生物材料虚拟仿真实验建设的探索与实践

李慧丽，廖成竹★，田颜清

（南方科技大学材料科学与工程系省级实验教学中心，广东 深圳 518000）

0 引言

生物材料，又称生物医用材料，该学科的一个鲜明特点是材料科学、生命科学和医学、力学等的多学科交叉与融合，而实践性强是生物材料的另一个鲜明特点。实践教学是培养具有创新意识的高素质工程技术人员及卓越人才的重要手段，是理论联系实际、激发学生探索欲望、获得正确思维、技能训练和灵活运用知识并通往科研和工作的桥梁[1]。鉴于生物材料的多学科交叉特点，开设综合性实验更为适合实验教学。综合性实验难度大、时间长、学科跨度大，部分实验学生难以独立操作，学生完成综合性实验也需要花费更多的经历和时间。传统线下实验教学模式虽然能够让学生自己动手进行实验，但在有限的学时和学生被动学习状态下，难以达到最佳教学效果。

虚拟仿真实验教学依托于网络通讯、多媒体交互操作等信息技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象并且还原实验过程。在虚拟环境中开展实验，可以完成在现实中无法完成或者无法达到预期目标的实验内容，以及在有限学时内无法完成的实验项目。虚拟仿真实验教学在教育教学领域得到越来越多的应用，是教育信息化的重要手段[2]。虚拟仿真实验教学具有效率高、可扩展性强、操作安全、高度开放和资源共享等特点[3]。通过学习虚拟仿真实验，学生能够将实际中难以完成以及时间跨度长的实验在虚拟仿真实验完成，弥补教学实践的缺点。同时虚拟仿真实验不受时间和空间限制的特点，能够让学生随时随地学习，从而达到实验预习、课后巩固复习的目的，结合线下教学实践，“虚实结合”的方式能够大大提高学生的学习效果。

1 生物材料教学实验现有的问题和不足

生物材料教学实验线下教学体系进过几年建设，已经形成相对成熟的综合实验体系。目前，生物材料实验是典型的综合性实验，实验设计了材料“合成-制备-表征-性能”的全流程实验，实验内容涉及了化学、材料学、生物学等学科的知识，学科交叉融合，实验目的是培养学生跨学科学习和实践的综合能力，分析解决材料“结构设计-性能-应用”的复杂工程问题的能力，进而培养创新型“新工科”人才。实验经过不断的教学实践，通过学生的学习反馈，不断调整改革，目前，仍有某些问题需要解决，如：（1）部分实验项目无法实现。如在生物材料中需要培养人成骨细胞进行相关生物学表征，人成骨细胞需要经过人成骨组织提取，培养至所需细胞密度之后进行实验操作。在本实验中，人体成骨组织来源受限，成骨细胞分离技术难度较大，并且培养时间较长，一旦出现污染等问题实验不能重复。以上诸多原因造成该实验项目学生基本不能在实验教学中完成。（2）部分实验时间跨度过长：如实验项目药物合成实验，需要进行药物释放表征。药物释放实验需要每隔一段时间对样品取样，对于释放缓慢的药物时间可能长达10-15天，实验时间跨度过长。而通过开设虚拟仿真实验，利用虚拟仿真技术可以完成实际无法进行的实验，并且减少实验材料和贵重试剂的浪费，节约教学成本。其次，可通过虚拟仿真开设周期长、难度大的实验。因此，虚拟仿真实验能够有效地弥补传生物材料实验教学中的不足，是达到教学预期目标的有效手段[4]。

2 建设生物材料虚拟仿真实验的必要性

2.1 避免高危性实验操作

部分实验项目如羟基磷灰石合成涉及到高温高压反应釜操作实验，危险性大。同时高分子复合材料制备过程使用了高分子加工成型设备，实验在高温环境下操作，具有一定的危险性。虚拟仿真项目能有效地解决实验操作具有危险性的问题。

2.2 实验场地限制，实验操作成本高

部分实验项目涉及细胞提取、培养和细胞活性评价，相关实验均在细胞洁净室里进行，大部分普通高校的材料专业方向，细胞实验室场地缺乏或空间有限。而且细胞相关实验试剂有效期短，价格昂贵，实验耗材为一次性灭菌使用，实验成本高。虚拟仿真实验能有效解决因场地缺乏和实验操作成本高带来的困境。

2.3 生物细胞实验的特殊性

细胞培养技术原理复杂，知识点深奥难懂，材料专业学生掌握起来难度大，同时细胞培养实验操作要求高，耗时长，所占学时长，而且实验过程细胞极易染菌，实验失败率高。通过反复多次的虚拟仿真实验的训练可以提升学生的操作技能，提高实验的成功率。

2.4 实验资源匮乏

精密贵重仪器台套数少，如扫描电镜SEM、X射线衍射XRD。学生需分组完成，等待时间长，或需配备额外的实验教师同时进行不同贵重仪器的辅导。虚拟仿真项目能有效地解决因实验设备数量有限而带来的学生有效学习时间短的问题。

3 虚拟仿真实验建设措施和内容

3.1 虚拟仿真实验依托平台

线上教学取得成功需要依托可靠平台，材料科学与工程系教学实验平台为我系独立建设管理的平台，已经于2019上半年开始上线运行，现有实验教学模块包含实验微课模块、虚拟仿真实验模块、学习测评模块等。学生线上学习及交流互动以及测评数据被有效的整合记录，该平台是实现虚拟仿真实验教学的关键。

3.2 虚拟仿真实验建设内容

生物材料实验系统构建的虚拟仿真实验环境，全方位展示现有的综合实验体系。实验设计了按照 “合成-制备-表征-性能”的要求设计了全流程模块式实验[5]。目前生物材料包含三个综合性实验，每个实验由3-4个实验模块构成。如载银活性炭复合材料的制备与表征实验包含载银活性炭复合材料的制备、SEM观察表征复合材料、大肠杆菌抗菌实验检验复合材料功能。人工骨生物复合材料制备与表征实验包含nHA的水热合成及结构表征、人工骨生物复合材料的加工及制备、细胞提取、培养和生物相容性评价等实验模块（图1）。

图1 实验模块结构图

依托虚拟仿真实验教学项目，让学生切身体会到生物医用材料的全流程综合实验的体验，结合软件的自动评分体系，让学生能够直观得到实验效果，有效降低了材料专业学生学习跨学科实验操作的畏难情绪，调动了学生参与生物材料实验教学的主动性和积极性，大大地激发了学生的学习兴趣和潜能，推进了全流程综合实验设计的教学方法的普遍应用。

模块化的虚拟实验设计，让学生可以自主选择按实验顺序完成全流程实验，亦可以选择难度大、易犯错的实验场景重复练习并参与考评，练习过程中设置了大量的选择题供学生思考，学生参与自主分析实验结果，有效培养新工科学生解决复杂问题的综合能力和高阶思维。

4 虚拟仿真实验的实践

本实验采用线上线下混合教学模式进行实验教学，其中线上虚拟仿真实验共13学时，线下实操实验51学时，共64学时，具体实验过程可分为课前、课中、课后三个阶段，详细过程如下：

4.1 课前

课前阶段进行线上虚拟仿真实验教学。教师在实验教学平台上发布预习任务，学生登录网站根据预习任务进行课前虚拟实验，遇到问题可以与教师及时沟通交流。课前属于自主学习，并以此取代传统的预习报告模式，有利于学生在自主学习过程中主动发现问题，减少课堂实验失误的概率，有利于教师有目的、针对性教学。学生完成虚拟实验后可以在线生成实验报告，线上实验报告区别于线下实验报告，主要评定学生进行虚拟仿真实验的成绩，属于预习成绩，占比20%。

4.2 课中

课中阶段进行线下实操实验教学过程。经过课前虚拟实验预习，学生已经对实验原理、实验目的和实验内容有了初步认识，教师无需花费大量时间重复实验原理、实验步骤等相关内容，将更多的时间安排在回答学生自主学习时发现的问题，有目的、有侧重地进行互动讨论式教学，实现“以学生为主体，教师为引导”的课堂模式。而对于人成骨细胞的提取及培养实验，通过虚拟仿真实验“以虚代实”，可以完成现实中无法完成的实验。

4.3 课后

课后进行线上虚拟和线下实操实验总结。学生在总结实验过程中，如对实验过程不清楚，还可以反复进行虚拟实验，巩固实验学习，提升教学效果。在此基础上分析实验结果，完成线下实验报告。

5 课程考核及评价

5.1 虚拟仿真实验项目内加入考评测试内容

为提高学生操作虚拟仿真实验时的积极性，在虚拟仿真实验过程中加入实验操作测试，选择正确则进入下一步，错误则显示正确答案，成绩计入本次操作成绩内。实验结束后，对学生进行本次实验理论知识测试，测试题由选择题和判断等客观题组成，由题库随机抽取一定数量题目，答题结束后直接显示测试成绩。总成绩由实验操作测试和理论知识操作共同构成[6]。

5.2 建立更合理的实验考核评价体系

传统的生物材料实验课程的考核主要由实验报告、平时成绩和考勤等几部分组，这种考核方式往往忽略了学生的自主学习能力。将虚拟仿真实验成绩加入考核评价体系，可以充分体现出学生的自主学习能力，与传统实验考核体系相结合后能更为合理的考评学生的实验成绩。新的考核评价体系由实验预习、虚拟仿真实验操作、平时实验操作及实验报告共同构成。经过教学实践，这种考核体系更加调动学生的积极性，促进实验教学获得更好的教学效果。

6 结论

生物材料虚拟仿真实验经过一年建设正式上线，并且已经一年的教学实践。虚拟仿真的实验的应用，打破了空间和时间的限制，提高了实验的深度和完整性，增加了每个学生动手参与的机会，保障了教学质量和效果，积极推动了我校的教学改革发展。但是虚拟源自于现实，线下实验也是实验教学不可或缺的重要组成部分，只有充分的“虚实结合”才能取得更好的教学成果。目前，生物材料虚拟仿真实验还有一些缺点和不足，该实验也会在教学实践中以及学生的学习检验中越来越完善，为越来越多的学生和学校服务。