程碧君 李天嬌＊

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院食品工程學(xué)院，吉林 吉林 132101）

0 前言

事實(shí)已經(jīng)證明，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)高校大學(xué)生實(shí)踐能力及觀察能力的提升能產(chǎn)生非常積極的影響，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)在高校專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中占有重要地位[1]。然而，由于資源短缺，各高校圍繞動(dòng)物實(shí)驗(yàn)開展的實(shí)踐教學(xué)始終未能達(dá)到高校期待的理想效果，在這種情況下，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)展開虛擬化的實(shí)踐教學(xué)，已經(jīng)成為大勢所趨。虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)可以將被觀察的景物生動(dòng)地展現(xiàn)出來，其正面、反面和側(cè)面，甚至內(nèi)部都可以觀察，學(xué)習(xí)者的感覺和思維器官可以被充分調(diào)動(dòng)[2]。

本研究以高等院校動(dòng)物實(shí)驗(yàn)課程的開發(fā)為原型，通過對(duì)高等院校課程動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的分析，對(duì)3D交互技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)和仿真實(shí)驗(yàn)室等相關(guān)資料進(jìn)行學(xué)習(xí)研究，客觀分析高校動(dòng)物實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，從教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)踐的角度研究開發(fā)虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行測試和評(píng)價(jià)，為動(dòng)物實(shí)驗(yàn)與教學(xué)的創(chuàng)新提供了一種新思路。

1 高校動(dòng)物實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題

目前，有些高校的專業(yè)課程對(duì)理論學(xué)習(xí)過于重視，而忽視了學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。然而，學(xué)生具有的理論基礎(chǔ)與實(shí)踐能力應(yīng)該是同等地位的。在現(xiàn)實(shí)生活中，由于學(xué)生缺乏實(shí)踐能力，無法解決實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)過程中遇到的問題。究其原因主要是由于一些高校缺乏相關(guān)資源，對(duì)高校動(dòng)物實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)教學(xué)進(jìn)行總結(jié)發(fā)現(xiàn)，主要存在以下幾方面問題。

1.1 學(xué)生對(duì)動(dòng)物試驗(yàn)技能培訓(xùn)重視不足

動(dòng)物試驗(yàn)技能培訓(xùn)對(duì)于學(xué)生專業(yè)技能的培養(yǎng)非常重要，尤其是動(dòng)物醫(yī)學(xué)等專業(yè)。實(shí)驗(yàn)對(duì)象為動(dòng)物，學(xué)生對(duì)不同類型的實(shí)驗(yàn)技能進(jìn)行演習(xí)，以訓(xùn)練學(xué)生的基本功，如洗手、消毒、器械擺放等準(zhǔn)備步驟，同時(shí)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前應(yīng)了解實(shí)驗(yàn)對(duì)象。然而，由于許多學(xué)生由于個(gè)人害怕、恐懼或厭惡以及思想上的輕視等原因放棄了動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，只是觀看教師或其他同學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2 高校動(dòng)物實(shí)驗(yàn)相關(guān)資源匱乏

許多高校不太重視學(xué)生動(dòng)物試驗(yàn)技能的培養(yǎng)，主要是由于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)樣本和動(dòng)物房的數(shù)量不夠，以及受到教師人數(shù)和教學(xué)模式等原因的限制，導(dǎo)致學(xué)生動(dòng)物試驗(yàn)技能培訓(xùn)方面欠缺，對(duì)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要影響。

1.3 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)周期較長

由于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)課程涉及建立動(dòng)物模型等內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)周期長，實(shí)驗(yàn)前期建立動(dòng)物模型過程通常由教師完成，學(xué)生只能直接觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果或利用已建成的動(dòng)物模型完成后續(xù)實(shí)驗(yàn)，無法參與整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，造成實(shí)驗(yàn)體系認(rèn)知不完整、知識(shí)記憶碎片化[3]。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本概念和優(yōu)勢

虛擬仿真（Virtual Reality），簡稱VR技術(shù)，是指以多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等信息科技為基礎(chǔ)開發(fā)出的一種更高級(jí)的仿真技術(shù)[4]。1989年，美國教授威廉·沃爾夫提出以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)打造虛擬實(shí)驗(yàn)室的想法。而后，聯(lián)合國教科文組織對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室（Virtual Laboratory）做出如下定義：“為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程協(xié)作、實(shí)驗(yàn)研究或其他創(chuàng)新活動(dòng)，通過分布式信息通信技術(shù)產(chǎn)生并發(fā)布結(jié)果的電子工作”[5]。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，有些國家已進(jìn)行相關(guān)研究。美國于20世紀(jì)90年代將虛擬實(shí)驗(yàn)室列入科研發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，并在生物學(xué)等學(xué)科的實(shí)踐培訓(xùn)方面應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)[6]。雖然中國的虛擬仿真技術(shù)起步較晚，但就發(fā)展前景而言，強(qiáng)有力的國家政策支持，其發(fā)展趨勢不容低估。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用研究正處于適應(yīng)新課標(biāo)發(fā)展的階段，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)有以下優(yōu)勢。

2.1 有助于課堂教學(xué)效率的提高

虛擬仿真技術(shù)動(dòng)物模擬教學(xué)能夠以清晰生動(dòng)的形式，全方位展示動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中動(dòng)物器官的解剖學(xué)和形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)。虛擬仿真技術(shù)以動(dòng)畫和三維模型為手段激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過更加直觀而且有效的方式使學(xué)生對(duì)器官結(jié)構(gòu)有更加深入的理解，突破了過去只能通過限定的物理形態(tài)，掛圖或文字描述的授課方式，并且受到時(shí)間和空間的限制。因此，虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)更有利于課程計(jì)劃的實(shí)施。

2.2 有助于個(gè)性化教學(xué)的開展

現(xiàn)代教育更加注重“因材施教”，提倡一對(duì)一的教育，采用靈活多樣的學(xué)習(xí)方式。因此，高校可根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)條件的差異，開展有針對(duì)性的教學(xué)。而虛擬仿真技術(shù)可以創(chuàng)造一個(gè)適合學(xué)生自主學(xué)習(xí)的環(huán)境，通過學(xué)習(xí)鏈接學(xué)生可選擇自己的學(xué)習(xí)需求，依據(jù)對(duì)知識(shí)掌握的情況，隨時(shí)調(diào)整學(xué)習(xí)進(jìn)度進(jìn)而有效地開展教學(xué)。學(xué)生還可以通過測試模塊以檢測學(xué)習(xí)效果，對(duì)所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行鞏固以掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

2.3 減少了實(shí)驗(yàn)教學(xué)投入

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育重要的教學(xué)手段之一，實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的投入在高等院校課程教學(xué)總體投入中所占比例較高。然而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)和應(yīng)用可以大大減少實(shí)驗(yàn)課程整體投入。開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)雖然需要一次性的投入，但是這種教學(xué)模式無須后續(xù)新的資金消耗，而且虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以使教師和學(xué)生隨時(shí)開始實(shí)驗(yàn)和進(jìn)行測試，增加了課堂互動(dòng)，尤其在疫情時(shí)間更有助于實(shí)現(xiàn)教育教學(xué)的經(jīng)濟(jì)效益。

2.4 解決了實(shí)驗(yàn)條件不足的困境

隨著學(xué)校發(fā)展和規(guī)模擴(kuò)大，學(xué)生人數(shù)急劇上升，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)條件不能立即達(dá)到相應(yīng)的教學(xué)需求。比如在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為學(xué)生購買大型動(dòng)物做解剖實(shí)驗(yàn)成本昂貴，而且實(shí)驗(yàn)配套設(shè)施有限，安全也存在隱患。然而在動(dòng)物試驗(yàn)中引入虛擬仿真教學(xué)模式可以模擬大型動(dòng)物解剖的真實(shí)實(shí)驗(yàn)場景，將交互式3D模型設(shè)計(jì)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，學(xué)生可以通過操作計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)在模擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行動(dòng)物解剖實(shí)驗(yàn)，這樣可以充分利用虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢，達(dá)到與真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相同的效果，讓學(xué)生感受身臨其境的課程實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。

3 基于虛擬仿真技術(shù)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)與應(yīng)用

3.1 虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、模擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和多媒體技術(shù)，找到多項(xiàng)模擬和仿真技術(shù)的切合點(diǎn)，模擬一個(gè)非現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)體系。在模擬現(xiàn)實(shí)的體系中，實(shí)驗(yàn)操作步驟與真實(shí)環(huán)境中的操作步驟相同。根據(jù)不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室被劃分為幾種類型。雖然虛擬實(shí)驗(yàn)室種類繁多，創(chuàng)建方法各異，但構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的過程基本相同，構(gòu)建過程中都是基于3ds Max和Virtools。開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)室包括四個(gè)階段：首先需要建立三維模型和創(chuàng)建相應(yīng)的圖像，隨后將三維模型和相應(yīng)的圖像導(dǎo)入Virtools，緊接著進(jìn)行交互式3D模型設(shè)計(jì)，最后實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室發(fā)布。

3.2 虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的效果評(píng)價(jià)

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：首先，學(xué)生可以通過人機(jī)交互模式對(duì)動(dòng)物的結(jié)構(gòu)有一個(gè)更加細(xì)致的了解，這能在一定程度上幫助他們克服畏難心理，讓他們以更加飽滿的熱情參與到動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)中來。其次，虛擬仿真技術(shù)能幫助教師打造情景教學(xué)模式，降低教師講解專業(yè)知識(shí)的難度，并提高學(xué)生們學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的效率。再次，虛擬仿真技術(shù)創(chuàng)造出來的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，能打破實(shí)驗(yàn)器材缺失給學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)造成的阻礙，讓學(xué)生獲得動(dòng)物標(biāo)本的真實(shí)體現(xiàn)，進(jìn)而提高學(xué)生在實(shí)驗(yàn)器材選擇、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)等多個(gè)方面實(shí)踐能力，讓他們成為社會(huì)所需要的實(shí)踐性人才。最后，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可以讓章節(jié)知識(shí)點(diǎn)、習(xí)題、學(xué)生的日常作業(yè)成為反映學(xué)生動(dòng)物實(shí)驗(yàn)水平的重要依據(jù)，這對(duì)教師全方位了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況對(duì)課堂進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整，能產(chǎn)生非常積極的影響。除此之外，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可以降低學(xué)校花在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)上的花銷，將經(jīng)費(fèi)用來支持教學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和教學(xué)模式的改良，這也是在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中動(dòng)用虛擬仿真技術(shù)的積極影響之一。總而言之，虛擬仿真技術(shù)，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生參與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)課程的積極性，讓學(xué)生的知識(shí)積累變得更加豐富，也能夠提高學(xué)校的辦學(xué)質(zhì)量和教師的教學(xué)效率。因此，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中，教師應(yīng)積極引入虛擬仿真技術(shù)，使學(xué)生具備更強(qiáng)的專業(yè)能力。

4 結(jié)語

總之，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是將理論知識(shí)付諸實(shí)踐的過程，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，能讓學(xué)生根據(jù)所需，全方位多角度的獲取與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，從而提升他們學(xué)習(xí)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)知識(shí)的底氣和熱情。除此之外，虛擬仿真技術(shù)還能幫助教師打造情景式、開放式的教學(xué)模式，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提升動(dòng)物實(shí)驗(yàn)這門課程的教學(xué)效果。

圖1 虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)建流程