虛擬仿真生物實(shí)驗(yàn)設(shè)備展示的使用方法和注意事項(xiàng)，學(xué)生可以直觀地看到機(jī)器的操作方法。老師不僅可以評價學(xué)生對實(shí)驗(yàn)步驟的完成度，還可以評價學(xué)生對實(shí)驗(yàn)器具操作的熟練度，達(dá)到改革實(shí)驗(yàn)評價方法的目的。

2 虛擬仿真技術(shù)在生物實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)中的發(fā)展前景

近年來，生命科學(xué)發(fā)展迅猛，傳統(tǒng)的教學(xué)方式已經(jīng)無法滿足當(dāng)前教育和教學(xué)發(fā)展的需要。為了拓展學(xué)生的空間思維想象，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，讓學(xué)生快速掌握最前沿的生物科學(xué)技術(shù)，不少高校已經(jīng)開始建設(shè)生物虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。虛擬仿真技術(shù)模擬的實(shí)時交互模塊要比文本、效果圖像或模型更直觀、生動、有趣，能夠創(chuàng)造特殊的自主學(xué)習(xí)環(huán)境，也能把傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)模式轉(zhuǎn)換成新的學(xué)習(xí)方式[10]，通過這種學(xué)習(xí)方式，學(xué)習(xí)者可以利用與技術(shù)信息的對話來獲得知識和技能。

2.1 突破空間限制隨時進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室不受空間限制，只需要有移動終端，學(xué)生就能隨時隨地進(jìn)入實(shí)驗(yàn)平臺開始實(shí)驗(yàn)操作，而且所有學(xué)生不受設(shè)備數(shù)量的限制都有操作實(shí)驗(yàn)的機(jī)會，還可以在虛擬平臺中多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，這不僅加深了學(xué)生對生物實(shí)驗(yàn)的理解，也提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

植物的季節(jié)性生長期對獲得植物材料的影響很大，為了隨時隨地能觀察到植物的根、莖、葉、花等的形態(tài)結(jié)構(gòu)，可以結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，將這些結(jié)構(gòu)圖片數(shù)字化，學(xué)生只需要觀看視頻，就能很清楚的觀察到植物各部分的結(jié)構(gòu)。如果結(jié)合3D圖片展示，學(xué)生還可以在不同方位觀察到某一結(jié)構(gòu)的完整形態(tài)，進(jìn)一步把不同發(fā)育時期的數(shù)字圖片組合起來，學(xué)生就能夠很快地觀察到植物生長發(fā)育的變化過程。另外，結(jié)合顯微照片，還可以對某一部位進(jìn)行放大，有利于學(xué)生觀察其顯微結(jié)構(gòu)[11]。在動物形態(tài)結(jié)構(gòu)觀察中，如果能結(jié)合虛擬仿真3D展示技術(shù)，便可以對抽象難懂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接的視頻觀察。如魚鰓的結(jié)構(gòu)、哺乳動物肺泡結(jié)構(gòu)等，學(xué)生在數(shù)字圖片中，可以很完整的看到這些結(jié)構(gòu)的立體形態(tài)和結(jié)構(gòu)，有利于理解這些結(jié)構(gòu)及其生理機(jī)能。

暨南大學(xué)黃柏炎制作的“濱海動物野外實(shí)習(xí)虛擬仿真”視頻，學(xué)生如親臨其境，完整的看到了海洋動物實(shí)況[12]。陜西師范大學(xué)李金剛教授的“秦嶺生物學(xué)野外實(shí)踐教育虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目”，讓學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室模擬秦嶺野外實(shí)習(xí)的場景，看到了秦嶺地區(qū)各種動植物的生長環(huán)境及其形態(tài)[13]。采用虛擬仿真技術(shù)模擬動植物的生態(tài)環(huán)境，避免了時間空間的限制，減少了采樣對自然資源的損害，有助于生物學(xué)野外實(shí)習(xí)模式的改革與創(chuàng)新。

2.2 豐富考核方式提升教學(xué)效果

實(shí)驗(yàn)報告是傳統(tǒng)的生物實(shí)驗(yàn)考查方式，考核項(xiàng)目包括出勤率、實(shí)驗(yàn)操作過程和實(shí)驗(yàn)報告。這樣的審查方法過于單一化，學(xué)生之間很容易簡單地復(fù)制或抄襲實(shí)驗(yàn)報告，嚴(yán)重影響對實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的考核。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作中，教師可事先設(shè)置相應(yīng)的“知識障礙”，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目成功后，努力消除“知識障礙”，才能取得相應(yīng)的成績，從而減少實(shí)驗(yàn)報告剽竊現(xiàn)象，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，使實(shí)驗(yàn)評價方法更加多樣、生動。

2.3 虛擬仿真技術(shù)促進(jìn)教育信息化的發(fā)展

伴隨著教育信息化的不斷發(fā)展，智慧樹、慕課等網(wǎng)絡(luò)教育形式已經(jīng)逐漸滲透到教育教學(xué)中，虛擬仿真技術(shù)在生物實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際應(yīng)用也越來越廣。虛擬技術(shù)和仿真技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景，不僅驗(yàn)證舊知識，同時也創(chuàng)造新知識，其推廣應(yīng)用后能為國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)改革帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。教育部也對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)提出了具體要求，如對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)、環(huán)節(jié)做出相應(yīng)規(guī)定，對應(yīng)用學(xué)科方向進(jìn)行了統(tǒng)籌規(guī)劃。例如山東農(nóng)業(yè)大學(xué)的國家級農(nóng)業(yè)機(jī)械化以及自動化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心不僅構(gòu)建了較為完善的平臺建設(shè)和管理體系，還建設(shè)了四個虛擬仿真教學(xué)模塊[14]。因此，利用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)障礙，是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要途徑。

2.4 提升學(xué)生實(shí)踐能力推動實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)和生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的完美結(jié)合可以顯著地提高學(xué)生的分析能力和實(shí)踐能力，刺激學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，推進(jìn)傳統(tǒng)教學(xué)模式向信息化、智能化模式的轉(zhuǎn)變。隨著虛擬仿真技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的不斷深化和開拓，生物學(xué)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)將會有更多的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺和更高質(zhì)量的虛擬模擬技術(shù)，來支持高校生物學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)體系建設(shè)，促進(jìn)高等院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式方法的與時俱進(jìn)。例如虛擬仿真試驗(yàn)系統(tǒng)既可釆用三維動畫技術(shù)充分呈現(xiàn)儀器結(jié)構(gòu)，又可以顯示實(shí)驗(yàn)原理和工作狀態(tài)，通過模擬實(shí)驗(yàn)儀器的操作界面更直觀地展示實(shí)驗(yàn)儀器的規(guī)范操作，讓學(xué)生通過計(jì)算機(jī)造作模擬實(shí)體實(shí)驗(yàn)的操作過程，提升學(xué)生的實(shí)踐動手能力[15]。

3 虛擬仿真技術(shù)在高校的應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，在國內(nèi)外高校中，掀起了一股“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室”的新風(fēng)潮，通過信息化手段結(jié)合學(xué)科特色，打造富有科技感的具有學(xué)科特色的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，在豐富教學(xué)模式的同時，還推進(jìn)了教學(xué)資源的共享和教育信息的數(shù)字化。

3.1 國外高校的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

國外虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要包括以下十種方法：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、可視化技術(shù)、3D打印技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)、遙現(xiàn)技術(shù)和虛擬世界。國外大學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要類別和形式如表1所示。

表1 國外大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的主要類別和形式

美國耶魯大學(xué)注重虛擬實(shí)驗(yàn)室的靈活性和即時性。在細(xì)胞生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)以及分子生物學(xué)等方面，教師和學(xué)生可通過平板（Portable android device，Pad）產(chǎn)品上的移動應(yīng)用程序記錄和分析實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字顯微鏡。英國Open University的開放科學(xué)實(shí)驗(yàn)室可以將收集到的圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行文件化，同時可以再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的所有實(shí)驗(yàn)功能，利用遙控裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)跟蹤。另外，實(shí)驗(yàn)室也建立了應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)模擬的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，可以在線共享虛擬儀器。例如地球科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的虛擬顯微鏡能夠提供當(dāng)今世界各地博物館以及研究機(jī)構(gòu)所保存的地質(zhì)標(biāo)本，這樣就避免了購買昂貴的顯微鏡以及切片標(biāo)本制作的成本，并可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的共享[16]。

3.2 國內(nèi)高校的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺逐漸受到我國教育工作者的青睞，教育部提出了教學(xué)信息化的方向，確立了建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的具體要求，國內(nèi)高校掀起了積極開發(fā)應(yīng)用虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目的熱潮。例如，北京大學(xué)生物學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心結(jié)合自身教學(xué)的特點(diǎn)，借鑒國外其他高校生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)報告管理系統(tǒng)，建設(shè)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和多門生物學(xué)實(shí)驗(yàn)類慕課以及實(shí)驗(yàn)室安全考試系統(tǒng)[17]。四川大學(xué)采用計(jì)算機(jī)虛擬仿真與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立的生物科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，由動物房、資料室、準(zhǔn)備室、虛擬實(shí)驗(yàn)室、考場等五部分組成，涵蓋了40多個機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真，結(jié)構(gòu)完整、內(nèi)容豐富，可同時供40位學(xué)生進(jìn)行生理機(jī)能學(xué)知識和技能的學(xué)習(xí)[18]。

4 結(jié)束語

虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用極大程度降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際操作的成本，減少了實(shí)驗(yàn)過程中的藥品污染和毒害，縮短了生物材料的實(shí)際培養(yǎng)周期，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生對知識的理解，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，提升了教育教學(xué)質(zhì)量。這既是對學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的完善，也是對實(shí)踐教育的改革。教師要從學(xué)情出發(fā)，本著提高學(xué)生的理論知識、實(shí)踐能力和專業(yè)素養(yǎng)的目的，設(shè)計(jì)合理的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、和教學(xué)方法，在實(shí)施過程中及時注意反饋信息，努力尋求虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式與教學(xué)實(shí)踐和信息技術(shù)的融合，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，爭取為學(xué)生提供完善的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)平臺，促進(jìn)我國高等教育的長遠(yuǎn)發(fā)展。

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Application of Virtual Simulation Technology in Biological Experiment Teaching

This paper analyzes the necessity of integrating modern computer simulation technology into biological experiment teaching. Adhering to the education and teaching concept of taking students as the main body, building a practical teaching system based on virtual simulation technology can solve the contradiction between the shortage of experimental teaching funds and the experimental restrictions caused by safety factors. The reform of practical experiment teaching system, the development and popularization of teaching results and virtual simulation technology are conducive to reducing the experimental cost, saving natural resources and improving the quality of talent training. This new modern information education reform mode provides favorable and feasible practical exploration experience for the development of biology specialty in colleges and universities.

virtual simulation; experiment teaching; educational reform; biological experiment

G642; G652

A

1008-1151(2022)10-0152-04

2022-07-28

李亞琳（1968－），女，渭南師范學(xué)院環(huán)境與生命科學(xué)學(xué)院教授，博士，從事生物教育研究工作。