虚拟仿真技术在生物技术实验教学中的应用

［摘 要］ 实验教学是生物学类教学中重要的环节，也是学生创新能力培养的重要手段。 如何在实验教学中更好地激发学生的学习 兴趣，提高教学效果，是目 前实验教学中面临的一个难题。 该文通过虚拟仿真实验的建设与应用，探索出“三步走”的教学方法，即第一步，进行实验原理与应用课堂教学；第二步，虚拟仿真实验教学；第三步，真实车间或实验室内的教学活动。 通过这样的教学方法，学生参与实验教学的积极性和主动性提高了 ，激发了 学生的学习 兴趣和潜能，变被动学习 为主动学习 ，提高了 实验教学质量。

［关键词］ 虚拟仿真实验；生物学；实验教学

［基金项目］ 2019年度黑龙江省教育厅“基于‘ 互联网 +’的林业院校细胞生物学实验教学改革的研究与实践”（SJGY20190034）；

2018年度东北林业大学“虚拟仿真技术在生物学拔尖人才实践能力培养中的探索与应用”（DGY2D2018-09）

［作者简介］ 齐凤慧（1976—），女，北京人，博士，东北林业大学生命科学学院高级工程师，主要从事林木遗传改良与逆境分子生物学方向研究；宋兴舜（1978—），男，黑龙江讷河人，博士，东北林业大学生命科学学院教授，主要从事植物逆境生理与分子生物学方向研究；滕春波（1970—），女，山东莱州 人，博士，东北林业大学生命科学学院教授（通信作者），主要从事分子细胞生物学方向研究。

实验教学是指学生通过实验对象的选择， 然后在人为的控制条件下，所从事的包括实验设计、实验现象的观察、结果分析等实验过程，并在这个过程中获得知识、能力和素质的教学活动。 实验教学和创新人才的培养是紧密联系的， 学生通过实验体验到创新的快乐和自信， 激发学生的创新欲望。 随着教学内容的深入及一些科研成果的引入，就会有一些实验周期长、耗材昂贵、试剂危险等因素进入实验教学中， 因此会有一些不适合学生实际操作只能给学生演示的实验项目。 2013年教育部启动了国家级虚拟仿真实验教学中心的建设工作，之后虚拟仿真实验项目快速发展 [１ ] 。 以新信息技术为本质特征的虚拟仿真教学， 越来越受到重视 [２] 。生物学是一门实验性较强的学科， 实验在生命科学专业课程体系中占有重要的地位。 生物技术的快速发展带来了许多新的实验技术， 在实验教学中更好地传授这些新技术， 让学生不仅掌握技术的原理与方法， 还能在操作和应用过程中提高分析问题和解决问题的能力[３ ] ， 从而提高创新能力。 虚拟仿真技术的出现，解决了实践教学环节中学生接触不到或无法直接操作的实验内容， 成为完善生物类学生实践能力培养的快速有效途径。 本文以我校生命科学学院已有的虚拟仿真实验项目为例， 介绍虚拟实验在生物类专业实验教学中的探索和应用。

一、虚拟仿真实验项目建设

为了满足学生在学习中能够及时与老师沟通、 能够利用信息化的平台进行个性化学习的需求， 我们首先利用超星学习通平台建立了在线开放课程，结合新形势下人才培养的要求，又引入虚拟仿真实验教学内容， 实现了线上线下混合式教学、虚实互补和多层面的共享学习模式。 目前已经建设了基因工程、 细胞工程和细胞生物学相关的虚拟仿真实验项目（如下图）。 基因工程虚拟仿真实验共包括十个实验项目， 是利用Flash技术完成的， 可以直接添加在在线课程中（https://mooc1-1.chaoxing.com/course/87940225.html）， 学生观看和操作都很方便。

细胞工程和细胞生物学虚拟仿真实验是利用

3D技术实现的，细胞工程实验包括3个虚拟仿真实验项目： 植物细胞规模化培养； 植物细胞次生代谢产物工业化提取； 高效液相色谱法检测次生代谢产物。 学生在使用时需要先安装平台软件和虚拟实验软件，该平台会记录学生的操作成绩。 细胞生物学实验包括三个虚拟仿真实验项目： 萌发花粉管中Ca 2+ 的动态观察时间序列扫描；激光共聚焦的Z轴扫描与三维重建；免疫荧光装片的激光共聚焦多通道扫描， 涵盖了激光共聚焦显微镜的不同功能。

二、实验教学内容、方法创新

利用植物细胞规模化生产获取目标产物是当今生物技术产业化的热点之一。 我们结合我校科研团队科研成果， 利用自主研发的1～ 5吨级生物反应器规模化培养植物材料， 并提取分析要用的成分。 为了将这一科研成果转化到教学中，我们引入虚拟仿真实验项目， 在细胞工程实践教学中通过实际动手和虚拟仿真实验训练， 提高学生的实践动手、 综合创新能力， 加强学生对产业化的认识，使学生了解知识如何转化为现实生产力，符合新时期大学生素质培养的需求。

虚拟仿真实验教学是一种重要的实验辅助手段，它可以利用多媒体和互联网，通过Flash或3D技术制作的虚拟仿真实验软件，通过人机互动达到在虚拟平台上进行实验重现和学习的目的 [４，５] 。 可以弥补传统实验教学中的不容易实现的步骤 [６] 。 在实际应用过程中，我们选择“三步走”的教学方法，即第一步， 进行实验原理与应用课堂教学； 第二步， 虚拟仿真实验教学；第三步， 真实车间或实验室内的教学活动。

（一）将最新研究进展引入实验课堂

指导学生了解实验的相关原理， 介绍实验内容的优缺点，引入最新的研究文献介绍应用范围、研发策略等，以求吸引学生的注意力，提高学生的学习兴趣。 如在细胞生物学实验中，我们在介绍冷冻电镜技术的应用时，会引入最新的研究报道，如2020年3月 在Science杂志上在线发表的“Structuralbasis for the recognition of the SARS-CoV-2 byfull-length human ACE2”。 这篇文章就是我国科研人员利用冷冻电镜技术成功地解析了新型冠状病毒细胞表面受体ACE2的全长三维结构，以及新型冠状病毒表面S蛋白受体结构域与细胞表面受体ACE2全长蛋白复合物的三维结构。 通过这篇文献介绍， 学生明白了我们学习的实验技术主要可以应用在哪些方面， 明白这一研究结果在实际应用中的重要作用。 在其他的实验内容中也会引入不同的研究报道， 让学生认识到生物技术中蕴含的经济价值， 意识到掌握生物类相关知识能够提高自身的就业竞争力， 从而从根本上激发学生的学习热情。

同时也会要求学生利用思维导图方式设计出自己的或小组的实验实施方案， 学生可以将设计好的结果上传到在线开放课程中， 这样老师可以及时指导并完善实验方案。

（二）虚拟仿真实验在实验教学中的应用

在虚拟仿真实验部分， 会先给同学们讲解虚拟实验的目的， 以及如何操作、如何考核等， 然后由学生在电脑上进行操作演练。

在基因工程实验中， 因为是Flash技术制作的虚拟仿真实验，操作简单，所以每个虚拟实验项目1学时。 学生登录在线课程就可操作，主要包括木本植物遗传转化和转基因植物的检测与鉴定两个模块，十个实验项目。 操作部分包括演示和测试两部分，测试只是让学生去练习并熟悉操作过程，不能记录成绩。 在测试过程中，如果学生忘记了下一步是什么操作，点击帮助按钮会跳出文字提示。

在细胞工程和细胞生物学实验中， 采用了3D技术制作的虚拟仿真实验，操作相对复杂，因此每个虚拟实验项目2学时。 学生需要注册、登录、下载插件安装后才可以操作。 进入植物细胞规模化生产虚拟仿真软件后， 会先有一个Flash的动画操作演示， 因为该部分内容是工业化生产前的材料准备， 可以在实验室实际完成， 因此制作时设计成Flash的动画演示形式。在工业生产部分的操作中，是3D操作模式， 场景完全按照实际的车间场景制作，可以360度旋转， 学生可以按照操作指引完成工业化的操作过程。 后台会记录开始和结束的时间、分数、考核是否通过等。 植物次生代谢产物提取工艺也是按照工业化场景制作的， 功能设置与植物细胞规模化培养相同。

高效液相色谱与激光共聚焦显微镜虚拟仿真实验属于大型仪器类虚拟仿真实验。 在制作中主要考虑仪器的应用功能而设置不同的虚拟实验项目。 在液相色谱虚拟软件中，包括了样品的不同脱气方式、不同的流动相模式选择等，这样学生在使用时除了了解实验方法， 还能掌握仪器的不同应用功能。 激光共聚焦显微镜因其功能较多，在制作时针对不同的功能设置了单通道和多通道扫描、Z轴扫描及三维重建、时间序列扫描。 在软件界面中还有激光共聚焦显微镜相关的理论知识、 操作规程、实验原理、注意事项等。

通过仿真实验的模拟训练， 学生对实验原理及操作过程已经了解清楚， 在自 己做实验时错误率明显下降。 3D的仿真项目， 能让学生有更好的沉浸感， 像游戏一样的体验， 更增加了学生的兴趣。 学生在掌握相关实验的操作程序的同时，加深了对相关基本概念和实际生产的理解， 达到掌握相应知识点和应用能力培养的教学效果。

（三）线下真实车间或实验室教学活动

学生通过虚拟仿真实验后， 需要分组到车间或者实验室进行实践活动。 分批次带领学生进入植物细胞规模化生产和产物提取生产车间， 观摩虚拟实验中的真实操作过程及实际生产环境， 讲解危险点的注意事项及感受危险的真实效果， 如生产车间的噪声、 高压蒸汽排放时的排气声和产生的雾气等。 由于车间生产的连续性和特殊性，系统在运行时无法进行手动开关操作、 控制台操作等动手学习内容。 车间教学选择在系统未运行时进行动手学习内容， 或者在系统运行时进行虚拟操作模拟比对现场操作模拟学习内容。

在实验室里， 分批次带领学生进入大型仪器室，如激光共聚焦显微镜室或高效液相色谱室，实际演练大型仪器的操作技术。 每组由一个学生进行实际操作，其他成员可以辅助提醒等。 学生还需要按照之前设计的实验实施方案， 通过虚拟实验掌握的实验操作方法和注意事项等进行实际操作。 如在基因工程实验中，所有的实验项目学生都需要自己再实际操作一遍。 这样将虚拟与现实相结合， 进一步掌握生物学专业相关的理论和实践知识。

三、虚拟仿真实验的教学效果及应用价值

（一）虚拟仿真实验引入教学中的效果

虚拟仿真实验可以解决实验教学中抽象的原理、 烦琐的操作， 以及实验周期长等问题， 既可节省教学成本、 保证实验的真实性， 又可以降低安全隐患、激发学生学习兴趣， 提高教学质量 [７] 。有91.53%的学生认为Flash交互实验能够解决传统实验教学中遇到的困难， 减少实验操作的错误率 [７] 。 3D技术的虚拟仿真实验，可以360° 操作，模仿高度仿真的实验环境和对象， 实现真实实验无法完成或具有高风险、高成本的实验项目，作为真实实验的有益补充和辅助。 学生开阔了视野，获得了更为全面系统的实验技能训练， 建立了完整的生命科学知识体系，满足了人才培养需要。 同时，信息化环境下新的学习理念和方式更加注重学习和实验过程， 而虚拟仿真实验正好能够为新的学习环境提供丰富的实验教学资源， 满足学生在线学习和实验教学的需要。 总之，虚拟仿真实验教学软件的建设与应用， 能够和真实实验课堂相互补充， 学生通过虚实结合的实验教学， 更加系统、全面地掌握了生物学实验技能， 拓宽了生物科学视野，综合实践能力和创新能力得到提高。

（二）虚拟仿真实验建设的必要性

生物学是一门实验性学科，通过实验教学， 提升学生的观察能力、发现问题和解决问题的能力，激发学生对生命科学研究的兴趣和灵感， 培养学生的创新和实践能力。 但因生物材料的特殊性，有些生物学实验周期较长， 这在真实教学实验展示中只能是一些生命现象或发展的过程， 多数也是片段的、不连续的。 一些前沿科研成果转化为实验教学内容往往难度大、复杂程度高，需要使用昂贵的大型科学仪器设备。 还有一些微观水平的实验现象、原理较为抽象，学生很难理解。 科研成果转化为工厂应用过程中，一些工艺系统又非常复杂，成本较高， 还有一些技术保密等因素往往不能使学生全程参与工艺流程，更是无法掌握关键技术。

这些在实际实验教学中的局限性都了学生对现代生物技术的掌握、视野的开阔、系统知识体系的形成等， 不能更好地促进学生科研创新能力和实践能力的发展。

而虚拟仿真实验作为真实实验的重要补充和扩展， 保证了生物学实验的系统性、综合性， 同时又有经济性、安全性的优点，还能与传统真实实验有机结合，促使学生开阔视野，获得更为系统全面的技能训练。

同时，虚拟仿真实验教学通过共享平台，不仅可以满足在校本科学生的实验教学，还可以高效、便捷、经济地为相关教师的继续教育、生物技术人员的专业技能培训、 生物学知识的社会普及提供支撑。 虚拟仿真实验可以解决实验教学中抽象的原理、烦琐的操作及实验周期长等问题。 既可以节省教学成本、保证实验的真实性，又可以降低安全隐患，激发学生的学习兴趣，提高教学质量。

（三）虚拟仿真实验在教学应用中的价值

本科生真实实验教学往往因硬件条件、 课时数等因素，实验内容大多为割裂、的单个实验技能，很难引入完整的、系统的前沿研究内容和最新实验技术。 而现代生物学尖端研究又存在很多复杂程度高、 系统性强、 微观的抽象的实验内容。 虚拟仿真实验可以很好地缓解这二者之间的矛盾， 可以将高难实验仿真化、 危险实验安全化。 目前在国家虚拟仿真实验教学项目共享平台上各类项目已达2000多项， 按照学科类已达到40余个门类， 涉及农、林、医、工、文、法、管理等诸多学科 [８] 。 虚拟仿真实验项目在实验内容上、教学方法上及实验方法上都拓展了实验教学的广度和深度。 为了使相同的虚拟仿真项目不重复建设，又能提高教学质量，由高等院校、相关企事业单位和专家组织自 愿组成了虚拟仿真实验教学创新联盟，推动虚拟仿真实验项目的共享。

我们建设多种不同的虚拟仿真实验， 并在细胞生物学、基因工程、细胞工程等实验教学中推广应用，其目的是为了开阔学生眼界，真实展现多样的生物科学研究， 并以生物学科学问题和科研课题为导向， 促进学生综合运用多学科理论知识和多种实验技能与手段， 巩固学生对生命科学研究核心问题的系统认识，形成全面的科学思维，锻炼学生的创新能力，提升基本的科学素养。

参考文献

［1］范小露，张新毅.国内 虚拟仿真实验教学研究趋势与 热点分析［J］.科教文汇(下旬刊),2020(3):3-4.

［2］谷艳华，苗广文，杨得军.混合教学模式下虚拟仿真教学的探索与实践［J］.实验技术与管理,2019,36(7):188-191.

［3］姚庆收，秦加阳， 张小华,等.虚拟仿真实验教学在分子生物学实验教学中的应用思考［J］.卫生职业教育,2020,38(5):82-83.

［4］刘 琼， 张韦 深， 龙天澄,等.对虚拟仿真实验室建设的再认识［J］.中国医学教育技术，2017，31（2）：162-165.

［5］金太成，杨丽萍，赵永斌.虚拟仿真实验平台在生物技术专业本科实践教学中 的 应用 ［J］. 长春师 范大学学报，2019，38（2）：144-145.

［6］白冬松，王春贵.虚拟仿真实验评价体系在医学机能学实验中的应用［J］.内蒙古民族大学学报(自 然汉文版)，2019（2）：157-158.

［7］齐凤慧,孔德强,詹亚光,等.交互性Flash在基因工程实验教学中的应用［J］.实验科学与技术,2019,17(01):79-84.

［8］ 国 家虚拟仿真实验教学项目 共享平台［EB/OL］.