虚拟仿真实验教学的建设与应用现状研究

谢久凤，张继冉，谢 慧，李海霞

(河南农业大学 生命科学学院，郑州 450002)

国家虚拟仿真实验教学中心建设工作的要求与当下教育改革发展相一致，在教育信息化工作的总体布局中占有重要地位[1-2]。为了使实验教学中心建设增加新的内容、充满新的活力、建设更加全面，教育部又提出建设国家级虚拟仿真实验室[3]，模拟真实实验场景，规范实验操作过程，使学生有身临其境之感，完成在现实生活中实验室不可能完成的高危或条件达不到的但教学中又必须要学生掌握的实验内容[4]。这样能达到教学大纲的要求，提高教学水平，拓展学生实践能力，开阔思维眼界，确保学生安全，降低教学成本，节省国家资源，是一举多得的实用型、安全型和经济型的实验项目[5]。

1 建设发展虚拟仿真实验教学中心的指导原则

A.科学合理规划。制定合理的与地域分布、学科交叉、专业相结合的计划，制定激励措施，确保项目持续有效发展。

B.资源共享。资源建立不能只局限在某学校或某地区，要有共享理念，获得优质实验教学资源的单位要开设共享平台供大家有偿使用，补偿资源创建的资本，实现知识共享，激励更多优质产品的开发。

C.突出重点。建设要将重点放在教学资源和教学服务上，但教学师资队伍和平台建设管理体制也同样重要，不能顾此失彼，要实现均衡发展。

D.提高效益。要充分发挥实验教学中心的示范带头作用，扩大优质实验教学资源的使用范围，以达到提高高校学生的社会实践创新能力，促进高等教育教学质量提高和高校实验教学改革创新的目的[6]。

E.持续发展。制定评定方法，严格筛选，宁缺毋滥，挑选出优秀合格的虚拟仿真实验教学中心。制定优惠政策，筹措经费，专款专用，大力支持各地区开展实验教学信息化建设工作，鼓励教育部门和高校重视此项工作，确保教学实验中心信息化建设工作持续有效发展[7-8]。

以河南农业大学生命科学学院国家实验教学示范中心为例，2014年生命科学学院积极响应国家教育方针政策的号召，在全院师生共同努力下获批国家级生物学实验教学示范中心。

2 实验教学示范中心基本情况

2.1 发展定位

以一流的人才培养为目标，以一流的专业建设为抓手，以培养学生成长成才为起点和目标，进一步深化生物工程专业实验教学的改革与创新，主动融入生物行业区域经济发展，建立本科生实验教学体系。打造优质资源共享的综合实验教学平台，把中心建设成为具有一流的师资队伍、一流的办学条件、一流的教改成果、一流的教学质量的国家级教学示范中心。

2.2 建设思路

按照学生中心、目标导向、统筹规划、优化资源、突出特色，强化内涵、充分开放、追求卓越的原则，坚持基本能力训练-综合能力提高-实践能力加强-创新创业能力培养的实验教学主线，构建校内实验和校外实验相互促进的双线实验教学人才培养体系，不断提高实验教学水平培养质量。

2.2.1 校内实验改革思路

A.更新实验教学理念。以学生实践能力、创新能力的培养为主线，坚持理论与实践相结合的实验教学理念，优化人才培养方案。

B.完善实验教学体系。生物学实验教学中心将教与学结合，充分发挥教学的积极性，采取研究式、自主式等多种教学方法，形成完整的实验教学体系。

C.丰富实验教学内容。根据人才培养方案，制订了内容规范、自主灵活的实验教学大纲。大纲中除了规范教学内容外，也强调了教学安排的自主性及灵活性，出版了系列实验教材。

D.改革实验教学方法与手段。以能力培养为核心，优化实验教学项目。依据实验硬件条件，开设了设计性实验、综合性实验、验证性实验、创新性实验等多层次实验课程与项目，以启发学生的创新思维。

以学生为中心，推进体验式实验教学模式。采用教学练做四阶段教学法，推进体验式教学；构建了课堂-实验中心-实习基地的实验教学链；将实验教学与毕业设计挂钩，提高毕业设计质量；产学研结合，努力提高教学成果的社会转化率。

以技能培训为重点，保证实验教学手段的先进性。所有课程都制作相应的PPT教学课件，所有实验项目都制作视频教学录像；注重实验操作技能培训，推行启发式、交互式和案例式等多种形式的实验教学方法。

以健全实验考核机制为关键，提升学生兴趣。根据专业特点，制定相关的实验考核办法，教师评分要公正合理，注重过程。考核采用平时成绩与考试结果相结合的方式，全面反映学生的学习状况。

2.2.2 校外实践

实践教学基地：河南郑州正九酒业有限公司、河南邦友农业生态循环发展公司、河南中原环保五龙口水务分公司。

具体做法：

(1)河南郑州正九酒业有限公司白酒制作工艺流程：

原材料：高粱、小麦、玉米、大米，高粱选自东北，日照长，质量好；粉碎：均匀粉碎成4、6、8瓣；蒸煮：上锅蒸有6个要求，即匀、薄、平、轻、松、准；发酵(入池发酵)：浓香型酒入池温度要20℃以下，酱香型酒要堆积进行二次发酵，又称二次培菌，目的是提高糖化率；蒸馏：蒸酒时温度要控制在25℃，避免因温度过高而导致水分蒸发；入坛、脱新(老熟)：新蒸的酒含有杂醇以及对人体有害的物质，需要放置6～12个月，使这些物质挥发出去；勾调：通过调味使不同品质的酒达到统一口感；包装：装瓶，销售。

在郑州正九酒业有限公司主要参观蒸酒车间、原酒库及营销中心三个部分，让学生了解到白酒制作的环节和步骤及注意事项，并结合在学校发酵工艺课程上所学的专业知识进行分析，加深对理论知识的理解。

(2)河南邦友农业生态循环发展公司杏鲍菇生产工艺流程：

基料：将玉米屑、木屑以2∶1混匀，再将混匀物和精料(玉米粉、豆粕粉)按照3∶2混匀，注水搅拌均匀，含水量70%，用搅拌锅搅拌均匀；装袋：将上述基料用食用菌自动装袋机装袋；灭菌：用灭菌锅将装袋的基料120℃高压蒸汽灭菌8 h；接菌：用物流线将灭菌的基料送入接菌车间进行菌种接种；培菌：将接过菌种的料袋送入养菌房，无光照，21～23℃培养35 d，直至料袋长满白色菌丝；压袋：将料袋一端压下去，避免杏鲍菇长满袋口分散营养；长菇：将长满菌丝的料袋送入养菇房培养15 d，养菇需要光照，温度13～15℃。出菇方式有网格出菇和床架出菇两种方式，前者产量更高，后者菇型更好；采摘：每袋采菇2～3个，分为5个等级；包装：将不同等级的杏鲍菇进行不同的包装，销售省内外。

学校开设了食用菌栽培与加工课程，为了让学生更好地掌握课堂知识，学校与企业合作，组织学生参观学习，明确杏鲍菇生产工艺流程和注意事项，强化无菌操作意识，因地制宜将理论知识灵活运用到实践应用中。

(3)河南中原环保五龙口水务分公司(污水处理厂)污水处理过程：

进水：生活污水、雨水等；粗格栅：回旋式机器，倒靶齿状，间歇运行，除去水中直径大于20 mm的漂浮物；高位井：利用重力自流原理节流降耗；细格栅：除去水中直径大于6 mm的漂浮物，避免后期设备磨损；旋流沉砂池：利用离心力将沙砾甩向池壁从而排出收集；生物池：分为前置缺氧池、厌氧池、好氧池三个部分，主要功能是通过微生物的新陈代谢作用，将污水中的有机物氧化分解为水、二氧化碳、硝酸盐和磷酸盐，从而将有机物去除，同时在缺氧池和厌氧池完成脱氮和脱磷；二沉池：污水呈泥浆状，刮吸泥桥，中间进水，周边出水；清水池：过滤消毒，再生水。

学生到中原环保五龙口水务分公司学习参观，观看了公司介绍影片以及《小水滴历险记》中的动画片段，形象贴切地介绍了污水处理的过程。通过参观学习，学生对企业生产发展有了具体的认识，也意识到了自身的不足之处。

实践教学是撬动人才培养质量的重要支点，而建设好实践基地是推动实践教学改革的先决条件[9]。要想使基地建设出成效，教学改革出成果，有四点至关重要：(1)学校对实践教学的重视度是根本，唯有学校重视，才会形成持久的推动力；(2)政府对基地建设的扶持力度是基础，唯有政府扶持，才会形成强大的支撑力；(3)基地对合作企业的贡献度是关键，唯有企业认同，才会形成长久的生命力；(4)校企对实践教学的协同度是保证，唯有校企协同，才会形成不竭的创造力。只有把握好了以上四点，才能真正解决好基地建设的投入问题、机制问题、动力问题和持久发展问题。

2.3 信息技术发展与虚拟仿真实验教学创新

根据虚拟仿真实验教学的应用共享特征、实验方式、开发的技术平台、资源设置等方面，汇总了国内外高校虚拟仿真实验的类型和形式，如表1所示。

2.4 虚拟仿真实验教学资源与管理平台框架虚拟仿真实验教学资源建设

河南农业大学机电工程学院拟申报“暗-光联合生物制氢虚拟仿真综合实验项目”。“暗-光联合生物制氢虚拟仿真综合实验项目”依托农业工程训练中心、生物质能源河南省协同创新中心、河南省生物质能源与纳米材料国际联合实验室、河南省农村可再生能源重点实验室等科研实验平台，紧密围绕实验教学和训练，以虚拟仿真实验为创新和有效补充。

以“暗-光联合生物制氢虚拟仿真综合实验项目”建设为契机，更新整合实验内容，优化实验设备配置，增加设计性、创新性虚拟仿真实验，优化实验手段，实施分层次模块化教学，构建符合时代特点、特色鲜明的实验教学课程新体系。依托虚拟现实、人机交互、多媒体、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的教学效果。

表1 国内外高校虚拟仿真实验的类型和形式Tab.1 Types and forms of virtual simulation experiment in colleges at home and abroad

“暗-光联合生物制氢虚拟仿真综合实验项目”以生物制氢理论为基础，基于暗-光联合生物制氢机理设计的联合生物制氢反应器，模拟完整的暗-光联合生物制氢流程，帮助学生理解抽象的生物制氢知识，掌握暗-光联合生物制氢反应器的正确操作流程和各项数据调节的规律。

河南财经政法大学跨境电商海外仓虚拟仿真实验， 利用ebay、wish等跨境电商平台真实镜像数据，模拟跨境平台海外仓运营管理过程，帮助学生熟悉跨境电商供应链管理流程和规则，培养学生在跨境物流海外仓的物流活动信息化、智能化方面的操作和应用能力，增强教学的趣味性，使教师对教学有更好的把控性，从而提高教学效率和教学质量。

课程的目标是让学生在完成跨境电商海外仓虚拟仿真课程时，提高学生的智能物流系统策划设计能力及协调组织能力，强调学生对系统仿真等现代化物流信息技术的驾驭能力，增强学生的创新能力和就业竞争力。这样有助于电子商务和物流专业的复合型人才培养，降低电子商务企业、物流企业、第三方物流企业、制造企业、商品流通企业的物流成本，为物流产业转型升级服务。

2.5 虚拟仿真实验教学管理信息系统建设框架

推进全新的教学研究方法和学习方式，将方法传授给学生，利用线上各类虚拟仿真实验教学资源，引导学生自主学习，鼓励学生自行解决问题，培养学生独立思考、自主学习的能力和意识[10]。

实现教学资源共享理念，优化教学软件，提供全方位的虚拟实验教学辅助功能[11]，设置不同类型实验教学软件与学生学习平台连接，清除系统间的连接障碍，整合高校实验教学资源，以满足各校、各院系对虚拟实验教学资源的管理、建设、更新、发布等需求，实现跨地区、跨校、跨专业的无障碍资源共享。

建立虚拟仿真实验教学资源数据库，规范制度，实现任务部署和资源调度，支持资源交叉访问和检索，方便使用者在线操作学习。可设置测试、组合、创新等功能，改变传统管理模式，实现新型网络化管理和应用。

3 结语

依托虚拟现实，利用多媒体和网络通讯等技术，虚拟出高度仿真的实验环境，使学生在虚拟环境中身临其境地完成教学大纲所要求的实验内容，更好地掌握理论知识，为实践应用奠定基础[12]。