生物类虚拟仿真实验建设与探索

陈卉 魏淑东 王彩丽 陈莎 李进

摘 要：针对生物学科和虚拟仿真实验技术的特点，以虚拟仿真实验教学项目共享平台内生物科学类虚拟仿真实验为例，开展生物类虚拟仿真教学实验的建设情况和特点分析，探讨在实验室课堂如何利用优质线上资源。本研究将为建设虚拟仿真实验课程，有效利用国家虚拟仿真教学实验资源开展互联网+实验室的混合式学习提供一定的参考。

关键词：生物学;实验课程;虚拟仿真;混合式学习

1 绪论

教育部在《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》（教高〔2012〕4号）中明确要求“建设优质教育资源共享体系”，在《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》明确提出，“要建设虚拟实验室”“把教育信息化作为国家信息化的战略重点和优先领域全面部署、加快实施”。同时，教育部办公厅也于2017年发布了2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学項目建设通知。目前已在虚拟仿真实验教学项目共享平台已上线的虚拟仿真实验项目有2057项。生物学是自然科学中实验性很强的基础学科。然而，传统生物学实验教学在开展过程中存在危险性、成本高、周期长等问题。已发现虚拟仿真实验技术在生物学、医学、等领域具有良好的推广应用前景，它可用于弥补传统实验课程的不足。因此，本文针对生物学科和虚拟仿真实验技术的特点，以生物科学类虚拟仿真实验为例，开展了生物类虚拟仿真教学实验的建设情况和特点分析，将为今后建设虚拟仿真实验课程，并有效利用国家虚拟仿真教学实验资源，开展互联网+实验室的混合式学习提供一定的理论参考。

2 生物学实验教学的特点

2.1 生物学的学科特点

生物学是研究生物结构、功能、发生和发展规律的科学，它也是自然科学中实验性很强的基础学科之一。在生物学教学过程中，需要通过实验教学，让学生理解基本概念、原理、基础专业知识，同时锻炼学生的动手能力、观察能力和实践创新能力。实验教学是帮助学生理解理论知识，培养动手能力、观察能力和创新实践能力的重要途径。因此，实验教学质量的好坏，成为衡量生物学人才培养质量高低的重要指标。

2.2 传统生物学实验教学的特点

实验教学是生物学专业教育中必不可少的重要环节。然而，传统生物学实验教学存在以下几个方面的问题：（1）危险性高：生物学实验中的显色剂、提取试剂、流动相等的毒性较大，且大型仪器一般涉及有毒、易燃、易爆危险气体。（2）成本高：稀缺实验资源、大型实验仪器设备、配件、耗材、维护等费用高。（3）大规模实体实验课程开设受限制：有些实验周期长，大型仪器设备人均台数不足，实验操作要求精细。（4）实验项目以验证性实验为主，无法满足学生自主实验和创新实践的要求。

3 虚拟仿真实验技术的特点

3.1 虚拟仿真实验技术的特点

虚拟仿真实验技术是一种基于真实环境和真实用户体验的技术手段，通过计算机等硬件和软件可以用于辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节。目前，已发现在生物学、医学等领域具有良好的推广应用前景。随着虚拟仿真技术的发展，也有越来越多的高校和研究院所建立了虚拟仿真实验室，采用互联网+实验室的方式来辅助实验教学。

3.2 虚拟仿真实验技术对传统实验课的补充

首先，虚拟仿真实验技术能够通过虚拟仿真进行安全培训、实验预习、大型仪器演示等以提高学生的操作技能，提高实体实验的安全性。其次，虚拟实验可以减少实验材料的浪费，节约成本。最后，可通过虚拟仿真开设周期长、难度大实验。此外，虚拟仿真实验可以满足学生的个性化学习，能够支持探究性学习和小组合作学习，丰富实验课程的教学形式。可见，虚拟仿真实验能够有效地弥补传统实验教学中的不足，是传统生物学实验教与学方式的革新和发展。

4 实验空间生物类虚拟仿真实验建设情况

4.1 国家虚拟仿真实验教学平台的特点

实验空间，即国家虚拟仿真实验教学项目共享平台，是国家虚拟仿真实验教学项目共享服务体系建设支撑平台。国家虚拟仿真实验教学项目共享平台涵盖的学科全面，专业类型丰富，而且覆盖了各个层次的高校。所有访问者都可以进入实验空间内的各项虚拟仿真实验，浏览、学习、测验、评价等。

4.2 生物科学类虚拟仿真实验课程建设情况

2017—2020年示范性虚拟仿真实验教学项目建设规划建设1000门，目前，在实验空间已建设的虚拟仿真实验教学课程达2057门。在已建设虚拟仿真实验教学课程的专业中，医学技术类、化学类、土木类、交通运输类虚拟仿真实验教学课程建设数为规划数的6倍。生物科学类虚拟仿真实验教学课程规划建设30门，截至2020年11月，实际已建设73门。进一步按照专业分类，生物科学专业相关虚拟仿真课程最多，共44门，占生物科学类总数的60%，其次为生物技术专业和生态学专业，分别有24门（33%）和5门（7%）课程（图1）。

4.3 生物科学类虚拟仿真实验课程使用情况

虚拟仿真实验教学共享平台上线的生物科学类虚拟仿真课程总浏览量达790556人次，平均达10980人次（图2）。其中，浏览人数超过4万人的课程，包括暨南大学开设的《滨海动物野外实习虚拟仿真》实验（48553人次）和河南师范大学开设的《淀粉酶高产菌的筛选、诱变鉴定及应用虚拟仿真实验教学项目》（45411人次）。在生物科学类课程中，浏览人数超过3万人的课程，还有河南大学开设的《动物细胞培养》（34180人次）和山东大学开设的《黄河三角洲湿地生态系统演替与修复实验》（33635人次）。

5 结语

在生物学专业教育中，实验教学是必不可少的重要环节之一，它有助于学生理解理论知识，并将其与实践结合。然而，传统的生物学实验教学或课堂在开展过程中存在危险性、成本高、周期长等问题。生物学虚拟仿真实验可用于弥补上述传统实验课程的不足。目前已上线了非常丰富的生物科学类虚拟仿真实验课程，应在分析这些线上实验课程教学平台的基础上，针对本校生物学科教学体系特点，构架适用于本校生物学实验的虚拟仿真实验教学体系，选取仿真实验教学资源，为适合本校平台的生物学实验虚拟仿真实验平台的建设提出科学依据。此外，也应充分利用好已有线上平台的优质虚拟仿真教学资源，开展“互联网+实验室”的混合教学模式探索。通过虚拟仿真实验直观、系统地讲解理论知识和操作实验步骤，结合线下的理论教学和实验室操作进一步巩固所学原理和实验操作，以提高学生的兴趣和时间利用效率。同时，这将为提高实验教学质量，激发学生的自主学习能力和创新实践能力提供新方式，也为改进生物学实验教学方式，提供一定的帮助和参考。

参考文献：

[1]龚思颖，陈晓婷，张金菊，等.生物类虚拟仿真实验教学资源的建设与发展[J].实验技术与管理，2019，36（9）：176-180.

[2]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）：171-173.

[3]王甜，王茂林，林宏辉.生物类虚拟仿真实验教学中心建设中的问题与对策[J].实验室研究与探索，2017，36（3）：153-156，163.

[4]贺占魁，黄涛.虚拟仿真实验教学项目建设探索[J].实验技术与管理，2018，（2）：108-111，116.

[5]何克抗.21世纪新兴信息技术对教育深化改革的重大影响[J].中国现代教育装备，2018，296（16）：5-11.

[6]关于印发《教育信息化2.0行动计划》的通知：教技[2018].6号.教育部.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201804/t 20180425334188.html.2018.

[7]教育部关于印发《教育信息化十年发展规划[2011—2020年]》的通知：教技[2012].5号.教育部.http：//old.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3342/201203/133322.html.2012.

[8]关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知：教高厅[2017].4号.教育部办公厅.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201707/t20170721309819.html.2017.

基金项目：全国高校实验室工作研究会农业高校分会研究项目（NYSY1920）;长江大学教学研究项目（JY2018007）;长江大学课程思政示范建设项目和湖北省高等学校实验室工作研究会项目（HBSY2019-03）

作者简介：陈卉（1986— ），女，福建南平人，博士，副教授，现任职于长江大学生命科学学院，主要研究方向为湿地生态学。