虚拟仿真实践教学在创新型人才培养中的作用——以朱家尖海滨生物野外实习为例

王丹丽，方增冰，韩庆喜，龚一富

（1.宁波大学 海洋学院，浙江 宁波 315800；2.宁波海洋研究院，浙江 宁波 315800）

实践教学是高校人才培养中的重要环节，对创新型人才培养尤为重要。随着信息化智能互联技术飞速发展，越来越多的信息技术迅速应用到高校的实践教学环节。其中，虚拟仿真实验教学更是显示出其高效安全、全天候、功能拓展性强等优点，在高校的实践类教学课程中被广泛采用[1-3]。

海滨生物野外实习是高校生物类相关专业实践教学的重要组成部分。舟山朱家尖岛是浙沪多所高校海滨生物采集的首选实习地点，近年朱家尖岛面临资源破坏严重、生物多样性逐年减少的问题，加之一些海防军事禁区及旅游景点的圈围封闭管理，导致岛上可供实习区域越来越小。而且一方面，出行时间受天气、潮汐、交通、安全等因素制约，带队教师负有很大的安全责任；另一方面，实习师资少导致实地采集时师生间互动性差，考核方法单一且共享性较差。国家级一流课程“朱家尖海滨生物生态分布与采集虚拟仿真实验项目”的建设为解决以上问题提供了切实可行的有效途径。通过虚拟仿真实验教学项目的建设实施，重构了课程体系和教学内容，创新了野外实习教学的各个环节，充分融入了多维互动元素，为新时代海洋经济发展培养创新型人才提供了良好的平台。

本文从问题引领、人机互动、自主参与和科学评价四方面入手，阐述了虚拟仿真实验教学项目建设的必要性及在创新型人才培养中的发展潜力，旨在进一步培养学生拓展性思维及创新能力。

一、虚拟仿真实践教学课程的建设方向

该实验教学项目建设内容以全面提高水产养殖专业学生实践能力和创新精神为宗旨，以共享优质实验教学资源为重心，不断推进实验教学资源开放共享和实践教学信息化建设，以培养水产养殖拔尖创新型人才为目标。因此，朱家尖海滨生物虚拟仿真实验教学的设计紧紧围绕以下几点。

1.挑战传统，激发学生自由探索能力和创新能力。“00后”是在互联网背景下成长起来的一代，他们更擅长人机互动、闯关式的学习方式。课程改革本着“能实不虚、虚实结合、以虚补实”的原则，充分应用现代信息技术构建“朱家尖海滨生物生态分布与采集虚拟仿真实验项目”，实现让学生提前介入，增加学生实习前的参与度和体验感，不仅化被动为主动，提高了学生的学习兴趣，学习效率较传统授课方式大大提高，也利于学生开展探究型、综合型实习，提升学生的创新与实践能力。

2.挑战局限，为海滨生物野外实习提供重要的辅助手段。学生利用PC端（网页版和下载版）和手机移动端可随时共享项目平台的海量学习资源，可以突破时间与空间限制、师资人员等限制，既能在网络覆盖的区域开展在线自主学习，又能随时离线练习仿真闯关，巩固实习内容。学生通过熟悉野外采集地点的生态环境，了解海滨各类生境中的代表物种、分类地位、生态特征、生活习性和经济价值，了解海滨生态系统中动植物之间及生物与环境之间的相互关系；掌握生物标本的采集、麻醉、培养、固定、保存、制作等基本方法；学习海滨动植物生态调查的一般方法，为将来的科学研究工作打下扎实的基础。同时，结合线下采集时的教师现场指导，进一步巩固各项技能及知识点。虚实二者的有机结合，对于学生全面熟悉掌握海滨野外实习的全过程和关键环节都有无可替代的作用。

3.挑战单一性，突破学习资源有限考核评价单一的困境。过去对海滨生物野外实习的考核只限于标本采集、种类识别，实习内容较单一。在实习环节中重过程轻结果，考核方式单一。本实验教学项目中的效果评价系统，将考核融入实习前、中、后全过程，由系统作出科学评价，并引入学生互评和自评机制，激发学生自主参与和自由探索的能力[4]；虚拟仿真课程资源及手机端灵活多样的检索工具充分体现了共享性，使海滨生物野外实习的教学水平不断提高，为多所高校和研究院所师生提供了一个良好的学习和交流平台。

二、虚拟仿真实践教学的特征和体系重构

与同类课程相比，“朱家尖海滨生物生态分布与采集虚拟仿真实验项目”课程特色明显，主要体现在以下三个方面。

1.构建三维实地生境与3D生物标本——体现实验过程沉浸感。情景体验式教学是通过自主参与和情景模拟激发学生的意识潜能、情感与主观能动性。其基本模式在20世纪80年代由美国组织行为学教授大卫·库伯提出[5]。以体验式教学法为导向，模拟构建一套以野外实习场景体验为情景的实践教学模式，对于朱家尖海滨野外采集实习来说客观可行。根据朱家尖岛上生态各异的地理环境，综合运用航拍、3D建模等技术构建朱家尖4个类型的三维海滨生态场景模块，并模拟构建风雨与海浪声、潮汐涨落、日出日落等仿真视听效果，让学生获得身临其境的沉浸式实习体验。

2.重构教学内容与课程体系——体现虚实结合实验即时化。以朱家尖海滨无脊椎动物为主，海藻为辅，重构了实习课程体系，仿真实习围绕四个知识点训练展开：（1）观察生态环境与潮间带生物分布规律，要求跨时空学习认识4个生态场景不同生境特点，熟悉潮间带海滨动植物分布特点；（2）要求掌握常见海滨动植物分类与鉴别，运用PC端和手机端物种检索功能，有效完成200种模拟采集物种的检索鉴定；（3）学习海滨生物生态调查研究方法，通过模拟系统中的样地选择、物种定性与定量观察，实习安全性学习，标本的采集、麻醉、固定、保存、制作、鉴定等，学习掌握海滨生物生态调查方法；（4）完成在线测试、知识问答、在线闯关测试环节，并设有疑难物种辨析题等，增强与学生的交互作用，注重寓教于乐、激励为主，实现了仿真实习全天候即时化。

3.重构评价体系——体现能力评价科学化。在满足教学要求的基础上，尊重学生的需求和体验，真正树立学生在教学环节的主体地位。虚拟仿真实验项目将考核融入实习前、中、后全过程，构建了虚拟实习的效果评价系统并引入学生互评和自评机制，加强团队精神。考核内容包括课前预习20%、物种鉴定及标本制作15%、综合能力测试45%和实习结果汇报20%四个部分，根据四个部分评分加权，最后给出综合成绩，充分体现了课程重构下的能力评价科学化。教学方法的实施过程见图1。

图1 朱家尖海滨生物野外实习虚拟仿真教学方法的实施过程

三、虚拟仿真实践教学平台的应用及成效

1.建立了丰富的教学资源。虚拟仿真实验项目自2019年3月正式运行后，目前完成注册人数10000多人，每年平均浏览数6000余人次，完成线上实验人数774人，实验测试通过率93.2%。学生于野外实习开始前，利用电脑或手机端登陆水产养殖国家级实验教学示范中心的虚拟仿真实验教学平台或教育部实验空间（www.ilab-x.com）进行学习。学生通过身临其境的人机交互操作环境，随时随地进行自主学习，具有开放性、交互性、易操作等优点，提高了实验教学效果。

“朱家尖海滨生物生态分布与采集虚拟仿真实验项目”于2020年11月入选首批国家级一流本科课程，2019—2021年依托该平台，学院教师获得教育部产学合作协同育人项目17项、浙江省虚拟仿真实验教学项目2项、浙江省一流本科课程和教学改革项目4项，进一步丰富了教学资源。

2.实习安全系数提高。海滨生物野外实习重中之重是确保师生安全。在以往的采集实践中，教师只能反复强调纪律和安全须知。而虚拟仿真实验教学有效改变了这一现象，在虚拟仿真实验中渗入了“安全提示”“危险警示”“禁止”等内容，学生在完成虚拟实习的过程中，养成了良好的安全意识，带队教师明显感觉组织管理轻松了，安全事故没有发生。

3.科学考核提高了实习效果。考核方式兼顾实地采集中的实际操作和虚拟实训操作，学习平台通过学习时长和闯关分值双重要求，督促学生认真完成虚拟实习的每个环节，使其知识系统和实践能力两方面都得到提升，综合评价每个学生的实习成绩更加科学公平。这种评价考核体现了教师指导与学生自学并行、以学生自主学习为根本的教学策略，更体现了对实践过程的规范性、实验步骤的成效性，以及对知识学习达成度的客观评价，具备对学生认知能力结构考核的功能。

4.提高了学生的综合能力。虚拟仿真与实践教学有机融合不但显著提高了学生的学习效率和学习乐趣，而且培养了学生的探索和创新意识。使用后学生评价说：“虚拟仿真系统给我们带来了前所未有的体验。该课程以虚实结合的新型实习模式，让我们通过沉浸式体验，开阔了视野，获得更加完整的生物知识。特别是在新冠肺炎疫情期间为我们提供了新的学习方式。”学生创新能力和综合素质的提升正是虚拟仿真项目平台建设的初衷。

5.加强了与其他高校和社会的交流与共享。目前，已与浙江大学、中国海洋大学、宁波海洋研究院、宁波水产品批发市场有限公司等十余所高校、研究所和企业签订了该虚拟仿真项目的共建共享协议。平台不断丰富海洋无脊椎动物标本库的建设内容，为一些科研单位进行朱家尖海域生物标本鉴定提供便利，也为中小学生的海洋科普教育与研学活动提供了空间。

四、虚拟仿真项目建设的几点思考

虚拟仿真实验的“两性一度”高度切合高校实验教学的本真目的。实验教学固然要帮助学生将来成就伟大的创新，但主要任务是要使学生体验到创新的快乐和自信，激发学生的创新欲望。

目前虚拟仿真项目也普遍存在一些问题，如教学内容设计、计算机系统开发设计都过于程序化；学生自主探索环节缺失，不利于学生思维训练和综合能力的提高；生生互动、师生互动、团队互动体现得不够；高校间虚拟仿真教学资源共享性较差，缺乏统一的技术标准和具体有效的共享机制，导致部分资源重复建设，兼容性弱等，如何进一步凸显学生综合设计与创新思维能力培养的深度和广度值得我们思考。

立德树人是高校立身之本，人才培养质量是高等教育生命线。进行课程体系重构与培养模式的改革与创新是人才培养的关键。虚拟仿真实验教学平台良好支撑了应用型专业技能人才的培养，特别是经历此次新冠肺炎疫情后，我们要更加深刻理解虚拟仿真实践教学的内涵。相信随着数字信息化技术的发展，虚拟仿真技术在实践教学中的影响将会进一步扩大。

（课题组成员：徐善良、赵淳朴、王佳）