李玲 闫旭宇 李娟 任潘
摘 要：本文主要探讨了生命科学虚拟仿真实验教学资源的建设情况和在实验教学中的应用，期望对于丰富实验教学资源、培养学生的实验技能、促进人才培养质量起到积极的作用。
关键词：虚拟仿真 生命科学 实验教学
Abstract： This paper mainly discusses the construction and application of life science virtual simulation experiment teaching resources， It is expected to play an active role in enriching experimental teaching resources， cultivating students'experimental skills and promoting the quality of talents cultivation.
Key Words： Virtual Simulation; Life Science; Experimental teaching
生命科學类专业是实践性较强的一门学科，实验教学在整个教学活动中占有很大的比例，是学生提高发现问题、解决问题和动手能力，培养高素质创新型人才的重要手段。但随着教学改革的持续深入，传统的实验课堂教学受到一定的冲击，遇到了一些实际困难和问题，难以满足人才质量培养的要求。目前，很多本科教学计划中开设的实验项目受实验周期长、实验成本高、安全环保危害大等因素的制约与限制，导致教学效果并不理想。近些年，虚拟仿真技术和信息技术在高校生命科学类专业实验教学中的广泛应用，已成为当前实验教学改革的新方向，对于丰富实验教学资源、减短实验周期、降低实验成本及解决环保问题等，并对学生的实验技能、促进人才培养质量起到重要的作用[1]。
1 生命科学虚拟仿真实验教学资源的建设
生命科学学院结合专业特色及人才培养方案，全面推进以学生为主、以学为主，问题导向，任务驱动的虚拟实验教学改革，构建了层次结构清晰、适宜共享、易于扩展的生物科学虚拟仿真实验教学体系。现开发建设有生物工程及微生物、植物学类、仪器设备使用及实验室安全培训三个模块，每个学科模块根据实验教学目标再进行细分，建成了结构层次清晰、内容扩展的生命科学虚拟仿真实验教学平台，其中生物工程及微生物模块包括蛋白质同源模建虚拟仿真软件、动物胚胎移植操作实验、单克隆抗体制备虚拟仿真实验、SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳测定蛋白质的相对分子量虚拟仿真实验软件、酶联免疫吸附虚拟仿真实验软件等19个项目;植物学类模块包括水稻遗传转化虚拟仿真软件、拟南芥 T-DNA 插入突变体的鉴定虚拟仿真软件、植物基因克隆及表达载体建立、植物工厂 3D 仿真培训软件等6个项目;仪器设备使用及实验室安全培训包括荧光定量 PCR 仪虚拟操作系统、气相色谱 VR 虚拟仿真实训软件、激光共聚焦操作虚拟仿真实验、生物类实验室安全防护虚拟仿真训练等6个项目。软件平台登录网址为http：//219.244.0.63/website，全校师生可在校园网通过建立的账号和密码登录后下载使用。
2 生命科学虚拟仿真实验教学平台建设的意义
2.1 适应信息化建设发展需要，提升人才质量培养质量
国家非常重视教育信息化建设，教育部于2012年出台了《教育信息化十年发展规划（2011-2020）》等文件，为高校开展教育信息化工作提供了政策依据，指明了发展方向。新时期在信息化背景下，利用虚拟仿真技术与教育教学的深度融合，完善传统实验教学方法，推进实验教学改革，提升平台师资力量，不断加强学生自主学习和实践能力的培养。实验教学是生命科学类专业重要的教学环节，对学生提高发现问题、解决问题的能力以及综合素质的提高有极其重要的作用。学生通过虚拟仿真教学的学习不仅保证了学生的人身安全，也增强了学生实践和创新能力，为今后就业打下了坚实的基础。
2.2 依托互联网技术，提高实验教学效果及效率
生命科学真实实验主要制约因素有：一是实验项目用到有害性、易燃易爆性、感染性、放射性等类物质实验时，现有实体实验室条件很难满足实验开设要求，存在安全风险;二是实验的不可逆性，在开展动物实验时，动物不必要的处死和处死的数量增加，另外实验中具有危险的技能操作如穿刺治疗等;三是教学成本和资源限制，有些实验生物材料由于受环境变化和季节性影响很难采集到，还有人体及动物生理学实验所需人尸体及器官标本更是难求，最终影响实验重复性;四是有些生物化学、分子生物学、生物技术实验中的实验项目，实验周期长，实验耗材、设备使用成本高，还有一些实体实验受时间和空间限制，学生操作难度大，成功率不高。而虚拟生命科学实验则可以做到不受时空限制、随时随地的开放，通过交互的动画方式直观地展现操作过程和方法，利于学生对实验操作的理解[3]。
3 生命科学虚拟仿真平台在实验教学中的应用
3.1 虚-实结合实验教学模式创新
虚拟仿真实验平台资源的建设不仅结合了相关专业的实验教学大纲和培养方案，在能实不虚的原则下使虚拟仿真项目发挥出自身的特点和优势。同时，根据教学科研实际情况，发挥互联网和信息技术的优势，拓展更新了实验教学项目资源，逐渐建立了基础性、综合性、设计创新性、虚拟仿真性多层次、多模块、多角度的“虚”与“实”相结合一体化实验教学体系。比如联合开发了“食用菌（杏鲍菇）工厂化生产虚拟仿真实验”、“固体小曲白酒发酵过程虚拟仿真实验”等项目，学生可以通过游戏的方式掌握实验的步骤和操作过程以及决定实验成败的关键环节，大大地提升对实验项目的认知，学生通过虚拟软件平台实现了课堂教学与在线学习的结合，课前课后可以在线观察、浏览、下载学习真正做到了“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则。
3.2 培优育新，管理模式创新
软件后台建立强大多功能综合管理系统，实现了资源管理、教师管理、学生管理、虚拟操作、仿真考试、教师评阅等功能。在上实验课时，学生在线登录仿真软件平台，根据软件界面提示进行虚拟操作，通过点击鼠标可完成各个实验流程、仪器使用等操作。实验结束后，系统会记录学生操作情况和答题情况，并给予打分，实验教学人员运用仿真资源查看学生考试成绩统计，教师通过收集整理分析，对实验中发现的突出问题和集中存在的问题，有针对性进行辅导，达到提高实验教学质量。通过线上学习和线下实验的有机结合，学生实验技能得到了更加系统全面的训练，而且数字化实验课程资源的建设满足了信息化环境下学生在线学习和实验教学的需要，极大促进学生自主学习、自主实验的主观能动性和积极性，开创了虚拟实验与真实实验协同育人的新局面。
3.3 突破时空限制，实现了自主开放性教学
近年來，高校招生规模的扩大，加剧了学生人数急速增加与实验室硬件和软件发展相对滞后的矛盾，人均实验条件还存在不小的差距。而传统实验教学是严格按照教学计划和安排，在规定时间内，在指定的实验地点，以班级为单位进行集中授课和实验。现信息技术的发展，促进了虚拟仿真实验教学中心的操作界面、仿真实验界面、交互界面、管理界面在智能手机及 iPad（平板电脑）上展示，只要有一台电子设备，通过校园网，将授课内容与校园其它计算机联网共享，支持学生随时操作实验，自己掌控实验进度，并提出遇到的问题，寻求帮助，教师和其他学生可以一起讨论，帮助其解决问题。通过这种“人机对话”的交互式学习方式，学生可直观地、立体地和动态地学习知识，从而加深记忆，充分发挥学生自主学习的积极性，打破了传统教学的时空限制，真正实现了虚拟教学资源的开放和共享。
4 结语
虚拟仿真实验教学是信息技术高速发展应运而生的产物，是借助多媒体、数据库及网络通信等技术，构建虚拟实验环境和实验对象，进而帮助学生在虚拟的环境中进行实验过程，其具有高仿真、智能化、互动性、直观性、开放性等特点，极大促进了教学效果的提高[2]。但虚拟仿真实验也有一定的局限性，在实际应用时，应当将其与实物实验结合起来，做到虚实结合，相辅相成，不断优化创新人才成长环境，推进人才培养质量的提高[4]。
参考文献
[1] 秦丽玮，胡原，万建，等.分子生物学虚拟仿真实验平台的建设与应用[J].实验技术与理，2018，35（7）：140-143，147.
[2] 吴锋景，刘小娟，邓继勇，等.应用型本科高校中化工虚拟仿真实验教学探索[J].广州化工，2016，43（334）：204-205.
[3] 李兵，王玉凤，贺占魁，等.生物学虚拟仿真实验教学资源建设[J].实验技术与管理，2016，33（12）：171-176.
[4] 徐艳.虚拟实验在《生物工程分析与检验实验》教学中应用研究[J].课程教育研究，2019（6）：49.
