动物科学专业线上虚拟实验教学探讨

2022-10-08闫嘉欣李俊杰

黑龙江动物繁殖 2022年4期

夏威，闫嘉欣，李俊杰

（河北农业大学动物科技学院，河北保定 071001）

受新冠肺炎疫情的影响，世界范围内学校停课，导致教育环境、教育方式、教育效果都受到巨大的影响。为了师生的健康安全，高校在疫情严重时期采取了远程教学（distance learning）替代面对面授课方式，其中线上教学是远程教学最重要的形式之一，此外还有无接触传递教学材料、电话通讯等方式作为补充。这种非线性的教学方法突破了时间和空间的限制，使得教学工作的开展更加灵活自由。这种教学方法既能消除疫情阻碍，又有利于高校政企合作培训及科研工作的开展。

由于科学实验性教学的学科特点，传统科学教学中教师演示、调查探究、实验室操作等多种教学活动都无法在线上教学中开展。如何在隔着屏幕的情况下，尽可能地在保持学生高参与率的同时，又能得到较好的学习效果，这是动物科学专业实验教学面临的难题。

1 动物科学专业实验教学背景

动物科学专业应用性强，是生命科学的重要分支，其最终目的是生产品质优良的动物产品，满足人类生活水平日益提高的各种需求。该专业涉及畜禽饲养管理、繁殖育种与产品加工等各领域，实践性较强，需要进行大量的实验教学。然而，近几年来随着全国各大高校招生人数以及实验项目的不断增加，实验室每学年需要进行上百门实验课程的实验，给实验教学工作带来了极大的压力；再加上新冠疫情的影响，使得实验教学工作难以全面开展。

受传统教育思想与学校课程考核指标的影响，很多高校在动物科学专业课程设置过程中存在重理论轻实践的观念，理论知识偏多，使得实验教学成为高校教育的薄弱环节。另外，现在许多高校建在市区，无法大规模养殖畜禽及其他实验动物，实验基地一般在郊外，但可用于动物科学实验教学的动物（如猪、牛、羊等）养殖数量很少。再加上新冠疫情与非洲猪瘟的影响，使得母畜直肠检查、阴道检查及人工输精等实验课程无法顺利开展，无法使每个学生都参与其中，学生没有参与感，实验教学不能紧密结合生产实际，教学效果差。此外，组织进行一次实验教学费用高昂，一些试剂与消耗品价格较高且无法回收利用，极易造成资源浪费和环境污染。学校开设实验课程的目的是培养学生的创新能力。但目前有些实验还无法开展，如动物科学专业的一些具有破坏性、危险系数高、成本过高及需耗费大量时间的实验不能通过常规实验教学向学生展示。

基于上述原因，学校如果能够将虚拟实验室引入到动物科学实验教学中，那么以上问题将在一定程度得到有效解决。

2 虚拟仿真实验在动物科学专业实验教学中的作用探讨

线上教学（E-learning）即在线教育，指利用互联网技术与移动信息技术开展的一系列教学活动。目前，动物科学专业线上教学主要借助“雨课堂”“钉钉”“超星学习通”以及“腾讯会议”等网络科技平台开展远程教学工作。相较于传统课堂教学，线上教学的教学资源更加丰富，功能更加强大，方式更加灵活。线上教学模式借其自身优势，解决了新冠肺炎疫情带给世界教育界的教学难题。然而对于动物科学及其他需要科学实践的专业来说，线上教学虽然可以有序开展，但仍存在许多问题和挑战，其中最受限制的便是实验性课程。

虚拟仿真实验只需通过计算机图形化界面联系理论条件与实验过程，而不需借助现实普通实验的必备器材，只要采用一定的编程手段便可模拟实验的真实效果。

2.1 节约实验成本，提高实验室效率

目前，动物科学专业实验教学中用到的一些基础设备如游标卡尺、体视显微镜、离心机及开设的一部分基础实验项目，如动物生殖器官解剖构造观察及组织学观察，都需要学生熟练掌握。这些实验设备的运用和实验项目的开展势必会占用大量的实验室资源和教师的指导时间，从而妨碍了能够真正提升学生能力的实验的开展。

虚拟仿真实验所需仪器及耗材都将通过虚拟现实技术实现。虚拟仿真实验所提供的设备界面真实、简洁、直观，而且具有帮助功能，理论上能够达成学生对常规实验项目的练习。借助虚拟仿真实验软件，学生可以进行无限次反复操作练习，直至能够熟练操作。动物科学实验教学中一些基本的设备操作与基础实验操作，完全可以让学生借助虚拟仿真实验软件在线上完成，既能减少常用仪器损耗和实验耗材浪费，还能减轻现实中实验室的负担、并提高实验室利用效率。

2.2 教学方式更加灵便，提高教师指导效果

学生可自主选择各种网络终端设备如智能手机、平板、PC等，登录线上虚拟实验教学平台学习各种实验操作，虚拟实验教学平台注册使用流程见图1。校内学生利用学号等信息完成身份认证，即可进入平台选择相关虚拟仿真实验进行学习。学生完成课程选择后，通过功能按钮的指向说明及与平台内虚拟人物对话等方式，便可依次、有序完成各种虚拟实验。相较于传统线下实验教学，线上虚拟仿真实验不受时间和空间的约束，学生能够按照自己的喜好和习惯对实验学习进行合理安排。此外，即使由于疫情防控需要而处于不同区域的师生之间，应用线上虚拟仿真实验平台也能十分轻松地完成知识传授，使教学工作开展更加灵活便捷。

图1 虚拟实验教学平台注册使用流程Fig.1 Registration and use process of virtual experimental teaching platform

学生借助虚拟实验平台进行系统训练后，再利用实验室进行实际操作就会更加熟练，减少失误，更利于获得准确的实验数据。同时，教师对学生实验的指导便可更加注重实验本身，有利于教师对学生进行更深一步的教学指导，学生也将获取更多有用的知识，优化实验教学效果。

2.3 优化实验条件，利于实现教学目标

部分大型高端设备的运行成本较高，学校实验室一般不会将这些仪器设备投入到常规实验教学中，很难设计并进行一些专业性强的实验。而随着虚拟仿真实验技术的发展，一些超大型的涉及高成本、高消耗或是高危环境的实验，均可通过虚拟仿真技术呈现。此后，随着动物科学专业实验方案的完善和教学项目调整，学生参与实验的训练和实操将不再受实验仪器设备性能的制约，有效解决了设备性能老化与更新不及时等相关问题；实验内容也能够持续更新，学生的专业实践训练与社会科技发展同步，有利于教学目标的实现。

2.4 激发学生学习兴趣，加速学习进程

虚拟仿真实验采用沉浸式实验教学方法，基于虚拟现实技术（VR）的虚拟仿真实验教学能够呈现逼真的三维虚拟实验环境和对象，让不可能实现的实验过程浓缩在形象逼真的动画中。

学生可通过电脑配合VR头盔等外置硬件进入虚拟仿真实验平台，利用VR技术，平台可呈现高度模拟现实的实验教学环境，给学生带来身临其境的体验。虚拟现实学习环境的三维仿真场景，能够为学生提供生动有趣、接近真实的实验体验，如构建3D实验动物解剖模型、自主建造育种猪场等，有助于学生空间思维能力的培养，进而加速学生学习知识的过程。

2.5 实验约束性小，符合动物福利要求

动物科学专业实验教学过程中，经常会需要猪、鸡、牛和羊等各种家畜。受新冠疫情及非洲猪瘟影响，学校封校，畜牧场进出场程序严格，实验动物材料难以获取。虚拟仿真实验教学不受疫情防控要求的影响，动物实验可以照常进行，同时由于避免使用实验动物，避免了动物受伤和死亡，更符合动物福利要求。

2.6 实验安全性高，利于环境保护

动物科学专业实验操作中会经常使用大量有机溶剂，其中许多是易燃、易爆、有毒性的危险化学品，然而学生的危险防范意识较弱，易出现教学事故。因此在专业实验课开始前，让学生通过虚拟实验室操作平台，反复练习、熟悉一些基本操作技能，使学生在真实场景中能够应对自如，防止人员受伤，避免造成环境污染与非必要资源浪费。

2.7 具有广泛共享性，实现实验教学改革

我国现阶段教育资源差异较大，部分地区缺乏满足教学需求的优质教学资源。虚拟仿真实验的学习不受限于学校和地区，校外用户只需利用邮箱或手机号在官网注册完成后便可进入平台学习。平台对原有的教学理念进行了升级和改革，只要利用互联网就可以进行实验，将更多的人纳入受益人群，满足了社会需求。伴随互联网的应用与普及，虚拟实验教学势必改变陈旧的实验教学模式，使实验教学实现真正意义上的资源共享。

3 国内外线上虚拟实验教学发展现状

3.1 国内线上虚拟实验教学现状

线上虚拟仿真实验教学具有十分广阔的应用前景，无论是对动物科学专业实验教学，还是其他学科和专业的实验教学工作都具有挑战性。虚拟仿真实验教学是我国高等教育信息化建设的重要内容，2013—2015年，教育部利用3年时间遴选出300个国家级虚拟仿真实验教学中心，涉及农林医药、理工、文社科等多个学科类别，其中包括农林学科类53个，遍及26个省市自治区。此外，自2017年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作至今，我国教育部已顺利完成1 000多项示范性虚拟仿真实验教学项目的遴选工作。

西北农林科技大学动物科技学院利用现代信息技术、3D虚拟仿真技术完成了对综合性虚拟仿真实验平台的构建。该校饲料加工工艺学学科开设了饲料粉碎设备与工艺流程、饲料混合设备与学科工艺流程等一系列虚拟仿真实验教学模块，现已由省级教学团队建设成为面向动物科学及其相关专业的实验教学课，负责为动物饲料学、动物营养学等国家及省级精品课程及其他相关课程开展虚拟仿真实验教学工作。

山东农业大学国家级虚拟实验教学中心现已建立了包括“现代农场虚拟仿真实验教学系统”在内的4个虚拟仿真教学模块。在此基础上，山东农业大学还构建了较为完善的平台建设与管理体系。此外，该校动物科技学院姜世金教授负责的“家禽病毒性传染病疫苗的生产应用虚拟仿真实验”项目的应用取得了良好成效，已于2018年入选该年度国家虚拟仿真实验教学项目。

台北医学大学作为台湾顶尖高等教育机构，于2019年与宏达国际电子股份有限公司（HTC）合作开发了用于解剖学学习的VR软件。该软件可提供4 000多个高度详细的解剖学3D模型，并支持多达300名学生同时在线，帮助学生更深入地了解解剖学，从而为学生成为医学领域的专家提供坚实的知识基础，被称为“世界上最大的VR解剖学课程”。

3.2 国外线上虚拟实验教学现状

相较于国内，国外对于虚拟实验教学的研究与建设工作起步较早，发展也比较快。美国新媒体联盟自2002年开始的地平线项目每年都会对未来5年内可能会应用于教育教学的新兴技术做出预测报告。地平线报告引起了世界教育界的广泛关注，成为各级教育机构进行创新与改革时的重要参考。该项报告指出，虚拟仿真实验教学将成为今后各国传统教育教学改革、提升人才培育质量的发展重点。1985年美国国立医学图书馆建立了“虚拟人体”系统，并将其运用于解剖学、放射学等学科的辅助教学。时至今日，国外多所高校已建立了各具特色的虚拟实验系统。

世界首个VR手术模拟平台Marion Surgical是由首席执行官B.Sainsbury和泌尿科医生R.Signal于2016年创立的。该平台可利用VR和体感模拟设备为外科医生和驻院医师提供足够逼真的肾结石手术模拟训练。到目前为止，俄亥俄州立医学院已经开发了一种利用AI技术的VR软件，利用这款软件，医学生可以同具有不同背景及具有不同程度的英语语言能力的虚拟患者进行对话沟通。

英国开放大学开放科学实验室构建的线上虚拟仿真实验室已经完全能够替代普通实验室完成所有的功能性教学。开放大学的学生不但可以通过下载虚拟实验仪器软件在线上完成实验，还可以使用远程遥控装置操控实验。此外，自2006年起，该校便将基于互联网的3D虚拟世界“第二人生”应用于教学工作，借助“第二人生”构建的实验室与现实课堂教学平行，学生置身于一个身临其境的三维虚拟世界，教师借助虚拟世界与异地的学生进行“面对面”的实时互动交流与指导，并完成教学任务及集体活动。

美国耶鲁大学通过平板电脑完成分子生物学、细胞生物学等各学科的实验教学工作，充分利用了线上虚拟实验的实时参与性优势。学校教师只需借助平板电脑下载移动应用程序，即可与学生同步分析来自线下实验室数字显微镜的图像及数据资源。美国纽约大学应用可视化技术开展教学工作，可利用长达36 m的高清交互式多媒体显示墙向学生展示蜜蜂蜂群采集花粉的动画场景，还能够将极为复杂的股市数据形象地展示给学生观看；美国加州大学圣迭戈分校利用自主开发的StarCAVE虚拟现实系统向学生展示约旦沙漠城堡公元前十世纪的3D虚拟现实模型。