動物科學(xué)專業(yè)線上虛擬實驗教學(xué)探討

夏 威，閆嘉欣，李俊杰

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物科技學(xué)院，河北 保定 071001）

受新冠肺炎疫情的影響，世界范圍內(nèi)學(xué)校停課，導(dǎo)致教育環(huán)境、教育方式、教育效果都受到巨大的影響。為了師生的健康安全，高校在疫情嚴(yán)重時期采取了遠(yuǎn)程教學(xué)（distance learning）替代面對面授課方式，其中線上教學(xué)是遠(yuǎn)程教學(xué)最重要的形式之一，此外還有無接觸傳遞教學(xué)材料、電話通訊等方式作為補充。這種非線性的教學(xué)方法突破了時間和空間的限制，使得教學(xué)工作的開展更加靈活自由。這種教學(xué)方法既能消除疫情阻礙，又有利于高校政企合作培訓(xùn)及科研工作的開展。

由于科學(xué)實驗性教學(xué)的學(xué)科特點，傳統(tǒng)科學(xué)教學(xué)中教師演示、調(diào)查探究、實驗室操作等多種教學(xué)活動都無法在線上教學(xué)中開展。如何在隔著屏幕的情況下，盡可能地在保持學(xué)生高參與率的同時，又能得到較好的學(xué)習(xí)效果，這是動物科學(xué)專業(yè)實驗教學(xué)面臨的難題。

1 動物科學(xué)專業(yè)實驗教學(xué)背景

動物科學(xué)專業(yè)應(yīng)用性強(qiáng)，是生命科學(xué)的重要分支，其最終目的是生產(chǎn)品質(zhì)優(yōu)良的動物產(chǎn)品，滿足人類生活水平日益提高的各種需求。該專業(yè)涉及畜禽飼養(yǎng)管理、繁殖育種與產(chǎn)品加工等各領(lǐng)域，實踐性較強(qiáng)，需要進(jìn)行大量的實驗教學(xué)。然而，近幾年來隨著全國各大高校招生人數(shù)以及實驗項目的不斷增加，實驗室每學(xué)年需要進(jìn)行上百門實驗課程的實驗，給實驗教學(xué)工作帶來了極大的壓力；再加上新冠疫情的影響，使得實驗教學(xué)工作難以全面開展。

受傳統(tǒng)教育思想與學(xué)校課程考核指標(biāo)的影響，很多高校在動物科學(xué)專業(yè)課程設(shè)置過程中存在重理論輕實踐的觀念，理論知識偏多，使得實驗教學(xué)成為高校教育的薄弱環(huán)節(jié)。另外，現(xiàn)在許多高校建在市區(qū)，無法大規(guī)模養(yǎng)殖畜禽及其他實驗動物，實驗基地一般在郊外，但可用于動物科學(xué)實驗教學(xué)的動物（如豬、牛、羊等）養(yǎng)殖數(shù)量很少。再加上新冠疫情與非洲豬瘟的影響，使得母畜直腸檢查、陰道檢查及人工輸精等實驗課程無法順利開展，無法使每個學(xué)生都參與其中，學(xué)生沒有參與感，實驗教學(xué)不能緊密結(jié)合生產(chǎn)實際，教學(xué)效果差。此外，組織進(jìn)行一次實驗教學(xué)費用高昂，一些試劑與消耗品價格較高且無法回收利用，極易造成資源浪費和環(huán)境污染。學(xué)校開設(shè)實驗課程的目的是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。但目前有些實驗還無法開展，如動物科學(xué)專業(yè)的一些具有破壞性、危險系數(shù)高、成本過高及需耗費大量時間的實驗不能通過常規(guī)實驗教學(xué)向?qū)W生展示。

基于上述原因，學(xué)校如果能夠?qū)⑻摂M實驗室引入到動物科學(xué)實驗教學(xué)中，那么以上問題將在一定程度得到有效解決。

2 虛擬仿真實驗在動物科學(xué)專業(yè)實驗教學(xué)中的作用探討

線上教學(xué)（E-learning）即在線教育，指利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與移動信息技術(shù)開展的一系列教學(xué)活動。目前，動物科學(xué)專業(yè)線上教學(xué)主要借助“雨課堂”“釘釘”“超星學(xué)習(xí)通”以及“騰訊會議”等網(wǎng)絡(luò)科技平臺開展遠(yuǎn)程教學(xué)工作。相較于傳統(tǒng)課堂教學(xué)，線上教學(xué)的教學(xué)資源更加豐富，功能更加強(qiáng)大，方式更加靈活。線上教學(xué)模式借其自身優(yōu)勢，解決了新冠肺炎疫情帶給世界教育界的教學(xué)難題。然而對于動物科學(xué)及其他需要科學(xué)實踐的專業(yè)來說，線上教學(xué)雖然可以有序開展，但仍存在許多問題和挑戰(zhàn)，其中最受限制的便是實驗性課程。

虛擬仿真實驗只需通過計算機(jī)圖形化界面聯(lián)系理論條件與實驗過程，而不需借助現(xiàn)實普通實驗的必備器材，只要采用一定的編程手段便可模擬實驗的真實效果。

2.1 節(jié)約實驗成本，提高實驗室效率

目前，動物科學(xué)專業(yè)實驗教學(xué)中用到的一些基礎(chǔ)設(shè)備如游標(biāo)卡尺、體視顯微鏡、離心機(jī)及開設(shè)的一部分基礎(chǔ)實驗項目，如動物生殖器官解剖構(gòu)造觀察及組織學(xué)觀察，都需要學(xué)生熟練掌握。這些實驗設(shè)備的運用和實驗項目的開展勢必會占用大量的實驗室資源和教師的指導(dǎo)時間，從而妨礙了能夠真正提升學(xué)生能力的實驗的開展。

虛擬仿真實驗所需儀器及耗材都將通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)。虛擬仿真實驗所提供的設(shè)備界面真實、簡潔、直觀，而且具有幫助功能，理論上能夠達(dá)成學(xué)生對常規(guī)實驗項目的練習(xí)。借助虛擬仿真實驗軟件，學(xué)生可以進(jìn)行無限次反復(fù)操作練習(xí)，直至能夠熟練操作。動物科學(xué)實驗教學(xué)中一些基本的設(shè)備操作與基礎(chǔ)實驗操作，完全可以讓學(xué)生借助虛擬仿真實驗軟件在線上完成，既能減少常用儀器損耗和實驗耗材浪費，還能減輕現(xiàn)實中實驗室的負(fù)擔(dān)、并提高實驗室利用效率。

2.2 教學(xué)方式更加靈便，提高教師指導(dǎo)效果

學(xué)生可自主選擇各種網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備如智能手機(jī)、平板、PC等，登錄線上虛擬實驗教學(xué)平臺學(xué)習(xí)各種實驗操作，虛擬實驗教學(xué)平臺注冊使用流程見圖1。校內(nèi)學(xué)生利用學(xué)號等信息完成身份認(rèn)證，即可進(jìn)入平臺選擇相關(guān)虛擬仿真實驗進(jìn)行學(xué)習(xí)。學(xué)生完成課程選擇后，通過功能按鈕的指向說明及與平臺內(nèi)虛擬人物對話等方式，便可依次、有序完成各種虛擬實驗。相較于傳統(tǒng)線下實驗教學(xué)，線上虛擬仿真實驗不受時間和空間的約束，學(xué)生能夠按照自己的喜好和習(xí)慣對實驗學(xué)習(xí)進(jìn)行合理安排。此外，即使由于疫情防控需要而處于不同區(qū)域的師生之間，應(yīng)用線上虛擬仿真實驗平臺也能十分輕松地完成知識傳授，使教學(xué)工作開展更加靈活便捷。

圖1 虛擬實驗教學(xué)平臺注冊使用流程Fig.1 Registration and use process of virtual experimental teaching platform

學(xué)生借助虛擬實驗平臺進(jìn)行系統(tǒng)訓(xùn)練后，再利用實驗室進(jìn)行實際操作就會更加熟練，減少失誤，更利于獲得準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)。同時，教師對學(xué)生實驗的指導(dǎo)便可更加注重實驗本身，有利于教師對學(xué)生進(jìn)行更深一步的教學(xué)指導(dǎo)，學(xué)生也將獲取更多有用的知識，優(yōu)化實驗教學(xué)效果。

2.3 優(yōu)化實驗條件，利于實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)

部分大型高端設(shè)備的運行成本較高，學(xué)校實驗室一般不會將這些儀器設(shè)備投入到常規(guī)實驗教學(xué)中，很難設(shè)計并進(jìn)行一些專業(yè)性強(qiáng)的實驗。而隨著虛擬仿真實驗技術(shù)的發(fā)展，一些超大型的涉及高成本、高消耗或是高危環(huán)境的實驗，均可通過虛擬仿真技術(shù)呈現(xiàn)。此后，隨著動物科學(xué)專業(yè)實驗方案的完善和教學(xué)項目調(diào)整，學(xué)生參與實驗的訓(xùn)練和實操將不再受實驗儀器設(shè)備性能的制約，有效解決了設(shè)備性能老化與更新不及時等相關(guān)問題；實驗內(nèi)容也能夠持續(xù)更新，學(xué)生的專業(yè)實踐訓(xùn)練與社會科技發(fā)展同步，有利于教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)。

2.4 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，加速學(xué)習(xí)進(jìn)程

虛擬仿真實驗采用沉浸式實驗教學(xué)方法，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）的虛擬仿真實驗教學(xué)能夠呈現(xiàn)逼真的三維虛擬實驗環(huán)境和對象，讓不可能實現(xiàn)的實驗過程濃縮在形象逼真的動畫中。

學(xué)生可通過電腦配合VR頭盔等外置硬件進(jìn)入虛擬仿真實驗平臺，利用VR技術(shù)，平臺可呈現(xiàn)高度模擬現(xiàn)實的實驗教學(xué)環(huán)境，給學(xué)生帶來身臨其境的體驗。虛擬現(xiàn)實學(xué)習(xí)環(huán)境的三維仿真場景，能夠為學(xué)生提供生動有趣、接近真實的實驗體驗，如構(gòu)建3D實驗動物解剖模型、自主建造育種豬場等，有助于學(xué)生空間思維能力的培養(yǎng)，進(jìn)而加速學(xué)生學(xué)習(xí)知識的過程。

2.5 實驗約束性小，符合動物福利要求

動物科學(xué)專業(yè)實驗教學(xué)過程中，經(jīng)常會需要豬、雞、牛和羊等各種家畜。受新冠疫情及非洲豬瘟影響，學(xué)校封校，畜牧場進(jìn)出場程序嚴(yán)格，實驗動物材料難以獲取。虛擬仿真實驗教學(xué)不受疫情防控要求的影響，動物實驗可以照常進(jìn)行，同時由于避免使用實驗動物，避免了動物受傷和死亡，更符合動物福利要求。

2.6 實驗安全性高，利于環(huán)境保護(hù)

動物科學(xué)專業(yè)實驗操作中會經(jīng)常使用大量有機(jī)溶劑，其中許多是易燃、易爆、有毒性的危險化學(xué)品，然而學(xué)生的危險防范意識較弱，易出現(xiàn)教學(xué)事故。因此在專業(yè)實驗課開始前，讓學(xué)生通過虛擬實驗室操作平臺，反復(fù)練習(xí)、熟悉一些基本操作技能，使學(xué)生在真實場景中能夠應(yīng)對自如，防止人員受傷，避免造成環(huán)境污染與非必要資源浪費。

2.7 具有廣泛共享性，實現(xiàn)實驗教學(xué)改革

我國現(xiàn)階段教育資源差異較大，部分地區(qū)缺乏滿足教學(xué)需求的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源。虛擬仿真實驗的學(xué)習(xí)不受限于學(xué)校和地區(qū)，校外用戶只需利用郵箱或手機(jī)號在官網(wǎng)注冊完成后便可進(jìn)入平臺學(xué)習(xí)。平臺對原有的教學(xué)理念進(jìn)行了升級和改革，只要利用互聯(lián)網(wǎng)就可以進(jìn)行實驗，將更多的人納入受益人群，滿足了社會需求。伴隨互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與普及，虛擬實驗教學(xué)勢必改變陳舊的實驗教學(xué)模式，使實驗教學(xué)實現(xiàn)真正意義上的資源共享。

3 國內(nèi)外線上虛擬實驗教學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 國內(nèi)線上虛擬實驗教學(xué)現(xiàn)狀

線上虛擬仿真實驗教學(xué)具有十分廣闊的應(yīng)用前景，無論是對動物科學(xué)專業(yè)實驗教學(xué)，還是其他學(xué)科和專業(yè)的實驗教學(xué)工作都具有挑戰(zhàn)性。虛擬仿真實驗教學(xué)是我國高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，2013—2015年，教育部利用3年時間遴選出300個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，涉及農(nóng)林醫(yī)藥、理工、文社科等多個學(xué)科類別，其中包括農(nóng)林學(xué)科類53個，遍及26個省市自治區(qū)。此外，自2017年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作至今，我國教育部已順利完成1 000多項示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目的遴選工作。

西北農(nóng)林科技大學(xué)動物科技學(xué)院利用現(xiàn)代信息技術(shù)、3D虛擬仿真技術(shù)完成了對綜合性虛擬仿真實驗平臺的構(gòu)建。該校飼料加工工藝學(xué)學(xué)科開設(shè)了飼料粉碎設(shè)備與工藝流程、飼料混合設(shè)備與學(xué)科工藝流程等一系列虛擬仿真實驗教學(xué)模塊，現(xiàn)已由省級教學(xué)團(tuán)隊建設(shè)成為面向動物科學(xué)及其相關(guān)專業(yè)的實驗教學(xué)課，負(fù)責(zé)為動物飼料學(xué)、動物營養(yǎng)學(xué)等國家及省級精品課程及其他相關(guān)課程開展虛擬仿真實驗教學(xué)工作。

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)國家級虛擬實驗教學(xué)中心現(xiàn)已建立了包括“現(xiàn)代農(nóng)場虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)”在內(nèi)的4個虛擬仿真教學(xué)模塊。在此基礎(chǔ)上，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)還構(gòu)建了較為完善的平臺建設(shè)與管理體系。此外，該校動物科技學(xué)院姜世金教授負(fù)責(zé)的“家禽病毒性傳染病疫苗的生產(chǎn)應(yīng)用虛擬仿真實驗”項目的應(yīng)用取得了良好成效，已于2018年入選該年度國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目。

臺北醫(yī)學(xué)大學(xué)作為臺灣頂尖高等教育機(jī)構(gòu)，于2019年與宏達(dá)國際電子股份有限公司（HTC）合作開發(fā)了用于解剖學(xué)學(xué)習(xí)的VR軟件。該軟件可提供4 000多個高度詳細(xì)的解剖學(xué)3D模型，并支持多達(dá)300名學(xué)生同時在線，幫助學(xué)生更深入地了解解剖學(xué)，從而為學(xué)生成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的專家提供堅實的知識基礎(chǔ)，被稱為“世界上最大的VR解剖學(xué)課程”。

3.2 國外線上虛擬實驗教學(xué)現(xiàn)狀

相較于國內(nèi)，國外對于虛擬實驗教學(xué)的研究與建設(shè)工作起步較早，發(fā)展也比較快。美國新媒體聯(lián)盟自2002年開始的地平線項目每年都會對未來5年內(nèi)可能會應(yīng)用于教育教學(xué)的新興技術(shù)做出預(yù)測報告。地平線報告引起了世界教育界的廣泛關(guān)注，成為各級教育機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新與改革時的重要參考。該項報告指出，虛擬仿真實驗教學(xué)將成為今后各國傳統(tǒng)教育教學(xué)改革、提升人才培育質(zhì)量的發(fā)展重點。1985年美國國立醫(yī)學(xué)圖書館建立了“虛擬人體”系統(tǒng)，并將其運用于解剖學(xué)、放射學(xué)等學(xué)科的輔助教學(xué)。時至今日，國外多所高校已建立了各具特色的虛擬實驗系統(tǒng)。

世界首個VR手術(shù)模擬平臺Marion Surgical是由首席執(zhí)行官B.Sainsbury和泌尿科醫(yī)生R.Signal于2016年創(chuàng)立的。該平臺可利用VR和體感模擬設(shè)備為外科醫(yī)生和駐院醫(yī)師提供足夠逼真的腎結(jié)石手術(shù)模擬訓(xùn)練。到目前為止，俄亥俄州立醫(yī)學(xué)院已經(jīng)開發(fā)了一種利用AI技術(shù)的VR軟件，利用這款軟件，醫(yī)學(xué)生可以同具有不同背景及具有不同程度的英語語言能力的虛擬患者進(jìn)行對話溝通。

英國開放大學(xué)開放科學(xué)實驗室構(gòu)建的線上虛擬仿真實驗室已經(jīng)完全能夠替代普通實驗室完成所有的功能性教學(xué)。開放大學(xué)的學(xué)生不但可以通過下載虛擬實驗儀器軟件在線上完成實驗，還可以使用遠(yuǎn)程遙控裝置操控實驗。此外，自2006年起，該校便將基于互聯(lián)網(wǎng)的3D虛擬世界“第二人生”應(yīng)用于教學(xué)工作，借助“第二人生”構(gòu)建的實驗室與現(xiàn)實課堂教學(xué)平行，學(xué)生置身于一個身臨其境的三維虛擬世界，教師借助虛擬世界與異地的學(xué)生進(jìn)行“面對面”的實時互動交流與指導(dǎo)，并完成教學(xué)任務(wù)及集體活動。

美國耶魯大學(xué)通過平板電腦完成分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)等各學(xué)科的實驗教學(xué)工作，充分利用了線上虛擬實驗的實時參與性優(yōu)勢。學(xué)校教師只需借助平板電腦下載移動應(yīng)用程序，即可與學(xué)生同步分析來自線下實驗室數(shù)字顯微鏡的圖像及數(shù)據(jù)資源。美國紐約大學(xué)應(yīng)用可視化技術(shù)開展教學(xué)工作，可利用長達(dá)36 m的高清交互式多媒體顯示墻向?qū)W生展示蜜蜂蜂群采集花粉的動畫場景，還能夠?qū)O為復(fù)雜的股市數(shù)據(jù)形象地展示給學(xué)生觀看；美國加州大學(xué)圣迭戈分校利用自主開發(fā)的StarCAVE虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)向?qū)W生展示約旦沙漠城堡公元前十世紀(jì)的3D虛擬現(xiàn)實模型。

4 結(jié)語

總體來看，建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)項目不僅利于實驗教學(xué)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與完善，更利于加速我國新時代動物科學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)模式改革，加快推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與實驗教學(xué)的深度融合，真正做到與時俱進(jìn)。