生物工程专业虚拟仿真实验教学资源建设思路探讨

李由然 李江华

摘  要 在“互联网+”时代，各项技术的发展给生物工程专业实验教学的教学方法、课堂模式、学习支持、教学资源、教学评价等带来多方面的改变，各项虚拟仿真实验在现代技术的帮助下有了质的改善，无论是实验的仿真程度，还是教学资源的信息化水平，都有了很大的提升。基于当前技术不断发展的社会背景，对优化生物工程专业仿真实验教学的意义和方法进行探索。

关键词 生物工程专业;虚拟仿真实验;教学资源;信息化教学;实践基地;发酵工程;微生物工程;生物工程下游技术

中图分类号：G642    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2020）22-0045-03

1 引言

生物工程专业是一门十分重视实验探索的学科，仿真实验教学是帮助学生掌握好专业知识、对知识和发现进行验证的重要教学模式。当前，在高校的生物工程专业的教学体系安排方面，实验课的比例为30%～50%。到2016年在中国已经建成的国家重点实验室中，生物实验室的占比已经达到23%，生物工程专业虚拟仿真实验的效果将会直接影响学生的学习效果和整个学科的教学水平。现代信息技术的发展给生物工程专业的学习发展带来许多积极影响，虚拟仿真实验要利用好技术发展的优势，不断提高实验教学的信息化水平，从而更好地服务于学科发展和产业发展。在新时代，高校要坚持对生物工程专业虚拟仿真实验的教学资源进行优化。

2 生物工程专业虚拟仿真实验教学资源建设的意义

顺应“互联网+”时代发展  “互联网+”社会最明显的特點就是各项现代信息技术的发展和涌现，以大数据、云计算和物联网为代表的现代信息技术为新时代的教育改革提供了技术上的支撑和保障，同时推动了新一轮科技的发展和产业的创新。党的十九大报告中强调了顺应科技发展、实施教育改革的重要性，要求各高校不断增强培养高素质人才的理念，并将信息技术与教育结合起来，帮助学生掌握更多知识和技能。

开展生物工程虚拟仿真实验教学资源建设就是顺应“互联网+”时代发展，实现教育信息化发展的重要举措。如在2013—2015年的两年间，教育部建设了一批具有代表性的生物类虚拟仿真国家重点实验室，对生物工程专业的实验项目和相关的实验教学内容、教学技术运用等都作出新突破，是在新的教育局势和产业发展环境中作出的正确选择。虚拟仿真实验教学在培养大学生专业能力、促进对学科优质资源的建设和运用、确保学科实验教学项目与信息技术实现深度融合方面，都发挥了重要作用，是信息化教育改革的重点内容。

适应现代生命科学高速发展  在信息技术不断发展的同时，经济社会也有了新变化，互联网时代的市场竞争以技术竞争为主，现代生命科学已经实现高速发展，在此情况下为了提升我国教育体系中生物工程学科的专业水平和生物类产业的竞争力，加强虚拟仿真实验教学具有现实必要性。建设虚拟仿真实验资源是在人才培养目标指引下，以实际教学中存在的问题和产业发展的需求为导向，对生物虚拟仿真实验室、教学中心和实践基地、教育平台等各项教学资源进行整合，在国家和社会的支持下开展的活动，能够满足现代生命科学高速发展对实验的高要求，从而实现技术和资源的互补，帮助学科发展。如针对微生物学、生物化学等生物工程专业中的具体学科，虚拟仿真实验能够通过信息技术建立虚拟实验模型，并对各项数据和现象进行深入分析和研究，从而获得真知，促进产业的发展和技术的创新。

解决真实实验制约因素  实践出真知，生物工程专业涉及各项生物学科，需要在具体的实验中对知识进行验证，得出一定的科学结论，并应用到具体的产业实践中。但是在真实的实验环境中，由于受到材料质量、外部环境和实验设备、实验操作人员的素质等各项因素的影响，生物实验存在一定的偏差，在技术和操作上不如虚拟仿真实验精确。加大对生物工程虚拟仿真实验教学资源建设的力度，这种信息化教学和实验的模式能够充分发挥现代信息技术的优势，既提升实验的准确度和针对性，又实现生物工程学科的现代化教学。

如在进行生物学野外实习项目时，由于受到地域和实践的限制，部分生物工程专业的学生难以亲自去到具体的自然环境中，不能从实践中获得第一经验，建设虚拟仿真实验教学资源库则解决了这一问题。如南京农业大学的虚拟仿真实验教学中心就建立了相关的资源项目，通过运用VR、航拍和WebGL等技术，收集了大量的生态环境和动植物图片、植物群落的调查信息和显微结构等，通过创建相关的资源平台并上传信息，学生能够克服时间与空间的限制，实现自主学习。这种技术实现了学科的信息化发展，为学生提供了更丰富的学习资源，解决了真实实验和实践的制约因素。

3 生物工程专业虚拟仿真实验教学资源建设思路

发酵工程设备虚拟仿真实验教学资源建设  在生物工程专业学科的现代化发展中，借助现代计算机和网络技术对虚拟仿真实验教学进行优化，能够充分满足生物学科和相关产业的信息化与工业化发展需求。在针对发酵工程这一课程的虚拟仿真实验教学进行优化时，要从教学计划的安排、教学单元内容的制定和授课模式、设备利用等多个方面开展。首先为了帮助学生在充分掌握基础知识的前提下进行实验操作，教学计划应当包含对相关实验技术和工艺流程的介绍，从而让学生在具备一定知识基础的情况下参与仿真实验教学。以青霉素的发酵工艺为例，学生应当掌握基础的青霉素生产工艺，如图1所示。

而在课程内容安排方面，可依照虚拟仿真实验的对象和具体的工艺流程安排具体的虚拟仿真实验教学，如按照青霉素的生产工艺设计单元内容。为了顺利开展仿真实验，教师在授课模式上要积极创新，充分利用现代信息技术和资源为生物工程专业的学生创设一个适合的情境，模拟和创设与实验场景相似的环境和环节，帮助学生理解知识。同时，要积极运用各项设备，为学生创造良好的虚拟仿真设备。如利用多媒体课件和电子软件教材来让学生在虚拟条件下开展学习，同时要利用好VR技术、大数据技术等收集具体的信息资源，为学生提供能够充分了解发酵工艺和技术的虚拟仿真环境，让学生在信息平台上获取更多的有效信息。

微生物工程虚拟仿真实验教学资源建设  微生物工程是生物工程的重要部分，在开展生物工程虚拟仿真实验教学资源建设活动时，针对微生物工程的资源建设要充分顺应学科特点和发展局势，依托自身的优势和特色，结合现有的教学资源和现有的实践基地、信息平台等来开展。首先，高校可以充分发挥自身的学科优势来开展虚拟仿真教学。如华中农业大学依托学科和产业优势，针对水稻设计了“水稻遗传转化虚拟仿真实验项目”，从现有的转基因水稻研究技术入手，结合当前的学科成果对水稻愈伤组织的诱导和继代、农杆菌的侵染和共培养等技术进行展示，使得学生能够通过虚拟仿真实验教学来学习更多有关水稻的知识。同时，许多高校为了开展好生物工程学科的教学和产业化研究，建设了相应的实践基地，针对现有的实践基地要做好改革创新，为虚拟仿真实验教学提供支持。

生物学科需要对实物进行研究，但是受到地区和时间、生态环境差异的影响，许多学生难以获得适宜的生物实验材料。为此，高校可以利用现代信息技术来为学生创建一个虚拟的场景，帮助学生获取更多信息。如利用VR技术，以3D动画的形式全方位地展现植株的特点，同时基于真实场景创建一个新的虚拟場景，让学生通过网络工具就能了解植物的植株信息、生长环境等。

生物工程下游技术虚拟仿真资源建设  生物工程专业不仅是一门帮助学生学习和掌握更多生物知识的学科，更是促进产业创新发展的重要保障。针对生物工程下游技术的虚拟仿真资源建设应当坚持以学生为主体，以“互联网+”为依托，不断优化生物工程下游技术课程的教学方法和模式，帮助学生参与创新创业活动。首先，高校要坚持在创新创业理念的指引下合理设置课程目标，围绕生物工程专业，坚持以学生为中心开展建设工作。如将学科建设和产业发展结合起来，鼓励学生参与具体的产业创新活动，促进生物工程学科的产业化、工业化发展。同时，要坚持运用互联网技术，加强对网络教学资源平台的建设。学校可以建立一个信息资源平台，并上传各类教学资源，丰富生物工程虚拟仿真教学的课堂模式，通过定期的检查和考核，学生的学习成果也能及时反馈到学校管理部门。另外，通过发展网络教学平台，引入相关企业，能够帮助学生将自己的创新成果进行产业变现，发挥生物工程学科知识的产业价值。

4 建设成效与评价

针对生物工程专业虚拟仿真实验教学进行资源建设，顺应了生物工程专业的学科特点和当前信息技术不断发展的趋势，是提升学生知识水平、实践能力和产业发展水平的重要措施。本文针对发酵工程、微生物工程和生物工程下游技术等三大生物工程专业重要课程的虚拟仿真实验教学资源建设进行了研究，获得一定认识，并提出具体的建议和实施策略。当前这些资源建设策略还存在一定的瑕疵，但在生物工程专业的信息化发展和生物产业的优化发展方面发挥了一定的作用。

5 结论

加强对生物工程虚拟仿真教学资源的建设是顺应时代发展、促进学科优化的重要措施。将现代信息技术与教学资源建设有机结合，不仅可为生物工程专业的学生提供更现代的学习环境和资源支持，更促进了生物工程虚拟仿真实验的信息化、工业化和产业化发展，有利于将知识变现，创造经济价值，从而为生物工程专业学科的可持续发展注入更多活力。未来，高校和相关的专家教授应当联合起来，不断优化虚拟仿真资源，促进生物工程在学科建设和产业发展方面获得更大进步。■

参考文献

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