劉亞豐, 余龍江

(華中科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 湖北 武漢　430074)

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虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)理念及發(fā)展模式探索

劉亞豐, 余龍江

(華中科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 湖北 武漢430074)

分析了高校實驗教學(xué)的信息化發(fā)展趨勢和虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)理念。以6種類型的生物類實驗項目為例,具體說明了采用虛擬仿真實驗的適用原則，提出虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃,在制度層面、技術(shù)層面建立有利于資源開放共享的技術(shù)規(guī)范或協(xié)議以及相應(yīng)的管理體制和運行機制,建立虛實結(jié)合、以實為主、以虛促實的實踐教學(xué)體系,推動虛擬仿真實驗教學(xué)中心快速、有序地建設(shè)與發(fā)展。

虛擬仿真； 實驗教學(xué)改革； 實驗室建設(shè)

快速發(fā)展的現(xiàn)代信息技術(shù)促進了高等教育教學(xué)的改革、加速了教學(xué)模式的多元化發(fā)展。在高校實驗教學(xué)中,虛擬仿真實驗?zāi)軜?gòu)建逼真的實驗環(huán)境、實驗對象和實驗內(nèi)容,可以讓學(xué)生在開放、交互的虛擬環(huán)境中進行自主的實驗設(shè)計與操作,因而在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索及實踐創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力中發(fā)揮越來越重要的作用[1]。虛擬仿真實驗教學(xué)中心是實踐國家教育信息化戰(zhàn)略的重要平臺和教學(xué)基地,與傳統(tǒng)的實驗教學(xué)示范中心相比,它更有利于教育資源的優(yōu)化、整合與共享,將對大幅提升教育質(zhì)量和深化教學(xué)改革產(chǎn)生積極影響[2-3]。因此,深入探索虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)及其未來發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

1　建設(shè)理念

互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展所帶來的教育信息化,極大地影響著高校的教育教學(xué)活動。在幕課等網(wǎng)絡(luò)課堂對傳統(tǒng)理論課堂教學(xué)的影響日益增大情況下,實踐教學(xué)環(huán)節(jié)顯得越來越重要,它在提高學(xué)生實踐創(chuàng)新能力方面具有不可替代性。當(dāng)然,實驗教學(xué)也存在如何適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展和學(xué)生學(xué)習(xí)方式的變化、更好地提高學(xué)生的實踐效果和創(chuàng)新能力的問題。虛擬仿真實驗教學(xué)正是網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)催生、發(fā)展起來的一種全新的實驗教學(xué)模式,對實體實驗具有很好的補充作用。

如何建設(shè)好與這種新的虛擬仿真實驗教學(xué)模式相適應(yīng)的實驗教學(xué)體系和虛擬仿真實驗中心,就需要有清晰的建設(shè)理念和發(fā)展定位。學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力只有在豐富的實體實踐環(huán)境中通過大量的操作訓(xùn)練才能不斷提高,因此,實體實踐環(huán)節(jié)不可替代；而鞏固、彌補并促進實體實驗的教學(xué)效果才是虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)發(fā)展的方向。這既體現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)對推動實體實驗教學(xué)的促進作用,又體現(xiàn)了實體實驗在提高學(xué)生實踐創(chuàng)新能力方面的核心作用。

虛擬仿真實驗教學(xué)中心是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的重要基地,是提升學(xué)生的科學(xué)思維、探索精神、實踐能力及創(chuàng)新能力的新平臺。虛擬仿真實驗教學(xué)不僅能突破實體實驗教學(xué)的諸多局限性,而且具有并延伸了理論教學(xué)的功能。因此,充分認(rèn)識虛擬仿真實驗教學(xué)在人才培養(yǎng)和教學(xué)工作中的地位和作用,正確認(rèn)識虛擬仿真教學(xué)中心與實體實驗教學(xué)基地的區(qū)別與聯(lián)系,將關(guān)系到虛擬仿真實驗中心的功能發(fā)揮與未來發(fā)展。為此,應(yīng)以“科學(xué)規(guī)劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續(xù)發(fā)展”的指導(dǎo)思想和全面提高學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力為宗旨[3],不斷發(fā)展和完善原有的實驗教學(xué)體系,加強虛擬仿真實驗教學(xué)的地位和作用,從而建立適應(yīng)教育信息化發(fā)展的虛實互補、以虛促實的多元化實踐教學(xué)新體系。

要建立多元化實踐教學(xué)新體系,就需要從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)過程和教學(xué)效果評價等方面進行系統(tǒng)的調(diào)整和完善[4]；需要建立實驗室管理信息平臺及實驗教學(xué)信息化管理機制,優(yōu)化實驗教學(xué)中心管理體制,實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享。此外,還需要配套建立實驗教學(xué)全面開放運行的政策、經(jīng)費、人事等保障機制,完善相應(yīng)的實驗教學(xué)質(zhì)量保證體系。

總之,高校應(yīng)順應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化時代發(fā)展,最大限度地發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)在教育教學(xué)中的作用,建立更加完善的虛實結(jié)合的實踐教育教學(xué)新體系,不斷提高學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

2　建設(shè)原則

虛擬仿真實驗教學(xué)能夠讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進行自主實驗探索,具有方便共享、全面開放、便于交互等諸多優(yōu)點。虛擬仿真實驗所營造的虛擬環(huán)境、對象及過程雖然逼真,但與學(xué)生實際動手操作的效果還是存在一定的差距。虛擬仿真實驗項目建設(shè)過多,尤其是以虛代實的實驗項目過多,將會造成學(xué)生避實就虛、眼高手低等弊端。當(dāng)前,已開發(fā)的許多虛擬仿真實驗項目屬于電影播放形式的順序執(zhí)行程序代碼,缺乏任意性、隨機性及拓展延伸性,很難鍛煉學(xué)生的綜合設(shè)計能力、創(chuàng)新實踐能力及科研探索能力。

另外,虛擬仿真實驗項目開發(fā)成本高、周期長,對實驗中心的建設(shè)有較大影響。

根據(jù)虛擬仿真實驗中心的建設(shè)理念及發(fā)展定位,應(yīng)采取“虛實互補、能實不虛、以虛促實”的原則來建設(shè)虛擬仿真實驗中心[5],而不能把所有的實體實驗都簡單地搬到網(wǎng)絡(luò)上或進行虛擬化,更不能因為實體實驗太復(fù)雜、太花時間或設(shè)備臺套數(shù)不夠而進行虛擬化。應(yīng)當(dāng)根據(jù)實體實驗發(fā)展需要,將虛擬實驗與實體實驗緊密結(jié)合,提升實體實驗效果,重點要做好以虛促實。

筆者認(rèn)為,涉及生物類的實驗項目,以下6種類型的實驗可以開發(fā)虛擬仿真實驗項目并獨立運行,或把其作為實體實驗的預(yù)備實驗,以體現(xiàn)只有配套虛擬仿真實驗才能得到的獨特效果,增強學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。它們體現(xiàn)了虛擬仿真實驗的具體適用原則。

(1) 在微觀層面揭示生命現(xiàn)象的規(guī)律及其分子機制的實驗,可借助Flash等動畫或?qū)嶓w分子實驗的微觀視頻等進行原理的可視化呈現(xiàn),這些認(rèn)識性實驗有助于加深對課堂理論知識的理解,也有助于指導(dǎo)學(xué)生開展驗證性實驗和應(yīng)用實驗。

(2) 生物學(xué)相關(guān)領(lǐng)域需要借助計算機開展的實驗,可以通過虛擬實驗來實現(xiàn),例如:

① 動植物分類鑒定，可以借助計算機存儲的動植物分類圖庫進行教學(xué),并以此類虛擬實驗作為野外實習(xí)的補充,有效提高學(xué)生野外實習(xí)的效果；

② 解剖實驗的可視化以及虛擬解剖實驗過程,它有助于提高實際解剖實驗的效果,提高實體實驗質(zhì)量；例如為預(yù)防禽流感等傳染性疾病而不能進行實體解剖的實驗,可以用虛擬實驗來彌補；

③ 基因序列分析及基因挖掘?qū)嶒炛饕峭ㄟ^虛擬仿真實驗來完成,生物大分子的結(jié)構(gòu)預(yù)測等生物信息學(xué)實驗也主要是通過虛擬仿真實驗來完成；

一是司法機關(guān)方面的問題。目前，“案多人少”是全國法院系統(tǒng)普遍存在的問題。從北京法院系統(tǒng)來看，雖然各基層法院都開展了立案階段多元調(diào)解試點工作，但是，各院的工作重點，仍然是動用各種資源和力量，努力消減已經(jīng)進入訴訟渠道的糾紛，仍然在去除“存量”上下功夫?！耙徽臼健彼痉ù_認(rèn)機制運行的基礎(chǔ)條件之一，就是要派出本已就相當(dāng)緊缺的員額法官和輔助人員，去全程指導(dǎo)、監(jiān)督社會調(diào)解組織的調(diào)解活動，并開展培育社會調(diào)解力量的工作。按照訴訟程序的標(biāo)準(zhǔn)培育一個調(diào)解組織的調(diào)解活動，是需要花費一定時間和精力的。在審判壓力相當(dāng)巨大的情況下，司法機關(guān)是否愿意拿出寶貴的審判資源，去做一件短期內(nèi)可能效益不顯著的工作是個需要思考的問題。

④ 藥物分子設(shè)計主要是基于靶點蛋白進行結(jié)構(gòu)分析及藥物分子的設(shè)計,需借助計算機進行,也可通過虛擬仿真實驗來完成。

(3) 有些很重要的實驗必須開設(shè),但又存在安全風(fēng)險,就可以采用虛擬仿真實驗,也可作為實際實驗的預(yù)備實驗,例如:

① 滅菌鍋和發(fā)酵罐高壓滅菌過程預(yù)備訓(xùn)練,這是實體實驗必有的內(nèi)容,可先通過虛擬仿真實驗熟悉實驗過程,提高學(xué)生安全意識,預(yù)防發(fā)生安全事故；

② 紫外燈、有毒試劑以及其他危險設(shè)備或試劑的使用,可通過虛擬仿真實驗來進行實驗安全教育,提高學(xué)生實際操作能力和防范、處理安全事故的能力。

(4) 有些很重要但又存在高度安全風(fēng)險、一般不會實際開出的實驗,可以通過虛擬仿真實驗來彌補。這種彌補實驗十分重要,是學(xué)生走上工作崗位后必將面對的,例如易燃易爆、劇毒等高度危險的實驗。

(5) 需要使用大型貴重儀器設(shè)備的實驗,一般本科生很難實際操作。可以通過設(shè)置虛擬仿真實驗和實體觀摩相結(jié)合,讓學(xué)生能夠接觸到大型儀器,這對于拓展學(xué)生視野和創(chuàng)新、科研思維非常重要。

在規(guī)劃建設(shè)虛擬仿真實驗項目時,應(yīng)優(yōu)先建設(shè)能最大限度提高學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的項目。

3　統(tǒng)籌規(guī)劃

教育部于2013年啟動了國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的審批建設(shè)工作。虛擬仿真實驗受硬件條件影響小,更易實現(xiàn)各類教學(xué)資源的優(yōu)化與共享,使教學(xué)資源跨區(qū)域服務(wù)多個專業(yè)、多個學(xué)校成為可能。但從目前高校開展虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)及應(yīng)用情況來看,受單位學(xué)科發(fā)展、專業(yè)方向、建設(shè)目標(biāo)、知識產(chǎn)權(quán)、開發(fā)技術(shù)、開發(fā)成本等因素限制,存在虛擬仿真實驗教學(xué)資源重復(fù)建設(shè)、建設(shè)簡單化和無序化、沒有充分開放共享等問題,偏離了國家提出的建設(shè)目標(biāo),亟待在制度層面、技術(shù)層面建立有利于資源開放共享的技術(shù)規(guī)范或協(xié)議,以及相應(yīng)的管理體制和運行機制。

(1) 建議教育部制定具體政策,推動虛擬仿真實驗教學(xué)資源全面共享,并制定共享考核評價體系以及收益分配制度,真正實現(xiàn)校內(nèi)外、本地區(qū)及更大范圍內(nèi)的實驗教學(xué)資源共享和示范輻射作用,滿足多學(xué)科專業(yè)、多學(xué)校和多地區(qū)開展虛擬仿真實驗教學(xué)的需要。

(2) 積極利用云計算、云存儲等先進計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù),將分散的多個虛擬仿真實驗教學(xué)中心的服務(wù)器互聯(lián)互通,構(gòu)建開放、互動、智能型的云平臺,實現(xiàn)更多資源的優(yōu)化與分享,提高教學(xué)資源利用效率和系統(tǒng)執(zhí)行速率。

(3) 建議國家制定政策,鼓勵科研院所、企業(yè)參與虛擬仿真實驗教學(xué)共建,以充分利用社會資源和技術(shù),推動虛擬仿真教學(xué)的良性發(fā)展,確保教學(xué)先進性,實現(xiàn)虛擬仿真實驗建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。學(xué)校與科研院所、企業(yè)的合作,不能以知識產(chǎn)權(quán)、發(fā)明專利形成壁壘,影響實驗教學(xué)資源的全面共享。

(4) 為便于虛擬仿真實驗教學(xué)資源的擴展、兼容及更新,建議國家制定虛擬仿真實驗教學(xué)資源開發(fā)技術(shù)規(guī)范,如建模語言、編程語言、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、接口定義等,以利于虛擬仿真實驗教學(xué)資源可運行于不同版本、不同操作系統(tǒng)之上,或運行于不同終端設(shè)備上。

(5) 建議教育部委托各專業(yè)委員會或教學(xué)指導(dǎo)委員會成立建設(shè)委員會,制訂本專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)規(guī)范。建設(shè)委員會可根據(jù)各個高校專業(yè)特色、學(xué)科分布、地區(qū)差異、技術(shù)儲備、開發(fā)成本等因素,統(tǒng)一規(guī)劃、協(xié)調(diào)建設(shè),避免重復(fù)建設(shè)或建設(shè)簡單化,共同促進,共享發(fā)展。

4　未來發(fā)展模式

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在沉浸性、交互性、構(gòu)想性等方面具有顯著優(yōu)勢,使得眾多高科技公司如Facebook、蘋果、谷歌、三星等加大在該領(lǐng)域的布局與投入。可以預(yù)見,實時三維計算機圖形、廣角立體顯示、立體聲、用戶跟蹤、觸覺與力覺反饋、跟蹤頭部運動頭套、人工智能等新技術(shù)將在實驗教學(xué)及技能培訓(xùn)方面發(fā)揮更大的作用；虛擬仿真實驗教學(xué)將成為教學(xué)改革的重要發(fā)展方向,得到更廣泛的應(yīng)用；虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)將成為國家教育信息化建設(shè)的重要基地。

同時,也要正確看待虛擬仿真技術(shù)在實驗教學(xué)上存在的局限性,應(yīng)科學(xué)規(guī)劃、統(tǒng)籌安排虛擬仿真實驗教學(xué),不能把實體實驗簡單虛擬化,也不能因?qū)嶓w實驗復(fù)雜、費用高、設(shè)備數(shù)量少而虛擬化。應(yīng)以提高學(xué)生實踐創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力為根本出發(fā)點,將虛擬實驗與實體實驗緊密結(jié)合,提升實體實驗效果。虛擬仿真實驗教學(xué)中心的發(fā)展應(yīng)以實為主,以虛為輔、虛實結(jié)合、虛中有實、實中有虛、以虛補實、以虛拓實、以虛促實。實驗教學(xué)示范中心和虛擬仿真實驗教學(xué)中心的共同建設(shè),將進一步促進實驗教學(xué)資源的整合與共享,推動高等學(xué)校實驗教學(xué)改革和高等教育教學(xué)質(zhì)量不斷提升。

虛擬仿真實驗教學(xué)是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的結(jié)果,完全依賴校外企業(yè)或通過高校與企業(yè)簡單合作進行研發(fā)很難實現(xiàn)其可持續(xù)發(fā)展。一般來講,實驗中心每年實驗經(jīng)費相對固定,不僅要購置儀器設(shè)備,還要購買耗材試劑,剩余的有限經(jīng)費很難開發(fā)那些高研發(fā)成本的虛擬仿真項目。另外,一些公司雖然在信息技術(shù)方面具有優(yōu)勢,但對學(xué)科專業(yè)知之不多,這會使項目開發(fā)周期長或所開發(fā)的軟件存在諸多缺陷,很難達到教學(xué)大綱要求的實驗教學(xué)效果?？梢?如果未來要深入推進教育信息化,還需要進一步完善多元化實驗教學(xué)體系,將部分專業(yè)教師分離出來,專門從事虛擬仿真實驗教學(xué)資源的開發(fā)與教學(xué)實踐。這些教師具有

良好的專業(yè)知識和授課經(jīng)驗,同時又掌握先進的信息技術(shù),可自主開發(fā)虛擬仿真實驗項目,虛擬仿真實驗教學(xué)中心將能獲得良好的可持續(xù)發(fā)展。

5　結(jié)語

現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展,深刻影響著高校的實驗教學(xué)改革。虛擬仿真實驗教學(xué)是一種新的教學(xué)模式,它有利于優(yōu)質(zhì)教育資源的共享與優(yōu)化,有利于教育信息化的推進和教育質(zhì)量的不斷提升。高校應(yīng)借助國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心審批建設(shè)工作,推動虛擬仿真實驗中心又好又快地建設(shè)與健康發(fā)展。

References)

[1] 國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)[EB/OL].(2010-07-29)[2015-10-05].http://www.gov.cn/jrzg/2010-07/29/content_1667143.htm.

[2] 李平,毛昌杰,徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)提高高校實驗教學(xué)信息化水平[J].實驗室研究與探索,2013,32(11):5-8.

[3] 教育部高等教育司.關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知[EB/OL].(2013-08-13)[2015-10-05].http://www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/A08_gggs/201308/156121.html.

[4] 劉亞豐,吳元喜,蘇莉,等.生命科學(xué)與技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)體系構(gòu)建[J].實驗技術(shù)與管理,2015,32(9):120-123.

[5] 劉亞豐,吳元喜,蘇莉,等.信息化背景下虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)規(guī)劃與實踐[J]. 高校生物學(xué)教學(xué)研究,2015,5(3):39-43.

Exploration on construction idea and development mode of virtual simulation experimental teaching center

Liu Yafeng, Yu Longjiang

(College of Life Science and Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

The virtual simulation experimental teaching center is an important platform to cultivate students’ ability of innovation and practice. Its careful planning will affect the teaching effect and the sustainable development. The practical teaching system with the combination of virtual and real experiments is suggested. The real teaching experiments should be the primary teaching mode and the virtual one is its important supplementary. These ideas will promote the rapid and orderly construction and development of virtual simulation experimental center.

virtual simulation; reform of experimental teaching; construction of laboratory

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.030

2015- 10- 08

生物科學(xué)國家理科基地能力提高基金項目(NSFC-J1103514)；湖北省教學(xué)研究項目(2014070)

劉亞豐(1976—),男,河南漯河,博士,工程師,主要研究方向為生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)、光遺傳學(xué)、電生理學(xué)

E-mail：yfliu@mail.hust.edu.cn

余龍江(1966—),男,湖北黃岡,博士,教授,博導(dǎo),主要從事資源生物學(xué)與生物技術(shù)研究.

E-mail：yulj@hust.edu.cn

D647

B

1002-4956(2016)4- 0108- 03