發(fā)達國家在大學(xué)開展虛擬生物學(xué)實驗教學(xué)的經(jīng)驗及啟示

范 蕾

(北京理工大學(xué) 生命學(xué)院實驗與教學(xué)中心，北京 100081)

0 引 言

信息技術(shù)的快速發(fā)展對發(fā)達國家大學(xué)生物實驗教育的方式產(chǎn)生了重大的影響。發(fā)達國家大學(xué)利用多媒體、仿真及網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)運用在計算機硬件操作環(huán)境上，建立網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室。此類實驗起到輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)。實驗者在模擬真實的操作環(huán)境中完成各種實驗項目，所取得的實驗效果等同于或優(yōu)于在真實環(huán)境中所獲得的效果，這已成為現(xiàn)代實驗教育技術(shù)發(fā)展的必然趨勢[1]。

1 概 述

大學(xué)生物學(xué)實驗是培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)實驗?zāi)芰?、科研素養(yǎng)和科研方法的基礎(chǔ)課程，是大學(xué)本科生接受系統(tǒng)生物學(xué)實驗方法和實驗技能訓(xùn)練的開始階段。隨著網(wǎng)絡(luò)3D技術(shù)、虛擬實驗平臺技術(shù)的發(fā)展，發(fā)達國家大學(xué)構(gòu)建開放式網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)，把生物學(xué)教學(xué)實驗室的數(shù)字化和虛擬化，為學(xué)生建立了虛擬實驗平臺和開放實驗室管理系統(tǒng)。學(xué)生在此平臺上可動手設(shè)置、連接、調(diào)節(jié)和使用虛擬實驗儀器設(shè)備。與真實實驗類似，師生可利用虛擬器材庫中的器材自由設(shè)計、搭建合理的經(jīng)典實驗[2]。

虛擬實驗可有效解決大學(xué)在經(jīng)費、場地、設(shè)備、材料等方面的困難且開展網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學(xué)能夠突破傳統(tǒng)實驗對“時間、空間、經(jīng)費、教師和學(xué)生人數(shù)”的限制，無論是學(xué)生還是教師，都可隨時隨地上網(wǎng)進入虛擬實驗室、操作儀器，進行各種實驗，有助于提高實驗教學(xué)效率和質(zhì)量。

2 虛擬生物實驗教學(xué)的經(jīng)驗

西方發(fā)達大學(xué)生物學(xué)專業(yè)的高、低年級學(xué)生所做虛擬實驗從內(nèi)容與形式上有很大差別。

2.1 低年級虛擬教學(xué)模式

美國伊利諾伊大學(xué)香賓分校生物學(xué)專業(yè)從2001年就開始使用美國麻省理工學(xué)院構(gòu)建的遠程網(wǎng)絡(luò)實驗室(iLabs)教育系統(tǒng)見圖1。學(xué)生接觸到先進的生物學(xué)技術(shù)。例如，學(xué)生可利用以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的軟件模擬需要呈現(xiàn)真實的實驗研究醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的疾病診斷。具體虛擬實驗包括疾病的診斷(例如鐮刀細胞貧血、囊腫性纖維化、亨廷頓疾、血友病)，DNA指紋圖譜實驗、DNA限制性內(nèi)切酶酶切實驗或?qū)W生可在很短的時間里實現(xiàn)用現(xiàn)代方法克隆生物或做轉(zhuǎn)基因作物的實驗。學(xué)生通過上機操作、數(shù)據(jù)輸入和分析獲得實驗結(jié)果[3]。

圖1 低年級生物網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗的教學(xué)大綱

在校注冊的低年級生物學(xué)專業(yè)的學(xué)生只有順利通過理論課程的考試然后，才能獲得進入網(wǎng)絡(luò)實驗課程教學(xué)平臺的密碼，最后持密碼進入虛擬實驗平臺做實驗。學(xué)生做虛擬前還要完成幾個準備工作，①做實驗作業(yè)，包括實驗材料的準備、實驗?zāi)康?、方?儀器原理和分析)、任務(wù)(確保實驗順利完成)。②學(xué)生在做實驗前還要完成在線測試(一般回答四個問題并提交答案)。 學(xué)生完成實驗后需提交書面實驗報告(包括實驗原理、實驗記錄和提出對實驗中出現(xiàn)的問題并回答問題發(fā)生的原因和解決方法及實驗安全的教育內(nèi)容)，其中最后實驗的分析需列出參考文獻(理論參考書、學(xué)科研究進展類的書籍、文獻、網(wǎng)絡(luò)信息等)

2.2 高年級虛擬實驗?zāi)M真實工廠實驗操作間

在美國俄勒岡大學(xué)高年級生物學(xué)專業(yè)的學(xué)生要參加模擬真實工廠實驗操作間的高級虛擬實驗。這一系列的實驗?zāi)Ｊ绞菄@模擬復(fù)雜的生物反應(yīng)過程而展開[4]。例如，大學(xué)與工廠合作，工廠提供大學(xué)每個車間的具體技術(shù)信息，大學(xué)會根據(jù)提供的真實化學(xué)車間的錄像帶，通過計算機建模。除了增加提供的重要背景信息過程，錄像也會給學(xué)生觀摩以強調(diào)學(xué)生做模擬實驗的真實性。大學(xué)與企業(yè)合作采用SUN工作站上使用UNIX和X Windows操作系統(tǒng)模擬真實工廠車間中生物反應(yīng)的每個過程[5]。

在實驗開始時，學(xué)生以3人為一組，分別是小組長、實驗員和設(shè)計工程師。這個小組每個學(xué)期做3個不同的大實驗，組員角色會互換。每個實驗項目是24 h，在做實驗前學(xué)生被要求看車間錄像用于書寫研究過程并參加有指導(dǎo)教師加入的定向會議，教師會回答所有學(xué)生的問題。學(xué)生在實驗前準備書寫實驗計劃書，整個計劃書是按照企業(yè)要求的方式來書寫，其內(nèi)容包括實驗的費用(人力、材料、設(shè)備的折損等)，企業(yè)的任務(wù)決定了學(xué)生對實驗完成地動力。學(xué)生會在討論會上與指導(dǎo)教師論證計劃書。指導(dǎo)教師舉行討論會有兩個目的：①確保學(xué)生準備實驗完善。②提高學(xué)生在討論會上表達能力。教師也會根據(jù)學(xué)生在不同實驗階段的的表現(xiàn)打分。虛擬實驗的特點是，前期準備花費的時間要長。盡管模擬實驗任務(wù)的花費從幾分鐘到幾小時或幾十小時，但是實驗者需長期跟蹤真實的實驗才能保證在計算機模擬操作的時間花費少。學(xué)生在模擬實驗后，要做15 min的口頭報告。其報告內(nèi)容由工廠實驗錄像、模擬數(shù)據(jù)和論述結(jié)果三部分組成。然后，教師給小組的實驗結(jié)果打分。學(xué)生還要完成整個實驗的備忘錄，其內(nèi)容要模擬真實生產(chǎn)中的書寫方式，包括實驗中遇到的各種問題、解決方法、改進工藝設(shè)備、采用先進可行的措施等，這些內(nèi)容是要上交給廠家。最后，學(xué)生要在一周內(nèi)匯總書寫一個完整的報告包括實驗結(jié)果和備忘錄。

學(xué)生做完前期的準備實驗，則會從SUN工作站學(xué)會快速學(xué)會如何模擬操作實驗。由于一般模擬實驗的運行速度大大超過傳統(tǒng)的實驗，多數(shù)學(xué)生發(fā)現(xiàn)不需要完整的時間，在短時間內(nèi)就可完成整個實驗內(nèi)容。因為模擬實驗中計算機程序簡化了真實實驗的實際操作和試劑反應(yīng)的時間，因此虛擬實驗節(jié)約了時間。

2.3 高級虛擬實驗的四個優(yōu)點

西方發(fā)達國家的大學(xué)給高年級學(xué)生開設(shè)高級虛擬實驗已經(jīng)很多年了，證明此類實驗比傳統(tǒng)實驗更具有吸引力，具體特點體現(xiàn)在以下四方面[6]：

(1) 經(jīng)濟。虛擬實驗材料可反復(fù)使用，比真實實驗要節(jié)約成本。

(2) 安全。一個在模擬工廠作業(yè)的實驗中，學(xué)生不使用危險的化學(xué)試劑，實驗也不產(chǎn)生任何有毒的化學(xué)廢物。

(3) 真實性。時間和預(yù)算成本都需要學(xué)生提前做好計劃，這種預(yù)算計劃更接近模擬真實工廠化作業(yè)。

(4) 靈活性。充分發(fā)揮高級實驗室的功能，這些模式可被用于其他課程。

2.4 高級虛擬實驗相比普通虛擬實驗的三個特點

①為學(xué)生提供整合知識和技能的平臺。②為學(xué)生做真實實驗打基礎(chǔ)，即要求學(xué)生完成一些應(yīng)用性的科研項目，為學(xué)生提供參與真實實驗的機會，讓學(xué)生把所學(xué)知識和技能用于解決實際問題。③鍛煉學(xué)生的科研能力，為學(xué)生進入深層次研究領(lǐng)域的學(xué)習或職業(yè)領(lǐng)域的工作做準備。

高級虛擬實驗課注重培學(xué)生的技術(shù)技能(例如：工程經(jīng)濟、設(shè)計研究方案、生產(chǎn)程序、技術(shù)分析等)和非技術(shù)技能(例如：團隊建設(shè)、溝通能力、領(lǐng)導(dǎo)能力等)。這種高級虛擬實驗課程是美國大學(xué)開設(shè)的一種讓學(xué)生整合、拓展、批判和應(yīng)用多學(xué)科知識的綜合實驗，學(xué)生可獲得知識和技能的培訓(xùn)。高級虛擬實驗課程具有提升各類學(xué)科知識教育的連貫性和相關(guān)性、開發(fā)學(xué)生綜合素質(zhì)的潛能、幫助學(xué)生從學(xué)校向職場過渡的功能、強化學(xué)生對研究生教育的準備，因而在歐美發(fā)達國家高等教育中得到較廣泛的應(yīng)用。

3 對我國大學(xué)生物學(xué)創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的啟示

從上面幾方面可以看出西方發(fā)達國家大學(xué)開展生物學(xué)虛擬實驗有很多方面值得我國大學(xué)學(xué)習。

3.1 發(fā)展我國大學(xué)虛擬生物實驗

西方發(fā)達國家很多大學(xué)生物學(xué)專業(yè)開設(shè)虛擬實驗教學(xué)，但我國很多大學(xué)還沒有開設(shè)此類實驗課程。生物學(xué)中某些實驗周期冗長而復(fù)雜，傳統(tǒng)的實驗不能提供給學(xué)生足夠的時間、空間和經(jīng)費去做大量的練習，因此學(xué)生無法快速有效地掌握實驗技能。相反，虛擬實驗教學(xué)非常適應(yīng)現(xiàn)代化教學(xué)，虛擬實驗為學(xué)生提供重復(fù)練習和自主操作的機會[7]。

虛擬生物學(xué)實驗具有激發(fā)學(xué)生學(xué)習興趣、提高學(xué)習效率、節(jié)約實驗材料、防止有毒試劑對學(xué)生傷害和減少對環(huán)境的污染等優(yōu)點。虛擬實驗?zāi)馨呀滩闹徐o態(tài)、晦澀難懂的、微觀的圖片和語言轉(zhuǎn)化成色彩鮮明、動態(tài)的、宏觀現(xiàn)象，讓學(xué)生更能理解復(fù)雜、抽象的概念并記憶深刻。這種鮮活的教學(xué)方式讓學(xué)生無法抹去記憶，在今后的考試中發(fā)揮出色。學(xué)生感到這種符合學(xué)習規(guī)律的教學(xué)方式，提高了學(xué)習效率[8]。

虛擬實驗材料具有重復(fù)使用的特點，在實驗操作時對虛擬設(shè)備不產(chǎn)生任何耗損，因此節(jié)約實驗經(jīng)費。真實生物實驗中會用到有毒、有害的實驗試劑，而此往往會對實驗操作者和環(huán)境造成一定的負面影響。虛擬實驗是綠色環(huán)保的實驗，實驗過程中不會產(chǎn)生任何有害影響[10]，所以我國大學(xué)有必要為學(xué)生提供一定的虛擬實驗，讓學(xué)生有機會學(xué)習新的實驗技術(shù)，以提高其掌握理論知識的能力[9]。

3.2 開發(fā)高級生物虛擬實驗

我國大學(xué)應(yīng)開發(fā)生物類虛擬實驗?zāi)M企業(yè)的大型工業(yè)化生產(chǎn)，具體的實驗數(shù)據(jù)、實驗步驟可到相關(guān)企業(yè)中采樣獲得，以提高學(xué)生的實踐能力。因為大學(xué)高年級學(xué)生做此類虛擬實驗的最終目的還是要為其畢業(yè)后，在工作中能具備解決現(xiàn)實生產(chǎn)中實際問題的能力。因此，大學(xué)在高年級設(shè)置的虛擬實驗的內(nèi)容應(yīng)與相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)有關(guān)。校企合作，制作虛擬軟件，使虛擬實驗的內(nèi)容應(yīng)是一個復(fù)雜的、現(xiàn)代化、工業(yè)化的綜合實驗項目，具有實際應(yīng)用價值。這種大型虛擬實驗會激發(fā)學(xué)生探索未知領(lǐng)域的興趣、培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的創(chuàng)新能力[11]。這種高級虛擬實驗課程可作為我國大學(xué)發(fā)展學(xué)生綜合素質(zhì)，增強學(xué)生的職場競爭力和適應(yīng)性的一種有效方法。建議我國大學(xué)應(yīng)給工程與技術(shù)類理工科學(xué)生在大學(xué)四年級開設(shè)此類實驗課程。讓學(xué)生在實習前已經(jīng)熟悉此類實驗，為學(xué)生將來就業(yè)提供便利條件 ，這也符合大學(xué)為企業(yè)輸送高級應(yīng)用型人才的要求。

3.3 重視虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合的實驗原則

雖然虛擬實驗有多個優(yōu)點，但也有其弊端。學(xué)生在做虛擬實驗時，沒有理解實際操作各種儀器設(shè)備，無法直接獲得感官經(jīng)驗。

在真實實驗里學(xué)生做定性實驗時，雖然每個人可以得到相同或相似的結(jié)果，但是在定量實驗時，每個學(xué)生會得到不同的實驗數(shù)據(jù)。而在學(xué)生做虛擬實驗時，在相同條件下大家會得到同樣的結(jié)果。這就是真實實驗會給學(xué)生帶來更大的挑戰(zhàn)性。同時，虛擬實驗也減少了學(xué)生應(yīng)對突發(fā)事件的處置機會[12]。

虛擬實驗是模擬經(jīng)典的真實實驗且實驗者會根據(jù)軟件開發(fā)者的思路采用統(tǒng)一、機械的模式操作，所以虛擬實驗的過度使用，只會導(dǎo)致實驗者的思路單一，而無法激發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維和淡化學(xué)生對基本技能訓(xùn)練的重視程度[13]。

虛擬實驗不可完全替代真實的實驗操作[14]，而實驗的本源是要求鍛煉學(xué)生的實際動手能力，所以在大學(xué)里開展虛擬實驗的同時，也應(yīng)避免虛擬實驗過度化而忽視了實際實驗操作。大學(xué)在現(xiàn)實環(huán)境條件允許的情況下，還是應(yīng)以虛擬實驗為輔，實際操作實驗為主，引導(dǎo)學(xué)生做現(xiàn)實的、鍛煉動手能力的實驗。所以綜上分析，虛擬實驗和真實實驗雖然兩者都各有利弊，但虛擬實驗只能在一定程度上替代真實實驗[15]。

3.4 虛擬生物學(xué)實驗課結(jié)合網(wǎng)絡(luò)教學(xué)

虛擬生物學(xué)實驗課可結(jié)合網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，為更多的學(xué)生提供選修實驗的機會，也可作為遠程教育[16]的一部分，為希望致力于此專業(yè)學(xué)習的學(xué)生開設(shè)課程。一般專業(yè)實驗的規(guī)模再大，也無法為上百人同時提供做實驗的場地，但是網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗具有方便、快捷、規(guī)?；?、可重復(fù)性的特點，能同時為更多人提供做實驗的機會。因此，有條件的大學(xué)可開設(shè)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗。

4 結(jié) 語

發(fā)達國家大學(xué)根據(jù)開設(shè)生物學(xué)虛擬實驗課的難易程度分為低年級和高年級兩種水平，大學(xué)為高年級學(xué)生開設(shè)虛擬生物學(xué)實驗課程的目的是為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。我國大學(xué)應(yīng)借鑒發(fā)達國家大學(xué)虛擬實驗教育的經(jīng)驗，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，為建設(shè)創(chuàng)新型國家而努力奮斗！

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