虚拟仿真技术在生物学实验教学中的应用研究

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　　摘  要：虛拟仿真技术渗透到教学中是教育信息化发展的必然，基于生物学实验教学的现状和虚拟仿真实验资源开发的现状，探讨深入开发虚拟仿真技术在具体实验项目中的应用，进一步提高生物学实验教学效果，构建虚实互补的生物学实验教学模式。
　　关键词：虚拟仿真技术  生物学  实验教学
　　随着教育信息化的发展，慕课、智慧树等在线教育教学形式已经逐步渗透到教学中，虚拟仿真技术也越来越多的被应用到实验中，这也是实验教学信息化的必然。虚拟仿真技术是一种人工模拟三维仿真环境的综合性集成技术，通过借助多媒体技术和虚拟现实等技术，在计算机和网络上搭建的可辅助甚至替代传统实体实验操作环节的相关软硬件操作环境，具有操作简便、安全性高、成本低及场景逼真生动等优点[1]。
　　生物学是研究植物、动物和微生物各个层次的种类、结构与功能、行为发育和起源进化以及生物与周围环境的关系的科学，是实践性很强的应用型学科[2]，如何将虚拟仿真技术有效应用到生物学实验教学，进而完善现有生物学实验教学体系，从而实现生物实验教学的真正目的，提高学生的动手能力和创新能力，增强学生的分析问题和解决问题的能力，是教育信息化发展的重要课题之一。
　　1  传统生物学实验教学现状
　　1.1 实验仪器陈旧
　　随着生物学实验技术的发展，实验所涉及到的仪器更加高端，带来的问题是实验仪器更加昂贵，由于实验经费所限，学生很难接触到高端的仪器设备，这样就造成学生不能接触到先进的实验技术。细胞生物学实验要求较高的实验室操作条件，新建细胞实验室空间有限，不能满足大多数同学亲自动手操作。
　　1.2 仪器使用过程中的损耗
　　在实验过程中，教师为了提高学生的动手能力，使每位同学都能够掌握基本实验仪器的使用方法，让每位或每组同学都能接触到仪器，这样每位同学在操作过程中都是新手，不可避免造成错误操作，即使操作都是正确的，对实验仪器的损耗也很大。如：光学显微镜、可见分光光度计、离心机等仪器经常发生故障。
　　1.3 实验药品的浪费
　　生物学实验需要大量的药品，尤其是生物化学实验药品的需求量很大，分子生物学实验药品的价格又比较高，同时，实验废液的处理费用也较高，一些有毒、有害药液或实验次生产物随着下水管流向江河，这样有可能会造成水、土壤、大气等的污染，进而影响其他生物的生长、发育，不利于环境保护和生态的可持续发展。
　　1.4 实验课时有限
　　每个实验都有固定的学时，为了保证学生能在规定时间完成实验，教师在上课前必须完成材料的准备、试剂的配制和仪器的调试等工作，学生更多的是按照实验步骤的要求逐步完成操作即可，并没有真正掌握实验的精髓，上完实验课还不能熟练配制药剂的学生非常普遍，更别说独立完成一个完整实验的操作了。
　　1.5 实验项目安全系数所限
　　有一些生物学实验会用到具有危险性的药品，或者药品在使用过程中的危险系数高，需要学生额外注意，涉及这些药品的实验项目无论意义大小均不能开设，必须考虑实验项目的安全性，这也限制了学生对一些实验技能的掌握。
　　1.6 实验教师精力有限
　　一般一次课有15-20人，根据实验项目和仪器的不同，每2-4人组成一个小组，在实验操作过程中，学生会遇到各种各样的问题，教师对学生的问题进行探讨分析时经常不能兼顾其他小组，探究性实验表现尤为突出，使实验教师在上完课后筋疲力尽，比上一次理论课还要累。
　　1.7 生物实验材料培养的周期长
　　一些实验动物和植物的培养需要较长时间，微生物的生长周期虽然短，但要掌握取材的恰当时机，这些都限制了实验的开展，使实验效果难以达到预期。
　　2  虚拟仿真技术在教学中的应用
　　2.1 虚拟仿真技术在生物形态学教学中的应用
　　扬州大学将植物优质玻片标本转化为数字切片标本等虚拟仿真资源，使植物显微结构观察实验不必借助显微镜即可进行。学生可以在屏幕上浏览数字切片，切换任意方向、放大，对生物组织局部进行仔细观察，可进行文字标注、测量等操作，使学生对于植物显微结构的观察更加便利，也实现了优质玻片标本被大多数同学共用共享，极大地提高了植物学实验的教学效果[3]。建设的“兔的形态结构与功能”虚拟仿真实验项目，对于动手实验观察不到的结构、以及结构与功能的协调变化过程能更好的掌握[4]。
　　2.2 虚拟仿真技术在分子生物学教学中的应用
　　杭州师范大学将虚拟仿真技术运用到分子生物学实验中，降低了三氯甲烷、丙酮和溴化乙锭等公安部管制的易制毒危化学品的使用[5]。对于Southern杂交这样耗时的实验，需要提取基因组DNA，酶切、DNA消化产物的琼脂糖凝胶电泳、DNA转移、探针标记等步骤，利用虚拟仿真技术可以减少实验等待的时间，提高了实验教学效率。对基本实验技能训练、高危、高风险或涉及到高精贵实验仪器使用的实验项目采用虚拟仿真实验来完成，降低了分子生物学实验教学的成本。“棉花转基因技术虚拟实验”、“水稻遗传转化虚拟仿真实验”等综合性实验，使学生对于分子生物学实验技术有了全面的理解和掌握。
　　2.3 虚拟仿真在生物学野外实习中的应用
　　野外实习是生物学专业学生理论联系实际，提高实践能力的重要环节之一。东北师范大学建设了数字化标本馆和鸟类鸣叫库等虚拟仿真资源;华中师范大学对神农架在不同季节、不同路线的野外环境和动植物实景进行虚拟仿真;南京农业大学利用虚拟仿真技术构建了天目山、黄山等生态区的生物学野外实习虚拟仿真实训系统和天目山虚拟生物标本库，使实习不受时间和空间的限制，减少了标本的采集，缓解了自然资源保护与实习采集之间的矛盾，有助于提高实习效率和质量，推动了生物学野外实习教学模式的改革和创新[6]。
　　2.4 虚拟仿真技术在生物学相关仪器使用中的应用
　　将生物学实验相关仪器的使用方法、注意事项进行虚拟仿真，使学生能够生动、形象地看到仪器的操作方法，以及由于使用不当对仪器和实验结果可能造成的影响，极大程度地减少了仪器的损耗。教师也能够做到既考核了学生实验仪器使用的掌握程度，又能够大胆地改革实验考核方式。
　　3  结语
　　虚拟仿真技术的应用大大降低了实验教学的成本，减少了实验教学造成的药品污染和毒害，缩短了实际培养生物材料的周期，丰富了实验教学的内容和方式，加深了学生对知识的理解，有效的提高了学生学习的积极性和主动性，极大地提高了教育教学质量。进一步全面认识虚拟仿真实验教学的功能，深入挖掘虚拟仿真技术在具体实验项目中的应用，加大生物实验应用软件的开发力度，促进虚拟仿真技术与生物学实验的深度融合。使虚拟仿真与实际操作相互补充，进一步形成虚实互补的生物学实验教学模式，培养出新时代的创新型人才。
　　参考文献
　　[1] 李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32（11）：5-8.
　　[2] 蒋建平.重视生物学实验教学，培养学生生物科学素养[J].生物学教学，2013，38（9）：43-44.
　　[3]贺建忠，井波，陶大勇，等.虚拟仿真技术在动物医学实验（实践）教学中的应用[J].黑龙江畜牧兽医，2018（3）：242-244.
　　[4] 张彪，魏万红，丁海东，等.植物学数字切片虚拟仿真教学系统的构建与应用[J].实验技术与管理，2019，9（36）：103-105，110
　　[5] 秦丽玮，胡原，万建，等.分子生物学虚拟仿真实验平台的建设与应用[J].实验技术与管理，2018，35（7）：140-143，147.
　　[6] 成丹，崔瑾，鲁燕舞，等.生物学野外实习虚拟仿真实训系统构建与应用[J].实验技术与管理，2016，12（133）：128-132.
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