虛擬仿真實驗教案設(shè)計及實踐

劉亞豐， 蘇 莉， 吳元喜， 唐朝暉， 張日欣， 林 剛， 余龍江

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

虛擬仿真實驗教案設(shè)計及實踐

劉亞豐， 蘇 莉， 吳元喜， 唐朝暉， 張日欣， 林 剛， 余龍江

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

以生命科學(xué)與技術(shù)國家級虛擬仿真中心近年在教案設(shè)計方面的探索及實踐為依據(jù),從專業(yè)知識、虛擬場景、邏輯結(jié)構(gòu)、交流互動、教學(xué)反饋、效果與質(zhì)量評測等方面深入探討了虛擬仿真教案的準(zhǔn)備與設(shè)計，以期推進虛擬仿真教學(xué)模式在實驗教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，提高學(xué)生綜合實踐能力。

虛擬仿真； 實驗教學(xué)； 教案設(shè)計； 自主學(xué)習(xí)； 實踐能力

0 引 言

虛擬仿真實驗教學(xué)可以彌補真實實驗不允許開設(shè)或難以達到教學(xué)效果的實驗，是一種有利于自主學(xué)習(xí)、主動實驗、共享開放的教學(xué)模式[1-2]，是教育信息化背景下教學(xué)改革的發(fā)展方向和人才培養(yǎng)的重要手段[3-5]。為推動虛擬仿真等信息技術(shù)在教學(xué)上的應(yīng)用與推廣，教育部先后發(fā)文并從2013年起每年批準(zhǔn)建設(shè)100個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心[6]。

對于虛擬仿真技術(shù)，人們最早接觸的是科幻影片或3D網(wǎng)絡(luò)游戲，其在實驗教學(xué)上的應(yīng)用開始于本世紀初，主要用于電路仿真與設(shè)計等[7-9]。盡管這幾年對虛擬仿真技術(shù)有更多了解和認識，其應(yīng)用也擴大到更多專業(yè)[10-15]，但如何將該技術(shù)與專業(yè)知識結(jié)合進行教案設(shè)計，將關(guān)系到虛擬仿真實驗教學(xué)質(zhì)量與可持續(xù)發(fā)展。本文通過實驗教案設(shè)計，并結(jié)合生命科學(xué)與技術(shù)國家級虛擬仿真中心建設(shè)實施情況，從多個環(huán)節(jié)探討虛擬仿真實驗教案的規(guī)劃與設(shè)計，以期推動虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)、促進虛擬仿真教學(xué)模式應(yīng)用與發(fā)展。

1 實驗教案設(shè)計必要性與可行性

1.1 教案設(shè)計必要性

虛擬仿真實驗教學(xué)是專業(yè)知識與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物[6]。對于學(xué)科專業(yè)知識，專任教師熟知并能言傳身教傳授給學(xué)生，整個教學(xué)過程順利實施得益于教師對教案的精心準(zhǔn)備。無論是理論教學(xué)還是實踐教學(xué)，教師課前都會設(shè)計和準(zhǔn)備教案，它是基礎(chǔ)知識、專業(yè)技術(shù)及技能操作通過不同手段、展現(xiàn)形式按照一定邏輯關(guān)系執(zhí)行的一段“程序代碼”。在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，這種代碼是教師主導(dǎo)學(xué)生配合執(zhí)行的。對于虛擬仿真實驗這種新教學(xué)模式，為達到教學(xué)目標(biāo)進行教案設(shè)計是應(yīng)該的、也是必需的，其代碼是學(xué)生主導(dǎo)計算機配合完成的，但其工作量、復(fù)雜程度也將遠超傳統(tǒng)教案。

許多教師對于信息技術(shù)，尤其是虛擬現(xiàn)實技術(shù)和模擬仿真技術(shù)不很熟悉，并且在繁重的科研與教學(xué)任務(wù)下，教師不可能在短時間內(nèi)掌握并利用這些技術(shù)進行專業(yè)知識信息化，更多的是將這部分工作交于專業(yè)公司以合作方式完成。專業(yè)公司雖精通信息技術(shù)，但不熟悉專業(yè)知識，若僅僅將實驗指導(dǎo)書、PPT課件、實驗錄像交于公司，甚至僅僅將功能需求告知公司實現(xiàn)轉(zhuǎn)化，不僅使得虛擬仿真實驗項目制作周期變長、開發(fā)成本升高，更重要的是很難將專業(yè)知識尤其是教師豐富經(jīng)驗傳遞出去，很難獲得良好的教學(xué)效果與教學(xué)質(zhì)量。因此，需要專任教師親自參與教案編寫，為專業(yè)知識信息化提供高質(zhì)量的素材和準(zhǔn)備。

1.2 教案設(shè)計可行性

虛擬仿真實驗不能簡單認為是傳統(tǒng)實踐教學(xué)的虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化，不能因為實體實驗復(fù)雜、花時間多而虛擬化。本著高水平人才培養(yǎng)的目標(biāo)，根據(jù)新形勢下教學(xué)需求和學(xué)生獲取知識方式的轉(zhuǎn)變，有所為有所不為的開發(fā)虛擬仿真實驗(見圖1)，具體建設(shè)原則參見文獻4和5。

圖1 虛擬仿真實驗開發(fā)原則

在宏觀建設(shè)原則確定后，還需從教案設(shè)計層面進一步展開論證：學(xué)科專業(yè)知識是否方便信息化技術(shù)傳遞，實驗細節(jié)及難點是否能通過編程、交互接口實現(xiàn)，實驗效率與結(jié)果如何通過后臺程序監(jiān)控管理等。只有這些內(nèi)容確定可行且其開發(fā)成本可控，方可進行后續(xù)的工作，否則很難達到實驗教學(xué)目標(biāo)與良性發(fā)展。

2 虛擬仿真實驗教案設(shè)計

2.1 專業(yè)知識設(shè)計

專業(yè)知識設(shè)計是學(xué)科知識與操作技能等素材整理、梳理的過程，是信息技術(shù)要傳遞的對象、內(nèi)涵，要根據(jù)教學(xué)大綱、培養(yǎng)計劃、信息技術(shù)展現(xiàn)形式以及學(xué)生獲取知識習(xí)慣，精心準(zhǔn)備實驗原理、實施技術(shù)、方案流程、實驗結(jié)果等內(nèi)容，這個過程關(guān)系到虛擬仿真實驗是否有實質(zhì)內(nèi)容及傳遞信息的容量。以細胞膜片鉗實驗為例，真實實驗時教師會講述、演示玻璃電極對細胞封接的調(diào)節(jié)過程；虛擬仿真實驗則要構(gòu)思、設(shè)計這個過程，不僅要考慮細胞、玻璃電極的三維幾何模型構(gòu)建，還要考慮二者坐標(biāo)、相對運動的數(shù)學(xué)/物理模型，二者的控制調(diào)節(jié)以及錯誤處理環(huán)節(jié)等，如圖2所示。

通過本次對比研究，基本劃定了研究區(qū)內(nèi)優(yōu)勢和劣勢茶園分布范圍，基本摸清了適宜茶葉生長的立地條件。桐城市大別山區(qū)適宜發(fā)展茶葉種植，結(jié)合地方茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，今后可打造高標(biāo)準(zhǔn)茶園及特色茶葉基地建設(shè)。本次研究成果為桐城市其他地區(qū)推廣種植“桐城小花”茶提供了借鑒和重要參考。

圖2 細胞膜片鉗封接實驗設(shè)計

2.2 虛擬場景設(shè)計

虛擬仿真場景設(shè)計包括操作對象、操作環(huán)境以及場景漫游的設(shè)計等，主要營造一個逼真的實驗條件或氛圍。操作對象主要有分子細胞、動植物標(biāo)本、儀器設(shè)備、器具耗材、藥品試劑等，應(yīng)在外形、比例尺寸、按鍵面板、顯示屏制作等方面精心考慮，盡量與實物的外觀和尺寸保持高度一致，如圖3(a)所示，展示的是中心研發(fā)的發(fā)酵罐操作系統(tǒng)。操作環(huán)境主要涉及建筑物、家具、光照、溫濕度等內(nèi)容的塑造，營造一個逼真的實驗環(huán)境。圖3(b)除了展示中心研發(fā)的斑馬魚眼電測量操作對象，還增添了家具、光照等虛擬環(huán)境，相比圖3(a)營造出較好的操作場景。另外，應(yīng)根據(jù)實驗效果需求和開發(fā)成本選擇是2D還是3D場景。場景漫游是通過程序設(shè)計以虛擬人或語音講解的方式將虛擬場景呈現(xiàn)給用戶，可以設(shè)計成自動漫游或手動漫游的模式，方便學(xué)生了解和熟悉操作環(huán)境和實驗室功能，有助于提高實驗完成效率，提高后續(xù)真實實驗操作的切入度與操作效果。

(a)發(fā)酵罐仿真操作實驗

(b)斑馬魚眼電仿真測量實驗

圖3 虛擬場景設(shè)計

2.3 邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計

邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)系到專業(yè)知識、操作對象、場景等內(nèi)容以什么樣的結(jié)構(gòu)執(zhí)行，單純的順序結(jié)構(gòu)類似實驗錄像播放方式，對于學(xué)生掌握基本知識、實驗流程是有助的，但無法鍛煉學(xué)生綜合設(shè)計能力和對知識的融會貫通。為克服這些問題，可在教案設(shè)計時增添條件結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)等，如圖4所示。條件結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)不同實驗方案的設(shè)計，完成同一目標(biāo)實驗任務(wù)，如果實驗條件不允許或出現(xiàn)錯誤，則會產(chǎn)生錯誤的實驗結(jié)果或現(xiàn)象。如在血紅蛋白分離與純化綜合實驗中，將生物技術(shù)碎片化處理分解成多個獨立的技術(shù)和操作模塊，學(xué)生能夠進行技術(shù)方案設(shè)計、參數(shù)選取、條件配置以及虛擬仿真操作[2]。循環(huán)結(jié)構(gòu)可確保只有實驗條件、實驗參數(shù)等配置正確，才可進行后續(xù)的實驗操作，這種結(jié)構(gòu)有利于強調(diào)實驗細節(jié)、加強知識融會貫通，但其占用的計算機資源相對其他結(jié)構(gòu)較大。

圖4 3種邏輯結(jié)構(gòu)對照

2.4 交流互動環(huán)節(jié)設(shè)計

交流互動環(huán)節(jié)是虛擬仿真實驗中教師與學(xué)生通過互動實現(xiàn)無時間、地點限制的授業(yè)、解惑重要環(huán)節(jié)、是突出強調(diào)實驗難點與細節(jié)的有效手段、是教師經(jīng)驗傳遞及知識技能延伸的有效途徑。這部分內(nèi)容關(guān)系到實驗的效果和學(xué)生掌握知識的程度，因而是教案設(shè)計的亮點、精華之處，但所帶來的工作量也相對較大、復(fù)雜程度較高，可采用2種方式實現(xiàn)：

(1) 通過對話框彈出方式進行交互。它可以是單選題或多選題的形式，也可以是圖片的形式，只有選擇正確才可進行后續(xù)的流程或操作。圖片形式可以是二維的、也可以是三維的，圖片形式給人直觀，將成為未來建設(shè)重點。

(2) 通過硬件接口方式進行交互。這種互動環(huán)節(jié)往往需要添加立體投影系統(tǒng)、位置跟蹤定位系統(tǒng)、感覺測量與反饋系統(tǒng)，能將用戶所做的行為跟蹤記錄下來并與模板匹配，只有正確地執(zhí)行，方可開展后續(xù)實驗操作。該環(huán)節(jié)能夠給學(xué)生身臨其境參與，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，將成為未來發(fā)展方向。

2.5 教學(xué)反饋環(huán)節(jié)設(shè)計

教學(xué)反饋環(huán)節(jié)設(shè)計是提升實驗教學(xué)效果的途徑之一。虛擬仿真實驗通常由學(xué)生自主完成，學(xué)生碰到問題無法像真實實驗?zāi)菢涌呻S時咨詢老師，也不能要求教師一直在線答疑解惑，這就要求在教案設(shè)計時，充分考慮學(xué)生可能遇到的困難和教師不在現(xiàn)場的應(yīng)對之策，具體可從3個方面考慮設(shè)計：

(1) 輔助材料準(zhǔn)備。教師不僅要整理實驗原理、操作步驟、注意事項等相關(guān)內(nèi)容，還應(yīng)準(zhǔn)備實驗難點、實驗細節(jié)并以試題形式供在線查詢。這些實驗輔助材料準(zhǔn)備得越全面、詳細，對學(xué)生的幫助越大，可提高實驗成功率、夯實學(xué)生掌握知識程度；

(2) 問題反饋欄目設(shè)計。學(xué)生實驗結(jié)束時可在線提交所遇到的難點與問題，系統(tǒng)通過短消息、郵件自動轉(zhuǎn)發(fā)給課程負責(zé)教師，教師基于手機APP應(yīng)用后臺或郵件及時反饋給學(xué)生。該環(huán)節(jié)設(shè)計涉及到系統(tǒng)軟件的編寫，對于學(xué)生解決實驗過程中碰到的問題、鞏固所學(xué)知識是非常必要的，需在教案設(shè)計中予以考慮；

(3) 后臺監(jiān)督反饋設(shè)計。通過系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)，分析學(xué)生實驗中存在的共性問題，由負責(zé)老師通過公共消息或后續(xù)實體實驗課時進行重點解釋答疑。該環(huán)節(jié)要求系統(tǒng)能夠記錄學(xué)生在線操作的完整過程，因而數(shù)據(jù)量大、分析復(fù)雜，對系統(tǒng)設(shè)計要求較高，類似大數(shù)據(jù)處理，如果有條件應(yīng)考慮建設(shè)。

2.6 效果與質(zhì)量評測設(shè)計

目前開展的虛擬仿真實驗教學(xué)，僅僅成為學(xué)生獲取知識與能力的一種載體或傳播手段，很少涉及到如何考核教學(xué)質(zhì)量、學(xué)生學(xué)習(xí)效果，更不用來評價學(xué)生實驗技能，造成虛擬實驗教學(xué)過于簡單和流于形式。為克服這些問題，可參照圖5所示建立完善的評價體系，監(jiān)督和跟蹤學(xué)生在線學(xué)習(xí)與實驗操作。

重點要考慮以下4個方面設(shè)計：

(1) 綜合設(shè)計能力評測環(huán)節(jié)設(shè)計。應(yīng)考慮實驗方案流程設(shè)計評價、儀器參數(shù)選取評價、交互質(zhì)量評價等內(nèi)容。對于方案流程設(shè)計評價，一般應(yīng)設(shè)計多個方案供學(xué)生選擇，方案選擇是否正確、優(yōu)劣則反映學(xué)生對相關(guān)知識和技術(shù)的掌握程度；對于儀器參數(shù)選取評價，儀器參數(shù)及工作參數(shù)選取直接決定實驗或操作的成敗和實驗效果，每種選擇應(yīng)給出相應(yīng)的評分細則；對于交互質(zhì)量評價，可將實驗中一些關(guān)鍵技術(shù)要點和核心流程，以彈出對話框、即時消息等方式考察用戶是否掌握，作為學(xué)習(xí)量化的一種形式。

圖5 教學(xué)效果與質(zhì)量評價模塊設(shè)計

(2) 監(jiān)控環(huán)節(jié)設(shè)計。通過在線后臺監(jiān)控的方式或?qū)崟r現(xiàn)場監(jiān)控如視頻監(jiān)控方式監(jiān)察和記錄用戶的實驗操作與活動，監(jiān)督確保學(xué)生高效學(xué)習(xí)與操作，避免過多占用公共網(wǎng)絡(luò)資源。

(3) 報告提交與評閱環(huán)節(jié)設(shè)計。系統(tǒng)開發(fā)實驗報告在線提交、在線批注、在線批改、智能評閱等功能。

(4) 操作效果評測環(huán)節(jié)設(shè)計。學(xué)生進行實驗操作過程中，設(shè)計后臺監(jiān)控學(xué)生在線時間、完成內(nèi)容、實驗成敗及完成效率，通過分析獲取學(xué)生學(xué)習(xí)與實驗?zāi)芰υu價報告以及教學(xué)效果與教學(xué)質(zhì)量評價報告。

3 結(jié) 語

虛擬仿真實驗教學(xué)將成為信息時代教育改革的發(fā)展方向，將成為學(xué)生獲取知識與技能的重要手段。本文首先從建設(shè)的必要性、可行性出發(fā)，分析了虛擬仿真實驗教案設(shè)計對虛擬仿真教學(xué)的意義和重要性，進而結(jié)合相關(guān)實例從專業(yè)知識、虛擬場景、邏輯結(jié)構(gòu)、交流互動、教學(xué)反饋、效果與質(zhì)量評測設(shè)計等方面具體闡述了虛擬仿真教案的設(shè)計原則、建設(shè)內(nèi)容及相關(guān)注意事項，這些建議與結(jié)論將有利于高質(zhì)量虛擬仿真教學(xué)資源的建設(shè)，有利于虛擬仿真教學(xué)模式的應(yīng)用與推廣，促進教學(xué)模式多元化發(fā)展和高水平人才培養(yǎng)。

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·名人名言·

學(xué)習(xí)知識要善于思考、思考、再思考，我就是靠這個學(xué)習(xí)方法成為科學(xué)家的。

——愛因斯坦

Design and Practice of the Teaching Scheme for Virtual Simulation Experiment

LIUYafeng,SULi,WUYuanxi,TANGZhaohui,ZHANGRixin,LINGang,YULongjiang

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

In recent years, the rapid development of virtual reality and other information technology has greatly promoted the teaching reform of higher education and the application of new teaching mode. However, the teaching schemes for virtual simulation experiment are rarely discussed. In order to carry out the wide application of virtual simulation teaching mode and improve students’ comprehensive practical ability, the design and preparation of the teaching scheme for virtual simulation experiment were investigated in detail in the paper based on authors’ previous exploration practice from professional knowledge, virtual scene, program structure, intercommunion, teaching feedback, quality evaluation and so on.

virtual simulation; experimental teaching; teaching scheme design; self-learning

2016-04-12

湖北省教學(xué)研究項目(2014070，2015060)

劉亞豐(1976-)，男，河南漯河人，博士，工程師，中心副主任，研究方向：生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)、光遺傳學(xué)、電生理學(xué)，主要負責(zé)生命科學(xué)與技術(shù)國家級虛擬仿真中心建設(shè)。E-mail:yfliu@mail.hust.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)03-0185-04