白 云，金文聞，朱圓敏，吳元喜，盧群偉，余龍江，劉亞豐

（華中科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢 430074）

進(jìn)入信息時(shí)代和智能時(shí)代，創(chuàng)新型社會(huì)發(fā)展需要大量的個(gè)性化、創(chuàng)新型人才，更強(qiáng)調(diào)人才的差異化、多樣性和創(chuàng)造性[1]。以培養(yǎng)知識(shí)型、技能型人才為目標(biāo)的傳統(tǒng)教育體系難以支撐這一需要，未來(lái)教育必將是架構(gòu)在互聯(lián)網(wǎng)上的新教育，即“互聯(lián)網(wǎng)+”教育[1-2]，或引領(lǐng)教育信息化創(chuàng)新發(fā)展，形成智慧教育[3]。這就要求轉(zhuǎn)變教育理念，在教學(xué)內(nèi)容、手段、方法等環(huán)節(jié)變革，構(gòu)建信息技術(shù)支撐下的以學(xué)生發(fā)展為中心的人才培養(yǎng)新體系，以適應(yīng)新時(shí)期人才培養(yǎng)需求。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、分析能力、解決問(wèn)題能力的重要途徑。生命學(xué)科是以實(shí)驗(yàn)為主的學(xué)科，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)人才培養(yǎng)的重要性更加凸顯。華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院在“十三五規(guī)劃”期間，積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”教育，注重信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，通過(guò)名師、前輩教師教學(xué)經(jīng)驗(yàn)傳承，通過(guò)科教融合、校企合作開(kāi)發(fā)一系列實(shí)驗(yàn)技術(shù)模塊，構(gòu)建了基于柔性設(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)的智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，讓學(xué)生接觸到寶貴的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)、先進(jìn)的技術(shù)、個(gè)性化的學(xué)習(xí)內(nèi)容和豐富的教學(xué)資源，為虛實(shí)融合、自主設(shè)計(jì)、研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式創(chuàng)造了更加開(kāi)放的、個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境和更加豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)資源[4-5]。

1 建設(shè)目標(biāo)與建設(shè)定位

以社會(huì)需求與人才培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，以為學(xué)生發(fā)展為中心，將柔性設(shè)計(jì)理念融入虛擬仿真系統(tǒng)，構(gòu)建開(kāi)放式柔性設(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)，體現(xiàn)綜合設(shè)計(jì)與學(xué)科交叉特色，創(chuàng)建技術(shù)融合的學(xué)習(xí)環(huán)境。通過(guò)優(yōu)化實(shí)體環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)條件及教學(xué)管理，實(shí)現(xiàn)師生互動(dòng)、人機(jī)互動(dòng)，為教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)提供方便快捷的教學(xué)資源和智能解決方案，為學(xué)生創(chuàng)造自主學(xué)習(xí)、自主設(shè)計(jì)、自主實(shí)踐的智能友好環(huán)境，使學(xué)生獲得個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù)和發(fā)展體驗(yàn)。

通過(guò)建設(shè)基于柔性設(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)的智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，建成國(guó)內(nèi)一流的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)條件和育人環(huán)境，打造實(shí)踐創(chuàng)新中心，即智慧學(xué)習(xí)中心，實(shí)現(xiàn)教育多樣性、個(gè)性化培養(yǎng)，全面提升學(xué)生的創(chuàng)新思維與實(shí)踐能力。

2 智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)總體架構(gòu)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)受硬件條件影響小，更易實(shí)現(xiàn)各類(lèi)教學(xué)資源的優(yōu)化與共享，使教學(xué)資源跨區(qū)域服務(wù)多個(gè)專(zhuān)業(yè)、多個(gè)學(xué)校成為可能[6]。以資源共享與綜合效益為原則，打破實(shí)驗(yàn)課程和實(shí)驗(yàn)室之間的壁壘，按實(shí)驗(yàn)技術(shù)分類(lèi)建設(shè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，按照學(xué)科建設(shè)專(zhuān)業(yè)綜合研究實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，打造開(kāi)放共享、自主設(shè)計(jì)的柔性設(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)，按照虛實(shí)融合、自主設(shè)計(jì)、研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[4]的要求，優(yōu)化專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，合理配置實(shí)驗(yàn)室資源，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室資源整合。

柔性設(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)是構(gòu)成智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的核心，也是實(shí)現(xiàn)開(kāi)放、自主、高效、虛實(shí)融合、線(xiàn)上線(xiàn)下互補(bǔ)，全面提升學(xué)生創(chuàng)新思維與實(shí)踐能力的關(guān)鍵所在。智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)包括柔性設(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)、實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)。智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)總體架構(gòu)圖

3 柔性設(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)特征與優(yōu)勢(shì)

虛擬仿真系統(tǒng)的柔性設(shè)計(jì)是基于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)放設(shè)計(jì)策略，針對(duì)目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)中存在的若干問(wèn)題，如模型重復(fù)建設(shè)、流程單一、參數(shù)固定不變、項(xiàng)目更新困難、學(xué)生不可自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案等，以模塊化技術(shù)單元為基礎(chǔ)構(gòu)建技術(shù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)以可持續(xù)發(fā)展為特征的開(kāi)放性平臺(tái)框架。通過(guò)柔性設(shè)計(jì)構(gòu)建具有靈活多樣、多方互動(dòng)、開(kāi)放自主的設(shè)計(jì)環(huán)境，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程體驗(yàn)，讓學(xué)生可嘗試采用不同方案解決問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)大型綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和生產(chǎn)性工廠的自主設(shè)計(jì)與可行性論證。柔性設(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)包括三維仿真技術(shù)模塊子系統(tǒng)（操作與演示）、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與操作子系統(tǒng)（柔性設(shè)計(jì)）、虛擬仿真工廠設(shè)計(jì)與操作子系統(tǒng)（柔性設(shè)計(jì)）、智慧學(xué)習(xí)與智能評(píng)價(jià)子系統(tǒng)（包括技術(shù)庫(kù)、案例庫(kù)、知識(shí)庫(kù)等）、應(yīng)用管理及信息推送子系統(tǒng)。如圖2 所示是我們開(kāi)發(fā)的基因工程抗體藥物虛擬仿真項(xiàng)目，它包含實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)（圖2（a））、仿真操作（圖2（b））、工廠設(shè)計(jì)等功能（圖2（c））。柔性設(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)的特征與優(yōu)點(diǎn)包括以下3 個(gè)方面。

圖2 基因工程抗體藥物虛擬仿真項(xiàng)目

1）系統(tǒng)架構(gòu)是基于技術(shù)模塊、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)原則、生物學(xué)原理與研究技術(shù)相關(guān)性來(lái)布局，按照邏輯關(guān)系編寫(xiě)仿真控制軟件程序，構(gòu)建出開(kāi)放性自由設(shè)計(jì)平臺(tái)，突出創(chuàng)新人才培養(yǎng)過(guò)程中技能訓(xùn)練、科學(xué)研究與創(chuàng)新設(shè)計(jì)需求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)與配置充分考慮生命學(xué)科人才培養(yǎng)計(jì)劃的技能訓(xùn)練和科學(xué)研究的方案設(shè)計(jì)要求，參考中國(guó)學(xué)術(shù)文獻(xiàn)總庫(kù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，以生物科學(xué)、生物技術(shù)、生物工程、生物制藥、生物醫(yī)學(xué)工程、生物信息等專(zhuān)業(yè)的技能訓(xùn)練和科研素質(zhì)培養(yǎng)需求制定，也可自主創(chuàng)建和加載模塊化技術(shù)應(yīng)用到其他相關(guān)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。

2）柔性設(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)是技術(shù)庫(kù)，技術(shù)庫(kù)含有大量單元操作的實(shí)驗(yàn)技術(shù)模塊，既能獨(dú)立用于操作技能訓(xùn)練，又適用于設(shè)計(jì)各種實(shí)驗(yàn)方案流程。實(shí)驗(yàn)技術(shù)模塊可隨時(shí)更新、擴(kuò)充、重組，方便設(shè)計(jì)任意實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)技術(shù)模塊分實(shí)驗(yàn)室級(jí)和工業(yè)生產(chǎn)級(jí)2 種規(guī)格，工業(yè)生產(chǎn)級(jí)技術(shù)模塊可用于設(shè)計(jì)工廠和生產(chǎn)車(chē)間，形成可瀏覽、可操作、可評(píng)價(jià)的生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)境。

3）師生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理或研究主題任意設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，包括實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)，從多角度審視自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，分析比較各種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的預(yù)期結(jié)果，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程更加直觀，在實(shí)踐研究過(guò)程實(shí)施之前，就能夠更加全面地了解和比較各種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，易于開(kāi)展各種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的可行性論證，再結(jié)合實(shí)體實(shí)驗(yàn)室條件，選擇符合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施，有效保證實(shí)驗(yàn)的成功率和研究水平。

4 柔性設(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)的資源建設(shè)

綜合設(shè)計(jì)與創(chuàng)新思維訓(xùn)練是拔尖創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，要落實(shí)虛實(shí)融合、自主設(shè)計(jì)、研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的實(shí)施，需要在柔性設(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)中配置一系列相配套的教學(xué)資源，即教學(xué)資源庫(kù)。按照實(shí)用性強(qiáng)、通用性好、使用頻率高的原則，構(gòu)建了模塊化技術(shù)庫(kù)、案例庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、問(wèn)題庫(kù)、文獻(xiàn)庫(kù)等，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、主動(dòng)實(shí)踐，開(kāi)展各種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、工廠設(shè)計(jì)與虛擬仿真操作。

1）技術(shù)庫(kù)對(duì)于柔性設(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，核心教學(xué)資源是技術(shù)庫(kù)，技術(shù)庫(kù)中的模塊化單元首先必須滿(mǎn)足技能訓(xùn)練、綜合設(shè)計(jì)、不同實(shí)驗(yàn)調(diào)用、多種樣品（參數(shù)）分析測(cè)定、實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置及智能化管理。因此，技術(shù)資源庫(kù)建設(shè)首先要進(jìn)行有序分類(lèi)和高效整合，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的高效利用。如高壓液相色譜技術(shù)是生命科學(xué)研究中常用的分析儀器，種類(lèi)繁多，構(gòu)建虛擬仿真技術(shù)單元時(shí)，首先是要分解設(shè)備，構(gòu)建基礎(chǔ)單元，如面板與按鍵、進(jìn)樣裝置（手動(dòng)或自動(dòng)）、泵類(lèi)型（單或雙、活塞往復(fù)泵或隔膜往復(fù)泵）、色譜柱類(lèi)型、檢測(cè)器（多種）等部件，再根據(jù)需要組裝成各種高中低端高壓液相色譜，從而用于不同實(shí)驗(yàn)中樣品分析。通過(guò)查閱文獻(xiàn)，收集和了解不同樣品的處理方式、色譜柱的選擇、實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)和對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的邏輯關(guān)系，再通過(guò)相關(guān)軟件仿真與數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)任意樣品的測(cè)試與分析。

2）案例庫(kù)合理使用生成性的教學(xué)資源案例庫(kù)并采用情境化的教學(xué)方式，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)滿(mǎn)意度，彌合理論與實(shí)踐的鴻溝，更好地實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)發(fā)展[7]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例是基于柔性設(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)創(chuàng)建的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)有兩種案例形式，一是以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為載體，如糖、蛋白質(zhì)、核酸的測(cè)定，主要體現(xiàn)知識(shí)、技能的學(xué)習(xí)，這是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的典型案例，通常與理論課程學(xué)習(xí)高度相關(guān)。二是以實(shí)驗(yàn)技術(shù)為載體，如分光光度技術(shù)，主要體現(xiàn)技能、知識(shí)、應(yīng)用，學(xué)習(xí)和訓(xùn)練過(guò)程不受理論課程教學(xué)和時(shí)間的限制，學(xué)生根據(jù)興趣與需求來(lái)學(xué)習(xí)。綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)通常體現(xiàn)知識(shí)、技能的綜合應(yīng)用，如生物大分子分離純化與鑒定虛擬仿真綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和單克隆抗體藥物中試生產(chǎn)虛擬仿真綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。這些項(xiàng)目案例的創(chuàng)建需要教師閱讀大量文獻(xiàn)，收集樣品與產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的工藝條件和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，合理使用技術(shù)庫(kù)中的模塊化單元技術(shù)。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程時(shí)，要盡可能延長(zhǎng)相關(guān)知識(shí)鏈和技能鏈，通過(guò)目標(biāo)任務(wù)導(dǎo)向，形成系統(tǒng)性知識(shí)。通過(guò)創(chuàng)建新的技術(shù)模塊實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新研究，構(gòu)建新的案例。

3）知識(shí)庫(kù)涉及各種實(shí)驗(yàn)技術(shù)原理、方法、注意事項(xiàng)、與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的理論知識(shí)等，是考察內(nèi)容的主要來(lái)源。知識(shí)點(diǎn)展現(xiàn)形式分為客觀題、主觀題兩類(lèi)，分別配有具體解析，在系統(tǒng)后臺(tái)可配置到任何實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，作為學(xué)生思考學(xué)習(xí)或考核的內(nèi)容，這是師生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)案例以及對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)智能評(píng)判的基礎(chǔ)。知識(shí)庫(kù)的建設(shè)是以最小知識(shí)點(diǎn)為基礎(chǔ)，多以客觀題形式展現(xiàn)，包括填空、選擇、判斷等，利用一類(lèi)或多個(gè)客觀題內(nèi)容設(shè)計(jì)主觀題，便于智能評(píng)判。如關(guān)于蛋白質(zhì)性質(zhì)和分離技術(shù)可以編輯成一系列客觀題，以這些客觀題為基礎(chǔ)就可以設(shè)計(jì)主觀題“怎樣利用鹽析方法分離牛奶中的蛋白質(zhì)？”，其答案就在客觀題中。

4）問(wèn)題庫(kù)是知識(shí)庫(kù)的另一種形式，主要是針對(duì)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)過(guò)程中學(xué)生需要掌握的知識(shí)或未接觸過(guò)的內(nèi)容，或經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)的內(nèi)容，或軟件操作碰到的問(wèn)題而設(shè)計(jì)的問(wèn)題。教師可以用多種信息化手段向?qū)W生推送信息，力求較短時(shí)間，如1～3 min 看懂問(wèn)題，使較困難的知識(shí)點(diǎn)或難以表達(dá)的問(wèn)題變得通俗易懂，包括配音、短文、圖解、動(dòng)畫(huà)、小視頻（類(lèi)似抖音）等。

5）文獻(xiàn)庫(kù)使學(xué)生可以自由下載學(xué)習(xí)資料：科技文獻(xiàn)、教材、文檔、圖片、課件、視頻、微課堂等。

5 智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)應(yīng)用

智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)包括柔性設(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)、實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，各個(gè)系統(tǒng)如何協(xié)作運(yùn)行推進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和主動(dòng)實(shí)踐如圖3 所示。它體現(xiàn)出以學(xué)生發(fā)展為中心，以信息化技術(shù)為支撐，注重師生互動(dòng)和過(guò)程管理，使教學(xué)管理與學(xué)生評(píng)價(jià)更科學(xué)，既調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性，也提高教師的工作熱情和教學(xué)水平，取得良好的應(yīng)用效果[8]。根據(jù)數(shù)字化時(shí)代專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)和教師面臨的新挑戰(zhàn)，只有構(gòu)建技術(shù)融合的學(xué)習(xí)環(huán)境和各類(lèi)教學(xué)資源，教師才能施展智能高效的教學(xué)方法，學(xué)生才能最大限度獲得個(gè)性化學(xué)習(xí)和發(fā)展體驗(yàn)?；谌嵝栽O(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)的智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)為智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了良好的條件與環(huán)境、豐富的教學(xué)資源、功能強(qiáng)大的虛擬仿真系統(tǒng)、友好的信息化管理系統(tǒng)、游戲般的學(xué)習(xí)探究模式，寓教于樂(lè)，能調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，讓其獨(dú)自面對(duì)問(wèn)題來(lái)解決問(wèn)題。如圖4 所示為師生使用該系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)和互動(dòng)的情況。

圖3 智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)應(yīng)用流程

圖4 師生使用系統(tǒng)進(jìn)行互動(dòng)和學(xué)習(xí)情況

6 結(jié)束語(yǔ)

改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，將教學(xué)個(gè)人行為變?yōu)榧w行為，實(shí)現(xiàn)智慧教學(xué)，需要廣大教師共同努力創(chuàng)建豐富的各種類(lèi)型教學(xué)資源[9]，完善優(yōu)化教學(xué)計(jì)劃和教學(xué)大綱，不斷推進(jìn)配套機(jī)制與制度建設(shè)。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展、教學(xué)硬件與軟件的互補(bǔ)融合，將徹底改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，虛實(shí)融合、自主設(shè)計(jì)、開(kāi)放研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式將成為高等教育的主流[10-13]。