生物类虚拟仿真实验教学中心可持续发展模式研究

张 彪, 黄金林, 张惠芹, 周 俊, 王爱勤, 魏万红, 杜 坤, 潘志明

(1. 扬州大学 生物科学与技术学院, 江苏 扬州 2250092. 扬州大学 实验室与设备管理处,江苏 扬州 225009)

教育部在《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》中明确指出,虚拟仿真中心建设工作要坚持“科学规划、资源共享、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想,通过信息化实验教学资源的建设,来实现学科专业与信息技术的深度融合,通过优质实验教学资源的共享,来提高学生的创新精神和实践能力[1-7]。

我校虚拟仿真资源建设起步于1999年开始的玻片标本“数字化”制作,2012年依托国家级生物科学与技术实验教学示范中心,成立了生物科学与技术虚拟仿真实验教学中心(以下简称中心)。多年来,中心通过对人财物等实验教学资源的一体化配置与管理,持续推进实验教学信息化建设,建成一批虚拟仿真实验教学资源及共享平台,并以此为基础形成了虚实互补的实验教学模式、虚拟仿真实验教学资源与共享机制[8]。中心2015年获批为国家级虚拟仿真实验教学中心,2017年“兔的形态结构与功能虚拟仿真实验”被认定为首批国家级虚拟仿真实验项目[9]。

1 中心可持续发展模式研究的必要性

虚拟仿真实验教学中心是高等教育信息化和实验教学示范中心建设的重要内容,是学科教学与信息技术深度融合的产物,是实验教学改革的方向,其重点是建设数字化实验教学资源[10]。从中心建设经验来看,目前从事生物学实验教学的教师,其信息技术素养远未达到开发高度仿真实验教学资源的要求,而从事虚拟仿真实验教学资源开发的信息技术从业人员,又多不具备生物学专业知识,从而使相关虚拟仿真实验项目的研发与应用工作事倍功半。为此,在国家级虚拟仿真实验教学中心和江苏省虚拟仿真实验教学共享平台建设过程中,以优质数字化实验教学资源的研发与应用为目标,通过对包括资源、平台、队伍和制度等内容的建设模式的研究,实现中心可持续发展。

2 建设理念与思路

中心按照“厚基础、宽口径、强能力、扬个性、求创新”的人才培养要求,以专业培养方案、实验教学大纲为准绳,以信息技术与现代教育技术为载体,以数字化实验教学要素资源与共享平台建设为抓手,以优质实验教学资源的开放与共享为目标,提出了“积为教用、虚为实用、虚实互补、提升实效”的虚拟仿真实验教学中心建设思路[11],逐步形成了“以学生为本,以能力培养为核心,充分发挥数字化实验教学资源的共享优势,通过实施虚实结合的实验教学模式和形成性实验考核体系,系统地培养学生的实验技能、科学思维和创新能力”的虚拟仿真实验教学理念。

3 建设内容

3.1 选聘3类人员,建构虚拟仿真实验教学队伍

在互联网+时代,在多媒体、三维建模、虚拟现实、人机交互、数据库和网络通信等信息技术广泛应用于生物学研究的背景下,无论是生物学实验教师，还是信息技术从业人员,要求他们独自构建高度仿真的生物学虚拟实验环境和实验对象,实现实验教学项目的吸引力和教学有效度,既勉为其难[12],也得不偿失。为此,我们在开展数字化实验教学资源建设时,秉承“让专业的人做专业的事”的原则,依据拟研发的虚拟仿真实验教学项目建设内容,采用内选与外聘相结合的方式来组建项目研发队伍,并按照工作职责,将其分为主攻方向各有侧重的3个部分, 即:负责虚拟仿真实验项目架构设计、脚本编写和教学应用的专兼职实验教师队伍；负责虚拟仿真实验项目制作协调沟通、质量监控、资源管理的实验技术人员队伍；负责虚拟仿真实验项目运行控制平台程序设计、数字化实验素材制作、虚拟仿真实验教学系统在线维护的外聘信息技术从业人员队伍。

通过“选聘、内培、外引”方式建设3支队伍, 既能使三维建模、虚拟现实、人机交互等信息技术的最新研究成果,在数字化实验教学资源建设中得到快速、有效的应用,又能通过可视化、透视化、整合化的虚拟仿真资源,解决以往由于高危、微观抽象[13]、不可见等,而使部分实验项目不能或不易完整开展的问题,为相关实验教学资源效用“最大化”的实现提供“智力”保障。

3.2 借助3类设备,构建虚拟仿真实验教学资源建设体系

借助计算机、智能手机、数据头盔等设备,创建高度仿真的虚拟实验教学环境和实验对象,即可为以往实体实验教学中不能、不易或不能完全开展的实验项目或内容的顺利实施提供有效载体与平台,还可为本科生接触原本很难接触到的大型仪器、进入原本很难进入的科研生产训练场所提供载体与平台。在开展数字化实验教学资源建设时,始终坚持以实用为导向,聚焦科学技术的发展对实验教学组织形式和资源媒介表现形式所带来的变革,关注生物学相关专业与学科发展对实验教学内容所带来的变化,注重信息技术与生物学实验教学的融合发展。经过多年递进式建设与实践,建成了包括可基于“固定(PC、头盔等)、移动(智能手机、平板等)”网络终端设备进行访问的生物学“形态与结构、组分与功能、设备与技能”虚拟仿真实验教学资源,以及具有对上述数字化资源进行在线运行、配置、管理及在线仿真学习、实验考核、预约实验、提交实验报告、开放性实验、师生交流等教学功能在内的生物学实验课程(群)在线教学(学习)平台,形成了一个平台、两类终端、三大模块的虚拟仿真实践教学资源建设体系(见图1)。既保证了相关实验项目“完整、高效、绿色、环保”地开出,又增加了学生对相关知识、技能、技术的了解与掌握；既丰富了学生的阅历,又提升了学生整合知识、寻找规律和解决问题的能力,实现了优质实践教学资源的开放与共享。

3.3 修订3类章程,构建虚拟仿真实验教学管理体系

实现虚拟仿真实验教学对学生能力系统形成效用的提升,一是要有丰富的虚拟仿真实验教学资源,二是要有确保各类虚拟仿真教学资源在实验教学中得到有效应用的软硬条件。为此,中心以虚拟仿真实验教学资源的研发、开放共享和充分使用为目标,以各类人员在虚拟仿真实验教学中的角色定位和自我发展需求为抓手,通过对中心各类人员奖惩措施、建设经费配置方案、实验教学中心运行规章制度的修订与调整,形成了较为完善的虚拟仿真实验教学管理体系,为中心规范化管理、科学化建设、高效化运行提供了制度保障。对虚拟仿真资源的使用者(学生),通过教学计划修订,将对虚拟仿真资源的在线学习,计入实验课程或项目评价总成绩,并以此构建覆盖实验“预习、实施、复习”全过程的形成性考核评价指标体系,既解决了以往学生在进入实验室前对相关仪器设备与实验技术操作流程感性认识不足的问题,又提升了虚拟仿真资源在学生能力系统形成过程中的效用。对虚拟仿真资源的研发者与管理者(教师、实验技术人员、信息技术从业人员),以“有偿服务,产权归我,利益分享”为原则,通过虚拟仿真实验教学资源建设的“投入、产出、分成”奖惩措施,既调动了投身虚拟仿真资源建设的积极性,又提升了虚拟仿真资源建设的优质产出率及应用的高效运转率。

4 建设成效

图1 虚拟仿真实验教学资源建设体系

4.1 建成了丰富的虚拟仿真实践教学资源和功能强大的在线共享平台

经过多年递进式建设与实践,目前中心已建成的生物学实验课程(群)在线教学平台包括学生、教师、管理员、访客4个功能区,内含数字切片900余套、虚拟标本800余套、虚拟仪器设备20个、生物发育和生理功能动画60余套、3D/2D虚拟实验6个、仪器设备与实验技术微(课)视频50余部、网络多媒体课件3部、在线考核题库15套和辅助资源2 000余个。用户借助PC机、智能手机等设备访问该平台,可实现在线信息发布、实验预习与复习、虚拟仿真操作、预约选课、实验考核、报告提交、问题讨论、师生互动以及虚拟仿真实验教学资源管理与配置、教学档案归档等教学功能。

4.2 搭建了以虚辅实的实践教学平台

中心注重软件与硬件的协同配套建设,经过多年努力,形成了以教学实验室(课程教学实验室、科技创新实验室)为基础、以创新实验室(科研实验室与实习实训基地、生物生长空间)为拓展、以虚拟实验室(生物学实验课程群在线教学平台)为辅助的以虚辅实的实践教学平台(见图2)。

图2 以虚辅实实践教学平台

该平台拓展了实验教学空间,也为各实验课程制订个性化的“虚实互补”实验教学运行方案创造了条件,提高了实验教学效果,提升了学生的实践创新能力。

4.3 形成了虚实结合的实验教学运行模式

依托以虚辅实实践教学平台,围绕学生专业技能综合训练和创新能力培养,通过虚拟实验教学资源与实体实验教学资源的协同应用,建立了与不同实验项目类型和教学内容相适应的实施流程、实验方式和教学方案,形成了虚实结合的实践教学运行模式(见图3),确保各类实验项目完整、安全、绿色、高效开出。

4.4 构建了过程与结果并重的实验教学考核体系

实验教学考核以覆盖实验教学全过程为导向,以虚拟实验室、教学实验室和创新实验室为考场,以实验预习、实验过程、实验结果、知识整合、应用与拓展等为主要考核内容,建立了过程与结果并重的实验教学考核体系。在虚拟实验室全天候开展偏重结果的实验预习、实验学习效果的在线考核；在教学实验室定时开展偏重过程的基本技能、实验过程、实验结果(报告)的实体考核；在创新实验室开展过程与结果并重的知识整合与应用、综合实验技能等方面的考核,实现了对考核过程的全覆盖。

图3 虚实结合的实践教学运作模式

5 结语

推进生物类虚拟仿真实验教学资源建设、应用和推广是虚拟仿真实验教学中心可持续发展的重要途径和根本动力。而对智力、精力、财力都需要较大投入的中心建设来说,人是基础,钱是保障,制度与规划是关键。因为只有按章办事,才能将中心有限的人和钱进行统筹调配,才能避免由本位主义而产生人人争财和等待观望现象,并避免由此导致的中心建设低水平重复问题,才能通过人的主观能动性提升来实现优质虚拟仿真资源的产出率和使用率,并最终通过虚实结合实验教学模式的实施,确保相关实验项目完整、高效、绿色、环保地开出。