生物类虚拟仿真实验教学中心建设中的问题与对策

王 甜， 王茂林， 林宏辉

(四川大学 生命科学学院 生物科学实验教学中心， 成都 610065)

·实验教学示范中心建设·

生物类虚拟仿真实验教学中心建设中的问题与对策

王 甜， 王茂林， 林宏辉

(四川大学 生命科学学院 生物科学实验教学中心， 成都 610065)

随着数字化技术的发展，高校实验教学资源的信息化成为实验教学示范中心建设的重要内容，而虚拟仿真实验教学中心无疑是信息化实验教学资源开放共享的重要载体。利用虚拟现实技术，将以往常规实验无法开设的实验内容转化成虚拟实验，成为常规实验教学不可或缺的补充。通过对生物类虚拟仿真实验教学中心开展教学资源、平台等建设过程中出现的困难与问题进行探讨，并结合自身建设经验，对资源共享机制、平台与资源兼容、资源建设内容特点和可持续发展等提出解决对策，以期对各高校虚拟仿真实验教学中心的后续建设和发展提供借鉴和依据。

虚拟仿真实验； 共享机制； 教学资源； 建设经验

0 引 言

提高高校学生创新精神和实践能力，建设信息化实验教学资源，共享优质实验教学资源，是高校实验教学信息化建设和实验教学改革与发展的目标[1]，因此，全国各高校都在积极开展虚拟仿真实验教学中心的建设工作，虚拟仿真实验教学中心建设工作坚持“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[2-4]，大力推进实验教学改革，创新实验教学技术与方法，结合自身教学特色和培养生物科学类学生创新创业能力的教学目的和要求，将常规生物实验教学无法开展的前沿及创新实验内容，利用虚拟现实技术转化为虚拟仿真实验教学资源，服务于高校实验教学，以虚拟仿真实验教学网站平台为载体，实现优质教学资源的开放共享。国家教育部在2013年至2015年期间,共评选出300个国家级虚拟仿真实验教学中心建设单位。其中生物类虚拟国家级虚拟仿真实验教学中心有11个(见表1)，占比3.7%。

表1 2013-2015年生物类国家级虚拟仿真实验教学中心建设单位

这11个生物类国家级虚拟仿真实验教学中心是经过省级教育行政部门、军队院校教育主管部门推荐，再由中国高等教育学会组织相关学科专家进行审核、网络评审和会议评审产生，相对代表了目前中国生物类虚拟仿真实验教学中心的建设范围和水准。

通过访问中心相关网站，生物类虚拟仿真实验教学资源建设主要有以下方面：数字化动植物标本数据库(图片、标本、音源、视频等)；形态学显微组织切片库；生态学野外实习实训；生物工程(发酵工程、基因工程、细胞工程等)；生物化学与分子生物学；生物制药及基础医学及生物医学工程；动植物解剖生理学；生态资源调查与保护利用。可以看出，各高校的虚拟仿真实验教学中心的建设充分利用学校学科专业优势和地方特色资源，与自身教学相结合，通过校企深度合作，共建共享虚拟仿真实验教学中心资源。

目前，全国有很多高校还在如火如荼地进行虚拟仿真实验教学中心的建设，根据遴选要求，主要从4个方面(虚拟仿真实验教学资源、教学队伍、教学管理和共享平台，以及实验教学中心管理体系)进行全方位建设[4]，力争获评国家级虚拟仿真实验教学中心建设单位。但是，在各高校建设虚拟仿真实验教学中心过程中也凸显出一些问题，使得建设过程举步维艰，怎样应对这些问题让虚拟仿真实验教学中心的建设可持续发展，是当下最值得深思和探讨的问题！

1 虚拟仿真实验教学中心建设中的问题

虚拟仿真实验教学资源的开发初衷都是服务于本科教学，除了需要实验教学一线教师结合自身教学优势，根据教学大纲制定建设内容，同时与虚拟软件制作公司的合作周期长，虚拟实验制作、验收，到投入使用需要很长时间，期间要对软件进行修改完善反复测试，但各高校之间没有沟通的平台，资源建设的消息是闭塞的，也许花了时间和精力做出的虚拟仿真实验也是其他高校正在开发制作的，导致虚拟仿真实验教学资源重复建设。

(1) 对建设指导思想理解有偏差。有建设者将很多生物现象简单过程复杂化、常规和直观实验的虚拟化，作为虚拟仿真实验教学资源的建设内容，又或是制作的虚拟场景和现实存在较大差异，不仅不会对学生的实验学习带来帮助，反而让学生更困惑了，白白浪费了资源，教学效果适得其反。

(2) 虚拟仿真实验教学资源建设没有统一标准。虚拟仿真实验教学资源的建设来源于不同虚拟软件制作公司，没有统一的标准，其他高校如果想购买使用已建设好的虚拟实验教学资源，却在兼容与共享方面出现问题。

(3) 不同公司制作的虚拟平台相互不能共享。很多虚拟软件制作公司根据国家级虚拟仿真实验教学中心的遴选要求，已开发了成熟的虚拟仿真实验教学管理平台，高校只需购买平台，加入根据自己教学需要而开发的虚拟仿真实验教学资源，就能建设一个系统完善的、开放共享的虚拟仿真实验教学中心，具备账号登录，资源管理，班级、考试、新闻、论坛、实验设备等管理功能。但是，不同公司软件架构会有差异，这也导致了一个学校的虚拟平台虚拟仿真实验教学平台，对另一个学校的和不同公司合作开发的虚拟仿真实验教学资源不能实现兼容和共享。虚拟仿真实验教学平台网站服务器往往托管于校园网，校内访问网站速度没问题，可是校外网站访问往往会受到影响，造成无法登录或是虚拟实验进行中卡顿，无法顺利进行。

2 解决对策

2.1 建立共享平台，制定共享机制

建议由相关管理部门建立全国虚拟仿真实验教学示范中心资源共享平台，各高校登录注册，在平台上，已建设的单位提供中心链接网址，并将已建设完成的虚拟仿真实验教学资源内容名称和简介进行展示，资源内容具备被查询功能，以便其他高校对全国现有已建成的虚拟仿真实验教学资源有所了解，杜绝重复资源建设现象。

高校之间可通过合作共享虚拟仿真实验教学资源，减少重复建设的同时，又提高自身资源的利用率，但是，这需要相关管理部门建立完善的共享管理机制，鼓励高校之间的互惠互享！

例如，海南大学的虚拟网络平台就是可进一步展开建设的开放性平台，因为虚拟实验不光是一项单纯的教学活动，还包括完整的实验网络教学管理体系，比如虚拟实验教学进度安排，教学讲义，学生作业提交，老师批改及师生教学互动，都需要通过此平台来完成。目前有许多开源式软件支持这项工作，比如Xenservere，NS3等[5-7]。

2.2 建设资源与平台兼容，便于二次开发

虚拟实验教学软件的制作需要专门的实验教师负责开发，包含实验教学内容、虚拟实验脚本撰写、制作方式(二维或三维)等工作，要完成制作投入运行需要花大量的时间精力，因为不同的高校有着不同的专业特色和教学要求，为了使虚拟实验内容更适合学生的培养目标，一定程度上需要定制式的制作，这需要学校、任课老师和制作公司的三方配合[5,8]。如果每个学校都以这样的方式去开发虚拟仿真实验教学资源，既增大了教师的工作量，虚拟实验制作的花费也增加，开发时间也增加，无形中造成资源的浪费。

如果各高校建设的中心网站平台和虚拟仿真实验教学资源具有统一行业标准，便于兼容其他高校可利用资源，通过共享机制，鼓励高校之间利用已有的虚拟仿真实验教学资源，再结合自身的教学特色和需求，在已建设的虚拟仿真实验教学资源上进行二次开发，改造成为符合本校本科教学的资源，构建“虚实结合”的实验教学体系，既避免了资源浪费，也是各高校虚拟仿真实验教学资源共享机制的有力支持。但是，这需要有关管理部门出台全面的共享机制政策，针对收费标准、行业标准、知识产权等方面做出明确规定，以便各高校虚拟仿真实验教学资源实施共享。

2.3 建设内容要有侧重点

生物类虚拟仿真实验的开发范围很广，例如，抽象的生命微观过程，系统宏观，典型材料解剖过程示范，生物信息学实验，不安全、昂贵的设备操作训练，受资源课时制约无法开设的实验，拓展教学空间突破障碍，破碎的知识点通过虚拟实验连贯系统知识等方面，使得生物虚拟仿真实验的建设内容具有多样，这就要求各高校在建设过程中，应利用优势资源和专业特色，兼顾教学特色和区域特色，结合本科教学要求，有针对性、有侧重点地开发具有高校自身专业特色的虚拟仿真实验教学资源。

在开发资源时,要充分调研一线实验教学教师的意见，确定虚拟仿真实验教学资源内容，更要考虑学生作为教学对象，哪种类型的虚拟实验教学资源是他们感兴趣的，哪种内容对他们的就业和发展有利，真正做到将人力物力用于传统实验不能完成的虚拟实验教学资源的开发制作。同时，要控制虚拟实验在实验教学中的比例，它是对传统实验室的辅助和补充，虚实结合，相辅相成，才能发挥各自的优势[9]。

四川大学生物科学与技术虚拟仿真实验教学中心，积极开发与学生就业贴近的虚拟仿真实验教学资源，建设的生物技术虚拟仿真实验室，侧重于生物制品和生物技术下游生产相关流程的虚拟仿真实验教学内容的开发，将产业背景介绍、生产流程、大型工业化设备虚拟操作等作为主要建设内容，成为生物技术专业学生企业综合实训课程的有力补充，既充分发挥虚拟实验教学的优点，又尽量避免它的虚拟化带来的不真实性体验，虚实结合，相互补充[10-12]。

同时，各高校应明确虚拟仿真实验教学中心后续建设发展方向，作为指导虚拟仿真实验教学资源建设的指南针，有侧重的开发资源，避免人力物力投入浪费。并且，思考怎样与自身实验教学体系结合，建立完善的虚拟实验教学评价体系，让虚拟仿真实验教学资源成为实验教学体系的有力补充，更好地发挥其优势互补的功能。

2.4 建设不断变化交互点的虚拟仿真实验教学资源

现在本科教学的对象是互联网信息时代下的95后，曾有软件公司针对学生感兴趣的虚拟仿真实验形式进行调查，给学生提供四种形式的虚拟仿真实验软件，分别是传统二维的Flash、三维虚拟仿真、标准化视频和三维虚拟结合智能VR.硬件(数字头盔和体感设备)，学生投票选择他们眼中感兴趣的虚拟仿真实验形式，结果显示对采用三维虚拟仿真方法制作的虚拟仿真实验和三维虚拟仿真结合智能VR.硬件感兴趣的同学占比较高，占74%和89%。

因此，对于虚拟仿真实验教学资源的开发不仅仅只是教师撰写脚本，软件公司制作，而是从确定内容、撰写实验脚本开始就让学生参与其中，开发学生感兴趣的内容和形式，做到以学生为本。还应考虑到同一个虚拟仿真实验教学软件，使学生有兴趣打开第三次，让学生保持新鲜感。这就要求开发的虚拟仿真实验必须设计不同的交互点，每次学生打开虚拟实验软件都有不断变化的交互点，起到强化各阶段知识点学习，保持学生的新鲜感，从而提高使用效率。

2.5 资源建设应考虑移动客户端使用需求

现代互联网技术的发展，学生接受教学的方式发生了很大变化，越来越多的信息学生倾向于从网络获得，因此，虚拟教学资源和平台的建设应充分考虑网络和APP移动设备的使用，高校在进行虚拟仿真实验教学中心网站的建设时，应与合作企业签订虚拟实验的操作界面、登录交互界面等都应该易于在智能手机及iPad(平板电脑)上操作(见图1)，便于学生随时随地登录网站，进行虚拟实验，提出问题和发布问题，教师和其他学生可随时交流和讨论，解决问题。实现学生随时随地访问虚拟教学资源，体验无处不在的学习乐趣，真正实现了虚拟教学资源的开放和共享，成为开放程度高、移动式的虚拟仿真实验教学中心。

图1 智能手机上的虚拟实验室界面

2.6 建成后的维护

虚拟仿真实验教学中心建成后，硬件的维护、软件的定期更新、教师学生的定期培训等都需要经费开支[5]，有些学校因为前期投入资金较大，导致后期维护困难，严重影响了教学效果。因此，在购买公司软件时，应尽量争取公司对后续的软件维护升级、人员培训等给予优惠，减少运营成本。同时，积极向学校争取经费和网络改造的投入，支持虚拟实验教学资源建设和后台服务器访问速度的提升。

3 建设服务型虚拟仿真实验教学示范中心

3.1 服务教学

虚拟仿真实验教学中心的建设和发展对未来高校信息化教学具有不可替代的作用，学生可以随时随地进入虚拟仿真实验教学中心平台，在虚拟实验室里，完成实验理论课前预习、实验相关仪器设备的操作训练、实验技能学习和工业化生产虚拟实践训练等。根据学校办学特色和学科专业特点，以虚拟仿真实验教学中心为基础平台，整合实验教学资源，促进教学与前沿科学研究成果的交流，实现科研成果与实验教学内容的有效对接，保证学生获取新颖全面的实验知识，并且，通过强大的虚拟仿真实验教学中心平台支持其他高校相关专业学生和用户共享虚拟仿真教学资源。

虚拟仿真实验教学资源具有经济性、灵活开放性、交互性、安全性、学科交叉性等诸多优点[10]，建立生物工程实用技术虚拟实验室：①为学生训练实验技能提供了教学平台；②又最大限度的节省了实验成本。在虚拟实验室里，学生可以自由地选做常规实验无法开设的实验内容。如在虚拟生化实验室里，学生可以做有机物、天然产物提取等实验[13]。还可以利用各种实验仪器器材和实验技术，组合和设计虚拟实验过程。在虚拟工厂化实训平台里，学生可操作大型工业化设备，了解生物制品的工厂化生产等。它的建设对于生物专业学生的实践训练有着重要的作用。同时，虚拟仿真实验与现实实验的有效结合，让虚拟仿真实验更好地服务于教学。

3.2 服务企业

虚拟仿真实验教学示范中心的建设可与合作企业签订虚拟实验教学资源共享协议，虚拟仿真实验教学资源可支持生物技术高新企业新员工培训课程，为员工技能培训和应急处理实训提供可行性服务。反之，通过员工使用和反馈意见，也可进一步完善和改进虚拟仿真实验教学资源开发，实现资源的可持续发展。通过与相关企业合作,架起校企联合、产学研结合的桥梁，构建教学、研发相结合的人才培养创新模式，为国家培养高质量的生物技术相关领域的复合应用型专门人才。为相关行业企业提供开放性、远程继续教育，立足服务于本院、本校和相关高等职业培训机构的高等教育资源[10,14]。同时，创建贴近生产实际的虚拟仿真实验教学软件，也可用于协同培养专业技术人才的新模式，为培养创新创业综合型生物技术人才创造有利环境和条件，实现学校和企业双赢。

4 结 语

生物类实验教学资源的信息化建设，体现了虚拟现实技术与实验教学过程的深度融合，开创了实验教学的新模式，是高校虚拟仿真实验教学中心建设的重要内容。它将推动高校实验教学示范中心信息化建设进入新的发展阶段，虚拟现实技术提供了全新的教学手段和学习场景，支持交互式合作学习，使学习成为乐趣，互联网虚拟现实技术充分支持并实现了因材施教和个性化学习，为生物的创新实践教育提供了全新的教学媒体。但是，它的建设和可持续发展策略还处于探索中，无论是虚拟仿真实验教学资源的开发，还是教师队伍、共享机制和管理体系等建设过程都会遇到很多意想不到的困难，这需要高校建设者们共同献计献策，在过程中汲取经验教训，共同创造可持续发展的实验教学改革有利氛围。

[1] 兰云贤,林 鹏,苏 军,等.动物营养学科本科实验课程体系构建与实践[J].沈阳农业大学学报(社会科学版),2013,15(1):83-87.

[2] 教育部办公厅.关于开展2015年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[EB/OL].[2015-06-04]. http://www.moe.edu.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201506/t20150618_190671.html.

[3] 北京市教育委员会.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心遴选推荐工作的通知. [EB/OL]. [2015-06-30]. http://zfxxgk.beijing.gov.cn/columns/63/5/604265.html.

[4] 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):5-7.

[5] 张 苹,杨海峰,丁 雷.理工类虚拟实验建设问题初探[J].亚太教育,2016(1):141.

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[7] 李昌国，张晓林，谭 良，等.基于GIS和VIRTOOLS技术的虚拟校园漫游开发方法的研究[J].计算机工程与设计,2007,28(13):3223-3226.

[8] Graham C. Emulation-Based Virtual Laboratories: A Low-Cost Alternative to Physical Experiments in Control Engineering Education[J]. IEEE TRANSACTION ON EDUCATION,2011,54(1):48-55.

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[14] 胡小强,何 玲,袁玖根.教育信息化背景下虚拟现实技术在继续教育中应用[J].继续教育,2006(11):57-58.

·名人名言·

知识是一座宝库，而实践则是开启宝库的钥匙。

——托马斯·富勒

Analysis of Existing Problems and Countermeasures of Construction of Virtual Simulation Experiment Teaching Center of Biology

WANGTian,WANGMaolin,LINHonghui

(Experimental Teaching Center of Biological Sciences, School of Life Science, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

With the development of digital technology, the informatization of experimental teaching resources becomes an important content of the construction of experimental teaching demonstration center, and virtual simulation experiment teaching center is an important carrier of information the open sharing of teaching resources undoubtedly. Using virtual reality technology, conventional experiments that cannot be open are transferred into virtual experiments, hence the technology becomes indispensable supplement of experiment teaching. This paper discusses the difficulties and problems in the process of the resources and platform construction in the virtual simulation experiment teaching center of biology. Combined with our construction experience, the paper also puts forward the countermeasures such as the platform compatibility with resources, resource sharing mechanism, the construction content characteristics and sustainable development, in order to provide reference and basis for construction and development of virtual simulation experiment teaching center.

virtual simulation experiment; sharing mechanism; teaching resources; construction experiences

2016-08-16

国家自然基金委四川大学生物学基地人才培养支撑条件(J1210013)；国家自然基金委四川大学国家生物学人才培养基地(J1103518)；高等学校本科教学质量与教学改革工程“专业综合改革”项目；四川大学新世纪教育教学改革工程(第七期)研究项目

王 甜(1981-)，女，布依族，贵州兴义人，硕士，实验师，研究方向为生物学实验教学。

Tel.：028-85413596，E-mail：wangtian0311@scu.edu.cn

林宏辉(1968-)，男，四川仁寿人，博士，教授，博士生导师，研究方向为植物代谢工程及逆境分子生理领域研究工作。

E-mail：hhlin@scu.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)03-0153-04