虛擬仿真技術(shù)在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

于爽 才忠喜

摘? 要：虛擬仿真技術(shù)滲透到教學(xué)中是教育信息化發(fā)展的必然，基于生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源開(kāi)發(fā)的現(xiàn)狀，探討深入開(kāi)發(fā)虛擬仿真技術(shù)在具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的應(yīng)用，進(jìn)一步提高生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，構(gòu)建虛實(shí)互補(bǔ)的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)? 生物學(xué)? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

隨著教育信息化的發(fā)展，慕課、智慧樹(shù)等在線教育教學(xué)形式已經(jīng)逐步滲透到教學(xué)中，虛擬仿真技術(shù)也越來(lái)越多的被應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)中，這也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化的必然。虛擬仿真技術(shù)是一種人工模擬三維仿真環(huán)境的綜合性集成技術(shù)，通過(guò)借助多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，在計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)上搭建的可輔助甚至替代傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，具有操作簡(jiǎn)便、安全性高、成本低及場(chǎng)景逼真生動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。

生物學(xué)是研究植物、動(dòng)物和微生物各個(gè)層次的種類、結(jié)構(gòu)與功能、行為發(fā)育和起源進(jìn)化以及生物與周圍環(huán)境的關(guān)系的科學(xué)，是實(shí)踐性很強(qiáng)的應(yīng)用型學(xué)科[2]，如何將虛擬仿真技術(shù)有效應(yīng)用到生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，進(jìn)而完善現(xiàn)有生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，從而實(shí)現(xiàn)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的真正目的，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，增強(qiáng)學(xué)生的分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，是教育信息化發(fā)展的重要課題之一。

1? 傳統(tǒng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器陳舊

隨著生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)所涉及到的儀器更加高端，帶來(lái)的問(wèn)題是實(shí)驗(yàn)儀器更加昂貴，由于實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)所限，學(xué)生很難接觸到高端的儀器設(shè)備，這樣就造成學(xué)生不能接觸到先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)要求較高的實(shí)驗(yàn)室操作條件，新建細(xì)胞實(shí)驗(yàn)室空間有限，不能滿足大多數(shù)同學(xué)親自動(dòng)手操作。

1.2 儀器使用過(guò)程中的損耗

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師為了提高學(xué)生的動(dòng)手能力，使每位同學(xué)都能夠掌握基本實(shí)驗(yàn)儀器的使用方法，讓每位或每組同學(xué)都能接觸到儀器，這樣每位同學(xué)在操作過(guò)程中都是新手，不可避免造成錯(cuò)誤操作，即使操作都是正確的，對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的損耗也很大。如：光學(xué)顯微鏡、可見(jiàn)分光光度計(jì)、離心機(jī)等儀器經(jīng)常發(fā)生故障。

1.3 實(shí)驗(yàn)藥品的浪費(fèi)

生物學(xué)實(shí)驗(yàn)需要大量的藥品，尤其是生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)藥品的需求量很大，分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)藥品的價(jià)格又比較高，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)廢液的處理費(fèi)用也較高，一些有毒、有害藥液或?qū)嶒?yàn)次生產(chǎn)物隨著下水管流向江河，這樣有可能會(huì)造成水、土壤、大氣等的污染，進(jìn)而影響其他生物的生長(zhǎng)、發(fā)育，不利于環(huán)境保護(hù)和生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。

1.4 實(shí)驗(yàn)課時(shí)有限

每個(gè)實(shí)驗(yàn)都有固定的學(xué)時(shí)，為了保證學(xué)生能在規(guī)定時(shí)間完成實(shí)驗(yàn)，教師在上課前必須完成材料的準(zhǔn)備、試劑的配制和儀器的調(diào)試等工作，學(xué)生更多的是按照實(shí)驗(yàn)步驟的要求逐步完成操作即可，并沒(méi)有真正掌握實(shí)驗(yàn)的精髓，上完實(shí)驗(yàn)課還不能熟練配制藥劑的學(xué)生非常普遍，更別說(shuō)獨(dú)立完成一個(gè)完整實(shí)驗(yàn)的操作了。

1.5 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目安全系數(shù)所限

有一些生物學(xué)實(shí)驗(yàn)會(huì)用到具有危險(xiǎn)性的藥品，或者藥品在使用過(guò)程中的危險(xiǎn)系數(shù)高，需要學(xué)生額外注意，涉及這些藥品的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目無(wú)論意義大小均不能開(kāi)設(shè)，必須考慮實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的安全性，這也限制了學(xué)生對(duì)一些實(shí)驗(yàn)技能的掌握。

1.6 實(shí)驗(yàn)教師精力有限

一般一次課有15-20人，根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和儀器的不同，每2-4人組成一個(gè)小組，在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，學(xué)生會(huì)遇到各種各樣的問(wèn)題，教師對(duì)學(xué)生的問(wèn)題進(jìn)行探討分析時(shí)經(jīng)常不能兼顧其他小組，探究性實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)尤為突出，使實(shí)驗(yàn)教師在上完課后筋疲力盡，比上一次理論課還要累。

1.7 生物實(shí)驗(yàn)材料培養(yǎng)的周期長(zhǎng)

一些實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和植物的培養(yǎng)需要較長(zhǎng)時(shí)間，微生物的生長(zhǎng)周期雖然短，但要掌握取材的恰當(dāng)時(shí)機(jī)，這些都限制了實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，使實(shí)驗(yàn)效果難以達(dá)到預(yù)期。

2? 虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 虛擬仿真技術(shù)在生物形態(tài)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

揚(yáng)州大學(xué)將植物優(yōu)質(zhì)玻片標(biāo)本轉(zhuǎn)化為數(shù)字切片標(biāo)本等虛擬仿真資源，使植物顯微結(jié)構(gòu)觀察實(shí)驗(yàn)不必借助顯微鏡即可進(jìn)行。學(xué)生可以在屏幕上瀏覽數(shù)字切片，切換任意方向、放大，對(duì)生物組織局部進(jìn)行仔細(xì)觀察，可進(jìn)行文字標(biāo)注、測(cè)量等操作，使學(xué)生對(duì)于植物顯微結(jié)構(gòu)的觀察更加便利，也實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)玻片標(biāo)本被大多數(shù)同學(xué)共用共享，極大地提高了植物學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果[3]。建設(shè)的“兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)于動(dòng)手實(shí)驗(yàn)觀察不到的結(jié)構(gòu)、以及結(jié)構(gòu)與功能的協(xié)調(diào)變化過(guò)程能更好的掌握[4]。

2.2 虛擬仿真技術(shù)在分子生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

杭州師范大學(xué)將虛擬仿真技術(shù)運(yùn)用到分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中，降低了三氯甲烷、丙酮和溴化乙錠等公安部管制的易制毒?；瘜W(xué)品的使用[5]。對(duì)于Southern雜交這樣耗時(shí)的實(shí)驗(yàn)，需要提取基因組DNA，酶切、DNA消化產(chǎn)物的瓊脂糖凝膠電泳、DNA轉(zhuǎn)移、探針標(biāo)記等步驟，利用虛擬仿真技術(shù)可以減少實(shí)驗(yàn)等待的時(shí)間，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。對(duì)基本實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練、高危、高風(fēng)險(xiǎn)或涉及到高精貴實(shí)驗(yàn)儀器使用的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)完成，降低了分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成本。“棉花轉(zhuǎn)基因技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)”、“水稻遺傳轉(zhuǎn)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”等綜合性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對(duì)于分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)有了全面的理解和掌握。

2.3 虛擬仿真在生物學(xué)野外實(shí)習(xí)中的應(yīng)用

野外實(shí)習(xí)是生物學(xué)專業(yè)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，提高實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)之一。東北師范大學(xué)建設(shè)了數(shù)字化標(biāo)本館和鳥(niǎo)類鳴叫庫(kù)等虛擬仿真資源;華中師范大學(xué)對(duì)神農(nóng)架在不同季節(jié)、不同路線的野外環(huán)境和動(dòng)植物實(shí)景進(jìn)行虛擬仿真;南京農(nóng)業(yè)大學(xué)利用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建了天目山、黃山等生態(tài)區(qū)的生物學(xué)野外實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)和天目山虛擬生物標(biāo)本庫(kù)，使實(shí)習(xí)不受時(shí)間和空間的限制，減少了標(biāo)本的采集，緩解了自然資源保護(hù)與實(shí)習(xí)采集之間的矛盾，有助于提高實(shí)習(xí)效率和質(zhì)量，推動(dòng)了生物學(xué)野外實(shí)習(xí)教學(xué)模式的改革和創(chuàng)新[6]。

2.4 虛擬仿真技術(shù)在生物學(xué)相關(guān)儀器使用中的應(yīng)用

將生物學(xué)實(shí)驗(yàn)相關(guān)儀器的使用方法、注意事項(xiàng)進(jìn)行虛擬仿真，使學(xué)生能夠生動(dòng)、形象地看到儀器的操作方法，以及由于使用不當(dāng)對(duì)儀器和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能造成的影響，極大程度地減少了儀器的損耗。教師也能夠做到既考核了學(xué)生實(shí)驗(yàn)儀器使用的掌握程度，又能夠大膽地改革實(shí)驗(yàn)考核方式。

3? 結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用大大降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成本，減少了實(shí)驗(yàn)教學(xué)造成的藥品污染和毒害，縮短了實(shí)際培養(yǎng)生物材料的周期，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和方式，加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，有效的提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，極大地提高了教育教學(xué)質(zhì)量。進(jìn)一步全面認(rèn)識(shí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功能，深入挖掘虛擬仿真技術(shù)在具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的應(yīng)用，加大生物實(shí)驗(yàn)應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)力度，促進(jìn)虛擬仿真技術(shù)與生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的深度融合。使虛擬仿真與實(shí)際操作相互補(bǔ)充，進(jìn)一步形成虛實(shí)互補(bǔ)的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，培養(yǎng)出新時(shí)代的創(chuàng)新型人才。

參考文獻(xiàn)

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