虚拟仿真实验教学中心建设理念及发展模式探索

刘亚丰, 余龙江

(华中科技大学 生命科学与技术学院, 湖北 武汉　430074)



虚拟仿真实验教学中心建设理念及发展模式探索

刘亚丰, 余龙江

(华中科技大学 生命科学与技术学院, 湖北 武汉430074)

分析了高校实验教学的信息化发展趋势和虚拟仿真实验教学中心的建设理念。以6种类型的生物类实验项目为例,具体说明了采用虚拟仿真实验的适用原则，提出虚拟仿真实验教学中心的建设应统筹规划,在制度层面、技术层面建立有利于资源开放共享的技术规范或协议以及相应的管理体制和运行机制,建立虚实结合、以实为主、以虚促实的实践教学体系,推动虚拟仿真实验教学中心快速、有序地建设与发展。

虚拟仿真； 实验教学改革； 实验室建设

快速发展的现代信息技术促进了高等教育教学的改革、加速了教学模式的多元化发展。在高校实验教学中,虚拟仿真实验能构建逼真的实验环境、实验对象和实验内容,可以让学生在开放、交互的虚拟环境中进行自主的实验设计与操作,因而在培养学生的科学探索及实践创新创业能力中发挥越来越重要的作用[1]。虚拟仿真实验教学中心是实践国家教育信息化战略的重要平台和教学基地,与传统的实验教学示范中心相比,它更有利于教育资源的优化、整合与共享,将对大幅提升教育质量和深化教学改革产生积极影响[2-3]。因此,深入探索虚拟仿真实验教学中心建设及其未来发展具有重要的现实意义。

1　建设理念

互联网高速发展所带来的教育信息化,极大地影响着高校的教育教学活动。在幕课等网络课堂对传统理论课堂教学的影响日益增大情况下,实践教学环节显得越来越重要,它在提高学生实践创新能力方面具有不可替代性。当然,实验教学也存在如何适应网络化发展和学生学习方式的变化、更好地提高学生的实践效果和创新能力的问题。虚拟仿真实验教学正是网络化技术催生、发展起来的一种全新的实验教学模式,对实体实验具有很好的补充作用。

如何建设好与这种新的虚拟仿真实验教学模式相适应的实验教学体系和虚拟仿真实验中心,就需要有清晰的建设理念和发展定位。学生的实践创新能力只有在丰富的实体实践环境中通过大量的操作训练才能不断提高,因此,实体实践环节不可替代；而巩固、弥补并促进实体实验的教学效果才是虚拟仿真实验教学建设发展的方向。这既体现了互联网对推动实体实验教学的促进作用,又体现了实体实验在提高学生实践创新能力方面的核心作用。

虚拟仿真实验教学中心是学科专业与信息技术深度融合的重要基地,是提升学生的科学思维、探索精神、实践能力及创新能力的新平台。虚拟仿真实验教学不仅能突破实体实验教学的诸多局限性,而且具有并延伸了理论教学的功能。因此,充分认识虚拟仿真实验教学在人才培养和教学工作中的地位和作用,正确认识虚拟仿真教学中心与实体实验教学基地的区别与联系,将关系到虚拟仿真实验中心的功能发挥与未来发展。为此,应以“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想和全面提高学生创新精神和实践能力为宗旨[3],不断发展和完善原有的实验教学体系,加强虚拟仿真实验教学的地位和作用,从而建立适应教育信息化发展的虚实互补、以虚促实的多元化实践教学新体系。

要建立多元化实践教学新体系,就需要从教学内容、教学手段、教学过程和教学效果评价等方面进行系统的调整和完善[4]；需要建立实验室管理信息平台及实验教学信息化管理机制,优化实验教学中心管理体制,实现优质教学资源共享。此外,还需要配套建立实验教学全面开放运行的政策、经费、人事等保障机制,完善相应的实验教学质量保证体系。

总之,高校应顺应网络化时代发展,最大限度地发挥现代信息技术在教育教学中的作用,建立更加完善的虚实结合的实践教育教学新体系,不断提高学生的创新创业能力。

2　建设原则

虚拟仿真实验教学能够让学生在虚拟环境中进行自主实验探索,具有方便共享、全面开放、便于交互等诸多优点。虚拟仿真实验所营造的虚拟环境、对象及过程虽然逼真,但与学生实际动手操作的效果还是存在一定的差距。虚拟仿真实验项目建设过多,尤其是以虚代实的实验项目过多,将会造成学生避实就虚、眼高手低等弊端。当前,已开发的许多虚拟仿真实验项目属于电影播放形式的顺序执行程序代码,缺乏任意性、随机性及拓展延伸性,很难锻炼学生的综合设计能力、创新实践能力及科研探索能力。

另外,虚拟仿真实验项目开发成本高、周期长,对实验中心的建设有较大影响。

根据虚拟仿真实验中心的建设理念及发展定位,应采取“虚实互补、能实不虚、以虚促实”的原则来建设虚拟仿真实验中心[5],而不能把所有的实体实验都简单地搬到网络上或进行虚拟化,更不能因为实体实验太复杂、太花时间或设备台套数不够而进行虚拟化。应当根据实体实验发展需要,将虚拟实验与实体实验紧密结合,提升实体实验效果,重点要做好以虚促实。

笔者认为,涉及生物类的实验项目,以下6种类型的实验可以开发虚拟仿真实验项目并独立运行,或把其作为实体实验的预备实验,以体现只有配套虚拟仿真实验才能得到的独特效果,增强学生的实践创新能力。它们体现了虚拟仿真实验的具体适用原则。

(1) 在微观层面揭示生命现象的规律及其分子机制的实验,可借助Flash等动画或实体分子实验的微观视频等进行原理的可视化呈现,这些认识性实验有助于加深对课堂理论知识的理解,也有助于指导学生开展验证性实验和应用实验。

(2) 生物学相关领域需要借助计算机开展的实验,可以通过虚拟实验来实现,例如:

① 动植物分类鉴定，可以借助计算机存储的动植物分类图库进行教学,并以此类虚拟实验作为野外实习的补充,有效提高学生野外实习的效果；

② 解剖实验的可视化以及虚拟解剖实验过程,它有助于提高实际解剖实验的效果,提高实体实验质量；例如为预防禽流感等传染性疾病而不能进行实体解剖的实验,可以用虚拟实验来弥补；

③ 基因序列分析及基因挖掘实验主要是通过虚拟仿真实验来完成,生物大分子的结构预测等生物信息学实验也主要是通过虚拟仿真实验来完成；

一是司法机关方面的问题。目前，“案多人少”是全国法院系统普遍存在的问题。从北京法院系统来看，虽然各基层法院都开展了立案阶段多元调解试点工作，但是，各院的工作重点，仍然是动用各种资源和力量，努力消减已经进入诉讼渠道的纠纷，仍然在去除“存量”上下功夫。“一站式”司法确认机制运行的基础条件之一，就是要派出本已就相当紧缺的员额法官和辅助人员，去全程指导、监督社会调解组织的调解活动，并开展培育社会调解力量的工作。按照诉讼程序的标准培育一个调解组织的调解活动，是需要花费一定时间和精力的。在审判压力相当巨大的情况下，司法机关是否愿意拿出宝贵的审判资源，去做一件短期内可能效益不显著的工作是个需要思考的问题。

④ 药物分子设计主要是基于靶点蛋白进行结构分析及药物分子的设计,需借助计算机进行,也可通过虚拟仿真实验来完成。

(3) 有些很重要的实验必须开设,但又存在安全风险,就可以采用虚拟仿真实验,也可作为实际实验的预备实验,例如:

① 灭菌锅和发酵罐高压灭菌过程预备训练,这是实体实验必有的内容,可先通过虚拟仿真实验熟悉实验过程,提高学生安全意识,预防发生安全事故；

② 紫外灯、有毒试剂以及其他危险设备或试剂的使用,可通过虚拟仿真实验来进行实验安全教育,提高学生实际操作能力和防范、处理安全事故的能力。

(4) 有些很重要但又存在高度安全风险、一般不会实际开出的实验,可以通过虚拟仿真实验来弥补。这种弥补实验十分重要,是学生走上工作岗位后必将面对的,例如易燃易爆、剧毒等高度危险的实验。

(5) 需要使用大型贵重仪器设备的实验,一般本科生很难实际操作。可以通过设置虚拟仿真实验和实体观摩相结合,让学生能够接触到大型仪器,这对于拓展学生视野和创新、科研思维非常重要。

在规划建设虚拟仿真实验项目时,应优先建设能最大限度提高学生实践创新能力的项目。

3　统筹规划

教育部于2013年启动了国家级虚拟仿真实验教学中心的审批建设工作。虚拟仿真实验受硬件条件影响小,更易实现各类教学资源的优化与共享,使教学资源跨区域服务多个专业、多个学校成为可能。但从目前高校开展虚拟仿真实验教学中心的建设及应用情况来看,受单位学科发展、专业方向、建设目标、知识产权、开发技术、开发成本等因素限制,存在虚拟仿真实验教学资源重复建设、建设简单化和无序化、没有充分开放共享等问题,偏离了国家提出的建设目标,亟待在制度层面、技术层面建立有利于资源开放共享的技术规范或协议,以及相应的管理体制和运行机制。

(1) 建议教育部制定具体政策,推动虚拟仿真实验教学资源全面共享,并制定共享考核评价体系以及收益分配制度,真正实现校内外、本地区及更大范围内的实验教学资源共享和示范辐射作用,满足多学科专业、多学校和多地区开展虚拟仿真实验教学的需要。

(2) 积极利用云计算、云存储等先进计算机网络技术,将分散的多个虚拟仿真实验教学中心的服务器互联互通,构建开放、互动、智能型的云平台,实现更多资源的优化与分享,提高教学资源利用效率和系统执行速率。

(3) 建议国家制定政策,鼓励科研院所、企业参与虚拟仿真实验教学共建,以充分利用社会资源和技术,推动虚拟仿真教学的良性发展,确保教学先进性,实现虚拟仿真实验建设的可持续发展。学校与科研院所、企业的合作,不能以知识产权、发明专利形成壁垒,影响实验教学资源的全面共享。

(4) 为便于虚拟仿真实验教学资源的扩展、兼容及更新,建议国家制定虚拟仿真实验教学资源开发技术规范,如建模语言、编程语言、数据库、网络协议、接口定义等,以利于虚拟仿真实验教学资源可运行于不同版本、不同操作系统之上,或运行于不同终端设备上。

(5) 建议教育部委托各专业委员会或教学指导委员会成立建设委员会,制订本专业虚拟仿真实验教学中心的建设规范。建设委员会可根据各个高校专业特色、学科分布、地区差异、技术储备、开发成本等因素,统一规划、协调建设,避免重复建设或建设简单化,共同促进,共享发展。

4　未来发展模式

虚拟现实技术在沉浸性、交互性、构想性等方面具有显著优势,使得众多高科技公司如Facebook、苹果、谷歌、三星等加大在该领域的布局与投入。可以预见,实时三维计算机图形、广角立体显示、立体声、用户跟踪、触觉与力觉反馈、跟踪头部运动头套、人工智能等新技术将在实验教学及技能培训方面发挥更大的作用；虚拟仿真实验教学将成为教学改革的重要发展方向,得到更广泛的应用；虚拟仿真实验教学中心建设将成为国家教育信息化建设的重要基地。

同时,也要正确看待虚拟仿真技术在实验教学上存在的局限性,应科学规划、统筹安排虚拟仿真实验教学,不能把实体实验简单虚拟化,也不能因实体实验复杂、费用高、设备数量少而虚拟化。应以提高学生实践创新创业能力为根本出发点,将虚拟实验与实体实验紧密结合,提升实体实验效果。虚拟仿真实验教学中心的发展应以实为主,以虚为辅、虚实结合、虚中有实、实中有虚、以虚补实、以虚拓实、以虚促实。实验教学示范中心和虚拟仿真实验教学中心的共同建设,将进一步促进实验教学资源的整合与共享,推动高等学校实验教学改革和高等教育教学质量不断提升。

虚拟仿真实验教学是学科专业与信息技术深度融合的结果,完全依赖校外企业或通过高校与企业简单合作进行研发很难实现其可持续发展。一般来讲,实验中心每年实验经费相对固定,不仅要购置仪器设备,还要购买耗材试剂,剩余的有限经费很难开发那些高研发成本的虚拟仿真项目。另外,一些公司虽然在信息技术方面具有优势,但对学科专业知之不多,这会使项目开发周期长或所开发的软件存在诸多缺陷,很难达到教学大纲要求的实验教学效果。可见,如果未来要深入推进教育信息化,还需要进一步完善多元化实验教学体系,将部分专业教师分离出来,专门从事虚拟仿真实验教学资源的开发与教学实践。这些教师具有

良好的专业知识和授课经验,同时又掌握先进的信息技术,可自主开发虚拟仿真实验项目,虚拟仿真实验教学中心将能获得良好的可持续发展。

5　结语

现代信息技术的快速发展,深刻影响着高校的实验教学改革。虚拟仿真实验教学是一种新的教学模式,它有利于优质教育资源的共享与优化,有利于教育信息化的推进和教育质量的不断提升。高校应借助国家级虚拟仿真实验教学中心审批建设工作,推动虚拟仿真实验中心又好又快地建设与健康发展。

References)

[1] 国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)[EB/OL].(2010-07-29)[2015-10-05].http://www.gov.cn/jrzg/2010-07/29/content_1667143.htm.

[2] 李平,毛昌杰,徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索,2013,32(11):5-8.

[3] 教育部高等教育司.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[EB/OL].(2013-08-13)[2015-10-05].http://www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/A08_gggs/201308/156121.html.

[4] 刘亚丰,吴元喜,苏莉,等.生命科学与技术虚拟仿真实验教学体系构建[J].实验技术与管理,2015,32(9):120-123.

[5] 刘亚丰,吴元喜,苏莉,等.信息化背景下虚拟仿真实验教学中心建设规划与实践[J]. 高校生物学教学研究,2015,5(3):39-43.

Exploration on construction idea and development mode of virtual simulation experimental teaching center

Liu Yafeng, Yu Longjiang

(College of Life Science and Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

The virtual simulation experimental teaching center is an important platform to cultivate students’ ability of innovation and practice. Its careful planning will affect the teaching effect and the sustainable development. The practical teaching system with the combination of virtual and real experiments is suggested. The real teaching experiments should be the primary teaching mode and the virtual one is its important supplementary. These ideas will promote the rapid and orderly construction and development of virtual simulation experimental center.

virtual simulation; reform of experimental teaching; construction of laboratory

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.030

2015- 10- 08

生物科学国家理科基地能力提高基金项目(NSFC-J1103514)；湖北省教学研究项目(2014070)

刘亚丰(1976—),男,河南漯河,博士,工程师,主要研究方向为生物医学光子学、光遗传学、电生理学

E-mail：yfliu@mail.hust.edu.cn

余龙江(1966—),男,湖北黄冈,博士,教授,博导,主要从事资源生物学与生物技术研究.

E-mail：yulj@hust.edu.cn

D647

B

1002-4956(2016)4- 0108- 03