独立学院生物工程专业虚拟仿真实践教学体系的建设与研究

谢爱娣

（湖北工业大学工程技术学院，湖北 武汉）

一 引言

2019年8月28日,教育部高教司吴岩司长在《严起来 难起来 实起来 忙起来 把本科教育质量实实在在提起来》的报告中，明确提出要精准把握高等教育发展大势，超前识变、积极应变、主动求变；强调高等教育要通过一系列行动，把本科教育质量实实在在提起来。吴岩司长指出，虚拟仿真实验课程建设已经闯出一条新路，网上做实验、虚拟做真实验破解了“做不了、做不好、做不到、做不上”的难题。2021年11月27日，在全国慕课教育创新大会暨高校在线开放课程联盟联席会上吴岩司长做了题为《抓好新基建 迈向高质量——大力推动慕课与在线教学创新发展》的主旨报告。他指出，慕课与在线教学要谋大局，聚焦高质量发展目标，以新一代信息技术推动教育质量提升。要识变局，充分认识当前在线教学呈现出的地位不断提高、技术迭代升级、资源加速共享、管理日益完善的四个变化。让国家一流在线课程共享实起来，把技术用起来，充分共建共享，构建时时、处处、人人皆可学的教育生态。这些都为独立学院开展实践教学，提升应用型人才培养质量指明了路径。

二 国家虚拟实验平台建设现状

2017年，在高校实验教学改革及实验教学项目信息化建设的基础上，教育部着力部署开展国家级虚拟仿真实验教学项目的建设工作，计划在2017-2020年认定涵盖60个专业类的1000门国家虚拟仿真实验教学项目[1]。2019年，教育部发布《关于一流本科课程建设的实施意见》（教高〔2019〕8号），正式将国家虚拟仿真实验教学项目建设列入一流本科课程建设。经过这几年的建设，实验空间平台已经上线3000多门虚拟仿真实验课程，全部面向社会免费开放，其中被认定为“国家虚拟仿真实验教学一流课程”的项目达到728门，它们覆盖了41个专业类，255个专业[2]。

三 独立学院的人才培养目标、现状及困境

湖北工业大学工程技术学院，是2002年由湖北工业大学举办，经国家教育部批准独立设置的全日制普通高等学校。学院明确提出办“应用型大学”的办学定位，秉持“育人为本、质量立校、产教融合、特色发展”的办学理念，锻铸“明德明志 力新力行”的校训精神，以培养本科层次的高素质应用型人才为主，积极推进“4321”人才培养模式，构建“专业核心+职业核心”的双核心能力人才培养体系，探索发展产教融合和创新创业教育特色的办学新路。学院的生物工程专业旨在培养德、智、体、美、劳全面发展，掌握生物工程产品生产的基本理论，具备生物学与工程学方面的基本技能，具备较高职业素养与较强生物工程应用技术实践能力，能从事生物工程产品的生产、工艺设计、生产管理、技术创新研究、产品开发、分析检测及质量监控等工作，具有创新精神和发展潜力的高素质应用型人才。生物工程专业采用“理论+实践+科研+竞赛”多维协同育人模式，围绕专业特色，专注学生实践及综合能力的培养。生物工程专业被列为湖北省普通高等学校战略性新兴（支柱）产业人才培养计划专业、学院优势专业及转型试点专业，并与武汉新华扬生物股份有限公司共建省级实习实训基地，共享湖北工业大学的师资和实验室资源。学院自建有生物制品研究所，产品分析测试实验室、发酵实验室，现有3个虚拟仿真实验室：青霉素发酵仿真实验室、大型仪器分析仿真实验室、化工原理仿真实验室。生物工程专业利用产品分析测试实验室、发酵实验室开展专业实验、实训及学生课外科研活动，完成了《葡萄酒酿造实训》《专业技能培训》等课程的教学，开展《膳食功能小食品研发》《液态法白酒酿造工艺研究》《发酵法生产白酒风味物质》《超低度白酒生产工艺研究》《板栗酱油》《功能性桑叶茶》等创新项目的研究。然而，与一流高校、公办院校相比，独立学院普遍存在起步晚，底子薄，经费短缺，场地硬件设施不足等问题，在一流课程建设中显得心有余而力不足。

四 独立学院学生实践能力培养的解决方案

（一） 能实不虚，虚实结合

实验室是高等学校开展实验教学和科学研究的重要场所。实验室的建设是高校基本建设的重要内容，直接关乎人才培养质量，它不仅是学生应用型能力培养的重要基地和重要平台保障，而且能凸显高校的实践教学特色、人才培养的特点，同时直接反映出教学质量水平。当前高等院校普遍面临招生人数大幅增加，导致实验场地不足，难以新建扩建实验室来适应专业发展需求。实验教学的发展由于实验教学经费紧张，实验设备台套数不匹配、更新滞后等问题举步维艰。

现代化信息技术的飞速发展极大地促进了高等教育教学的改革。高校实验教学模式呈现出多元化发展。虚拟仿真实验是一种基于Web技术、虚拟现实技术（VR）构建的开放式网络化的教学系统，它将学科专业知识及其应用技术与信息化技术进行深度融合，已经成为高等教育信息化建设以及实验教学创新发展的重要内容[3]。随着信息化技术的不断进步，虚拟仿真技术越发成熟，虚拟仿真实验已经广泛应用于各种科学研究，并且成为高校实验教学极为重要的组成部分。我国教育部从信息化教育的战略高度充分肯定了虚拟仿真实验教学的重要地位和作用。虚拟实验教学是应用型人才培养的重要手段。相较于传统的实验教学模式，虚拟仿真实验教学具有成本低、开放性、共享性、安全性、生动性、直观性和可再现性等特点，有利于高校实验教学模式的改革，为高校实验教学瓶颈的突破提供了新的解决方案[4-6]。虚拟实验教学已经成为高校学生应用型能力培养的重要补充，“能实不虚，虚实结合”的实验教学模式得到了广泛应用[7-8]。

（二） 自建和共享结合

近年来，我国虚拟仿真实验教学中心的建设已经取得了令人瞩目的成绩，目前已有300 个国家级虚拟仿真实验教学中心获批（主要集中在部属高校、“985”“211”等重点高校），国家虚拟仿真实验教学中心聚集了先进的教学资源，建设了完善的平台和管理体系，覆盖的学科方向涉及各门各类，为我国高校实验教学的信息化建设打下坚实的基础。相比之下，地方高校、民办高校、独立学院的实验教学相对落后，由于建设经费紧张、硬件条件不足、高素质人才引进困难、专业特色及优势不突出等问题，在虚拟仿真实验教学中心的建设上发展滞后。尽管很多学校早已开始积极探索信息化技术在实践教学模式改革中的应用，取得了一些研究成果，但从全局来看，我国高校实践教学的信息化技术改革创新与研究仍然处于初级阶段，各高校需要进行深入的研究，积极探索适应当前信息化环境下的实践教学模式。

国家级平台——实验空间是一个资源宝库，汇集了全国最优质的虚拟仿真实验项目。作为独立学院，以自建和共享结合的方式，结合专业人才培养特色和学生学情，充分使用国家实验空间一流课程优势资源，以及企业优质虚拟仿真实验资源等资源宝库，创新实践教学体系的构建，助力提升学生应用型能力的培养。

（三） 专业必修与专业选修结合

围绕生物工程专业人才培养目标，立足湖北省地方经济和行业优势，与生物工程相关企业共同构筑校企合作育人平台，依据行业标准和岗位用人需求制定专业人才培养方案，设置课程体系与教学内容，重点培养学生系统掌握发酵工程、酶工程、康养食品的专业理论知识，通过课程实验教学、校内专业技能实训、校外企业实习三级实践教学内容，全程着力提升学生实践应用能力，突出培养学生在生物工程产品的生产、工艺设计、生产管理、新技术研究、新产品开发、分析检测及质量监控等方面的应用技能。构建专业必修与专业选修课程的虚拟仿真实验教学两个层次的实践教学体系，全过程强化学生实践技能的培养。

（四） 课内实验与课外拓展相结合

课内实验学时有限，开设的实验项目有限，无法完全覆盖专业知识面，对于学生专业技能的全面培养是不够的，因此，引入国家实验空间一流课程优势资源、企业优质虚拟仿真实验资源，给学生提供充足的虚拟仿真实验资源，学生根据个人兴趣爱好和能力，结合行业热点，开展实验技能课外拓展训练，全面提升应用型人才培养质量。

五 生物工程专业虚拟仿真实践教学体系的建设

本着“能实不虚，虚实结合”的原则，构建课内实验、实训实习、课外拓展的“三级”实践教学模块，充分共享国家优质资源，全面兼顾专业必修与选修课程，建设生物工程专业虚拟仿真实践教学体系，为学生提供更多的实验实习机会，培养学生的动手操作能力与创新能力，有助于提升学生的专业技能与综合素质。在生物工程领域，虚拟仿真实验能充分发挥其独特的优势，成为真实实验教学不可替代的有益补充。生物工程专业的综合实验实习通常需要多种大型仪器设备，实验实习周期长、工作量大、操作复杂，具有一定的危险性，学时长、知识连续性强，真实实验难以短时间内一次完成，虚拟仿真实验正好解决了学生实践学习中“易看难动手”的棘手难题。虚拟仿真实验的应用能满足每个学生的个性化需求，让学生能虚拟操作真实实验中无法操作的实践环节，如观察设备内部构造、进行设备拆装及组合等，极大地提高了学生专业探索研究的兴趣，同时经济有效地锻炼了学生的实践动手能力。

六 虚拟仿真实践教学体系的应用及成效

以企业实习模块为例，学生开展真实企业实习之前，按照老师下达的实习任务及实习指导书，注册登录“实验空间”，进入指定的一流课程实验项目，完成老师布置的实验任务，对即将参与的实习企业的产品有所认识，了解其工厂布置、车间布置、相关设备、生产工艺流程、生产技术操作等，达到预习的目的。然后赴企业参观实习及顶岗实习，在实习过程中及实习结束后，再次进行虚拟仿真实验操作和理论知识学习巩固，达到强化认知，牢固掌握工艺原理、操作技术的目的。有了虚拟实验的基础，学生在真实实习过程中能有的放矢地自主学习。与以前传统实习教学相比,学生进入工厂更加自信、上手更快，平时表现更加积极,综合应用能力显著提升，考核成绩显著提高。

图1 生物工程专业虚拟仿真实践教学体系

图2 虚实结合开展生物工程专业企业实习

我院生物工程专业学生的创新意识不断增强，创新成果不断涌现，在各类赛事中取得了优异成绩，近3年有60余人次在国家级、省级竞赛获得一等奖，二等奖，三等奖，学生以第一作者发表核心论文4篇，发明专利4项。

图3 虚实结合实践教学流程

（一） 为理论教学服务

理论知识来源于实践的总结，是经过实践验证的真理，同时理论又能指导实践，并且在实践中不断发展、更新。通过虚实结合的实践体系的构建和应用，生物工程专业实践教学为学生掌握生物学的本质，探索生命蕴藏的奥秘提供了重要支撑。

（二） 为实践教学服务

针对实体实验中不可及、不可逆的环节，真实实验“做不了、做不好、做不到、做不上”的难题，虚拟实验的出现突破了这一瓶颈。虚拟实验突破高危实验环境制约，学生可随时随地随需开展个性化自主学习，使无法在传统课堂上完成的实验教学能够完成。通过国家实验空间虚拟实验平台的免费开放共享，为全国高校节约了实验成本，弥补了实体教学的不足。通过线上线下结合，课内课外结合，以虚促实，开启了实验教学新模式。

虚拟实验情境真实，交互性强，学生像玩游戏一样进行沉浸式的实验学习。其实验设计合理，呈现手段丰富，能突显关键操作的细节。虚拟实验通常设有教学模式，演示模式和考核模式，有配套的理论及核心操作的习题，以及在线帮助和讨论区，便于开展问题式、探究式、讨论式学习，通过科学优化的教学策略与技术措施促进学习目标的达成。

（三） 为学科竞赛服务

在各种学科竞赛中，虚拟实验也展示出了巨大的优势。自新冠肺炎疫情爆发以来，高校的学科竞赛也经常受疫情防控需要而停办或延期。如2021年全国大学生化工原理实验竞赛、湖北省大学生生物实验技能竞赛都分别采用虚拟仿真实验作为竞赛的一部分，考核各高校学生的实验技能水平。

（四） 为课外拓展服务

虚拟仿真实验兼具学科前沿性、专业性和技术实用性，不仅能提升实验教学的水平和层次，还加深了学生对生命科学前沿性技术的掌握，在学生实践创新能力和科学素养的提升方面贡献尤为突出。

七 结语

生物工程是快速发展的高科技主要领域之一，是一门涉及基因工程、蛋白质工程、细胞工程、酶工程、发酵工程和生物分离工程等多学科的工程技术学科。学生通过系统学习生物学相关理论知识，掌握相应的实验技能，熟悉生物产品生产工艺及其控制过程，能在生物产业及相关领域一线从事生物工程产品生产、工艺设计、生产管理、新技术研究、新产品开发、分析检测及质量监控等工作，成为具有创新精神和发展潜力的高素质应用型人才。为实现独立学院生物工程专业的人才培养目标，充分认清当前教育教学的深刻变化和发展趋势，以学生为中心，本着“能实不虚，虚实结合”的原则，构建课内实验、实训实习、课外拓展的“三级”实践教学模块，充分共享国家优质资源，全面兼顾专业必修与选修课程，建设适合应用型人才培养的生物工程专业虚拟仿真实践教学体系，强化培养学生的专业技能、实践操作能力，提升学生创新能力，把本科教育质量实实在在提起来。