虚拟仿真技术在生物实验教学中的应用

李亚琳 李 丹

虚拟仿真技术在生物实验教学中的应用

李亚琳 李 丹

（渭南师范学院环境与生命科学学院，陕西 渭南 714099）

文章分析了现代计算机模拟技术融入生物实验教学的必要性。秉承以学生为主体的教育教学理念，基于虚拟仿真技术构建实践教学体系，能解决生物专业实验教学经费短缺和安全因素导致的实验限制之间的矛盾。实践实验教学体系的改革，教学成果和虚拟仿真技术的开发及推广应用，有利于降低实验成本、节约自然资源，并能提高人才培养质量。这种新型的现代化信息教育改革模式为高校生物专业发展提供有利可行的实践探索经验。

虚拟仿真；实验教学；教学改革；生物实验

引言

生物作为一门实践性及应用性较强的学科，加强实验教学不仅能加深学生对理论知识的理解，也能全面地培养学生的动手操作能力、知识应用的能力、以及分析问题和解决问题的能力，提高学生的创新性和科研思维。然而生物实验教学仍存在许多问题，如仪器数量达不到规定实验教学要求、实验周期长、实验学时不足、仪器运行、维护成本髙、实验经费不足和实验教师缺乏专业素养等。

为了解决生物实验实施过程中的问题，高校应该结合现代信息科技，通过引入虚拟仿真技术，结合学校教育发展前景，构建符合自身的实验教学体系，帮助学生更好地学习知识。随着计算机科技的发展，仿真技术已经自成体系，成为数学推理与科学实验之后，人类理解客观自然规律的第三种基本方法[1]。由此可见，挖掘虚拟仿真技术在实验项目中的具体应用，加强生物实验中应用软件的开发，促进生物学实验与虚拟仿真技术的深度融合，是未来生物实验发展的方向。因此本文分析了虚拟仿真技术在各类生物实验教学中的应用及其发展前景，从理论上为其在教学中的实际应用提供了思路，促进形成虚拟与真实互补的生物学实验教学模式，为培养出新形势下的创新型人才提供思路。

1 虚拟仿真技术在生物各类实验教学中的应用

虚拟仿真是20世纪40年代随着计算机技术而发展起来的技术，主要是利用计算机的处理对事物进行模拟，通过构建在操作软件上的程序或指令模拟现实中的实验操作，达到与现实操作同样的实验目的。这种技术在模拟的实际场景中实施，功能强大，内容丰富，操作性强，资金投入少，在很多行业都受欢迎。虚拟仿真技术在生物学各类实验教学中也得到了广泛的应用。

1.1 生物形态认知类实验教学

生长季节和发育期对植物试验材料的影响很大。在花蕊发育的实验中，学生仅能利用永久装片来观察典型发育时期的花蕊，而观察不到完整的发育过程。这严重影响了学生掌握植物生殖器官的这一重要实验内容。如果结合虚拟仿真技术，就可以将优质玻片标本转化为数字切片标本，无需显微镜即可进行植物显微结构的观察实验。学生在屏幕上观看浏览数字切片，随意切换方向、大小，有利于学生仔细观察生物组织的各部分形态，还能进行文字标注、测量等，使学生更容易观察植物的显微结构[2]。此外，学生间还可以共享高质量的玻片标本，大大提高了植物学实验的教学效果。在动物形态方面，如果用虚拟模拟技术构筑如“兔子形态结构和功能”的实验项目，则可以更好地理解在实际实验中观察不到的结构，甚至结构和功能的协调变化过程等[3]。

将虚拟仿真实验技术应用于形态学实验具有以下优点：第一，有真实感，结合虚拟仿真技术和动植物形态学，让学生在虚拟环境中有真实感受；第二，有交互性，学生可以自行选择实验项目所需的消耗材料和试剂，进行独立的实验设计。有助于学生思考实验原则；第三，有逼真性，虚拟环境与模拟现实非常相似，学生可以通过模拟实验恢复实验环境，在实际操作之前感知实验场景，充分理解实验的预期结果。

1.2 生物学野外实习教学

野外实习是理论和实践相结合的重要环节，是提高生物学专业学生实践能力的重要内容。如植物分类学实验具有直观性、开放性和综合性等特点，气候和植物生长环境对其造成了较大影响，植物学野外实习经费也是限制因素之一。如果这类实验能结合虚拟仿真技术，就可以节约时间和运行成本，并缓解各种教学资源的短缺，同时消除实验过程中的安全隐患，改善教师对学生监督、评价的模式，使学生掌握先进的生物学技术，提高学生的创新精神。例如，东北师范大学建立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不同季节的野生环境和动植物进行了虚拟模拟，用于研究神农架的野生动物。南京农业大学建立了天目山、黄山等生态区的生物学野外实习的虚拟仿真实训系统和天目山虚拟生物标本库[4]。采用虚拟仿真技术模拟生态领域，不受时间和空间的限制，减少了采样，缓解了自然资源保护和实践采集的矛盾，提高实习效率和质量，促进生物野外实习教学模式的改革与创新。

1.3 生物组织解剖实验教学

解剖学实验教学的主要目的是使学生掌握动物器官（心脏、胃等）和系统（消化系统、生殖系统等）的特征和分布。传统解剖学教学强调教师在课堂上的理论阐释，教师利用照片、标本、模型等向学生展示尽可能多的动物器官和系统的结构并建立尸体解剖的实用操作环节，帮助学生脑海中建立复杂的人体结构和动物结构。但因为解剖尸体标本数量的限制，降低了人体解剖学教学的效果[5]。冷冻切片技术和虚拟仿真的三维图像处理技术的出现，为解剖学教学提供了转折点。虚拟解剖学教学也就是利用虚拟仿真软件处理人体切片信息，形成具有立体效果的生理结构数字模型，可以直观地向学生展示人体器官的空间结构。学生可重复对数字人体进行解剖操作，既节约大量的尸体资源，又容易操作。使用高度模拟的仪器和样本进行实验操作时，学生还可以通过人机对话，从不同的角度和方向仔细观察虚拟人体的系统、器官和组织结构，甚至还可以对其组织结构进行拆装，深层次地对内部结构进行观察、重组，该实验方法的效果明显优于传统的观察教学模式。

1.4 食品生产应用类实验教学

利用微生物发酵生产食品，是生物专业学生本科阶段需要掌握的实验，但实际上微生物在食品生产中的应用实验很难进行（如利用酵母菌发酵生产酒类；微生物在传统食品，如豆瓣酱、腐乳、醋、发酵火腿等生产中的应用；工业生产上微生物的在线控制；食品致病菌的检测）[6]。现在大部分微生物实验课程都是基于基础实验开设的，例如培养基的配置、革兰氏染色、细菌总数测定和大肠杆菌的检测等基础操作性实验。传统实验教学内容的设定明显不足，没能强调实践能力的培养。虚拟仿真实验教学平台的设计突破了时间、空间和距离的限制，为学生提供了模拟、设计、分析实验的平台，既还原了实际的实验环境，让学生有直观的浸入感，并能自主设计实验内容，也可以帮助教师设计更全面的多级实验。在实验教学中，由于生物学上的危害，很多实验不能进行。采用虚拟模拟技术进行相关实验，如检测引起食物中毒或人畜共患病的病原微生物等，具有低污染、高安全、无“三废”的优点[7]。

1.5 分子生物类实验教学

分子生物类的实验涉及的原理比较抽象，实验材料和试剂使用剂量非常少。如DNA用纳克计算，聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）实验试剂用微升计算，还有一些实验反应肉眼看不见。例如“PCR扩增实验中DNA是如何变性，复性和延伸”“在构建DNA重组子的实验中，DNA片段是如何与载体DNA结合的”，这些肉眼都看不见，只有在实验结束后才能确认实验的成功与否。利用虚拟仿真实验进行教学，结合传统的实验操作，可以从视觉上展示实验反应过程和实验原理，对于实验是否成功也不用在实验结束后再借助电泳检测等手段来判断，而是直接在过程中就能发现问题所在，既丰富了教学手段，又能激发学生的学习兴趣，使学生主动学习，让学生更深入地理解实验和原理，最终掌握和应用分子生物学的知识。

有些分子生物类的实验要使用有毒有害的化学试剂，如果操作不当的话，则容易发生安全事故。例如，琼脂糖凝胶电泳时用到致癌物质溴化乙锭，蛋白质的提取用到有毒易爆的丙酮。杭州师范大学将虚拟模拟技术应用于分子生物类实验，降低了公安部所管制的危险化学品的使用率，如丙酮和溴化乙锭等[8]。这种不需要接触危险化学品的虚拟模拟实验课，学生可以通过模拟操作和观察，更好地了解危险化学试剂的操作和使用。因此，虚拟模拟实验教学减少了实验的危害，有利于提高学生对实验的理解能力。

1.6 使用大型仪器的实验教学

一些生物实验会涉及到昂贵的化学试剂和大型仪器。例如，反转录聚合酶链式反应（Reverse Transcription-Polymerase Chain Reaction，RT-PCR）实验要用到价格不菲的反转录试剂盒，荧光定量PCR实验要采用价格昂贵的荧光定量PCR仪[9]。使用虚拟仿真技术便无需购买高价化学试剂或大型仪器就可以进行实验。在虚拟实验中，学生不仅接触到了更先进的分子生物学技术，还丰富了教育资源，大大减少了实验投入。通过虚拟仿真生物实验设备展示的使用方法和注意事项，学生可以直观地看到机器的操作方法。老师不仅可以评价学生对实验步骤的完成度，还可以评价学生对实验器具操作的熟练度，达到改革实验评价方法的目的。

2 虚拟仿真技术在生物实验实践教学中的发展前景

近年来，生命科学发展迅猛，传统的教学方式已经无法满足当前教育和教学发展的需要。为了拓展学生的空间思维想象，培养学生的创新能力和实践能力，让学生快速掌握最前沿的生物科学技术，不少高校已经开始建设生物虚拟仿真实验室。虚拟仿真技术模拟的实时交互模块要比文本、效果图像或模型更直观、生动、有趣，能够创造特殊的自主学习环境，也能把传统的学习模式转换成新的学习方式[10]，通过这种学习方式，学习者可以利用与技术信息的对话来获得知识和技能。

2.1 突破空间限制随时进行实验

虚拟仿真实验室不受空间限制，只需要有移动终端，学生就能随时随地进入实验平台开始实验操作，而且所有学生不受设备数量的限制都有操作实验的机会，还可以在虚拟平台中多次重复实验，这不仅加深了学生对生物实验的理解，也提高了学生的创新能力。

植物的季节性生长期对获得植物材料的影响很大，为了随时随地能观察到植物的根、茎、叶、花等的形态结构，可以结合虚拟仿真技术，将这些结构图片数字化，学生只需要观看视频，就能很清楚的观察到植物各部分的结构。如果结合3D图片展示，学生还可以在不同方位观察到某一结构的完整形态，进一步把不同发育时期的数字图片组合起来，学生就能够很快地观察到植物生长发育的变化过程。另外，结合显微照片，还可以对某一部位进行放大，有利于学生观察其显微结构[11]。在动物形态结构观察中，如果能结合虚拟仿真3D展示技术，便可以对抽象难懂的结构进行直接的视频观察。如鱼鳃的结构、哺乳动物肺泡结构等，学生在数字图片中，可以很完整的看到这些结构的立体形态和结构，有利于理解这些结构及其生理机能。

暨南大学黄柏炎制作的“滨海动物野外实习虚拟仿真”视频，学生如亲临其境，完整的看到了海洋动物实况[12]。陕西师范大学李金刚教授的“秦岭生物学野外实践教育虚拟仿真实验教学项目”，让学生在虚拟实验室模拟秦岭野外实习的场景，看到了秦岭地区各种动植物的生长环境及其形态[13]。采用虚拟仿真技术模拟动植物的生态环境，避免了时间空间的限制，减少了采样对自然资源的损害，有助于生物学野外实习模式的改革与创新。

2.2 丰富考核方式提升教学效果

实验报告是传统的生物实验考查方式，考核项目包括出勤率、实验操作过程和实验报告。这样的审查方法过于单一化，学生之间很容易简单地复制或抄袭实验报告，严重影响对实验教学效果的考核。在虚拟仿真实验操作中，教师可事先设置相应的“知识障碍”，学生在实验项目成功后，努力消除“知识障碍”，才能取得相应的成绩，从而减少实验报告剽窃现象，提高实验教学效果，使实验评价方法更加多样、生动。

2.3 虚拟仿真技术促进教育信息化的发展

伴随着教育信息化的不断发展，智慧树、慕课等网络教育形式已经逐渐渗透到教育教学中，虚拟仿真技术在生物实验中的实际应用也越来越广。虚拟技术和仿真技术具有广阔的发展前景，不仅验证旧知识，同时也创造新知识，其推广应用后能为国防建设和国民经济改革带来巨大的经济效益。教育部也对虚拟仿真实验室的建设提出了具体要求，如对虚拟仿真实验室的特点、环节做出相应规定，对应用学科方向进行了统筹规划。例如山东农业大学的国家级农业机械化以及自动化虚拟仿真实验教学中心不仅构建了较为完善的平台建设和管理体系，还建设了四个虚拟仿真教学模块[14]。因此，利用虚拟实验技术克服传统实验教学障碍，是提高人才培养质量的重要途径。

2.4 提升学生实践能力推动实验教学发展

虚拟仿真实验技术和生物实验教学的完美结合可以显著地提高学生的分析能力和实践能力，刺激学生的学习兴趣，推进传统教学模式向信息化、智能化模式的转变。随着虚拟仿真技术的持续发展和教学项目建设的不断深化和开拓，生物学专业的实验教学将会有更多的实验教学平台和更高质量的虚拟模拟技术，来支持高校生物学专业人才培养体系建设，促进高等院校实验教学方式方法的与时俱进。例如虚拟仿真试验系统既可釆用三维动画技术充分呈现仪器结构，又可以显示实验原理和工作状态，通过模拟实验仪器的操作界面更直观地展示实验仪器的规范操作，让学生通过计算机造作模拟实体实验的操作过程，提升学生的实践动手能力[15]。

3 虚拟仿真技术在高校的应用现状

近年来，在国内外高校中，掀起了一股“虚拟仿真实验室”的新风潮，通过信息化手段结合学科特色，打造富有科技感的具有学科特色的虚拟仿真实验室，在丰富教学模式的同时，还推进了教学资源的共享和教育信息的数字化。

3.1 国外高校的虚拟仿真实验室建设

国外虚拟仿真实验教学主要包括以下十种方法：虚拟现实技术、人机交互技术、多媒体技术、仿真技术、增强现实技术、可视化技术、3D打印技术、虚拟仿真技术、遥现技术和虚拟世界。国外大学的虚拟实验教学的主要类别和形式如表1所示。

表1 国外大学虚拟仿真实验室的主要类别和形式

美国耶鲁大学注重虚拟实验室的灵活性和即时性。在细胞生物学、发育生物学以及分子生物学等方面，教师和学生可通过平板（Portable android device，Pad）产品上的移动应用程序记录和分析实验室的数字显微镜。英国Open University的开放科学实验室可以将收集到的图像和数据进行文件化，同时可以再现实验室的所有实验功能，利用遥控装置进行远程实验跟踪。另外，实验室也建立了应用网络模拟的虚拟现实实验室，可以在线共享虚拟仪器。例如地球科学实验室的虚拟显微镜能够提供当今世界各地博物馆以及研究机构所保存的地质标本，这样就避免了购买昂贵的显微镜以及切片标本制作的成本，并可实现设备的共享[16]。

3.2 国内高校的虚拟仿真实验室建设

随着网络技术和虚拟仿真技术的飞速发展，虚拟仿真实验平台逐渐受到我国教育工作者的青睐，教育部提出了教学信息化的方向，确立了建设虚拟仿真实验室的具体要求，国内高校掀起了积极开发应用虚拟仿真教学项目的热潮。例如，北京大学生物学国家级实验教学示范中心结合自身教学的特点，借鉴国外其他高校生物实验教学信息化建设的经验，开发出实验数据及实验报告管理系统，建设了虚拟仿真实验和多门生物学实验类慕课以及实验室安全考试系统[17]。四川大学采用计算机虚拟仿真与网络技术建立的生物科学实验教学中心，由动物房、资料室、准备室、虚拟实验室、考场等五部分组成，涵盖了40多个机能学实验的虚拟仿真，结构完整、内容丰富，可同时供40位学生进行生理机能学知识和技能的学习[18]。

4 结束语

虚拟仿真技术的应用极大程度降低了实验教学实际操作的成本，减少了实验过程中的药品污染和毒害，缩短了生物材料的实际培养周期，丰富了实验教学的内容，促进学生对知识的理解，提高了学生学习的主动性和积极性，提升了教育教学质量。这既是对学校实验教学体系的完善，也是对实践教育的改革。教师要从学情出发，本着提高学生的理论知识、实践能力和专业素养的目的，设计合理的教学目标、教学内容、和教学方法，在实施过程中及时注意反馈信息，努力寻求虚拟仿真实验教学模式与教学实践和信息技术的融合，创新实验教学体系，争取为学生提供完善的实验学习平台，促进我国高等教育的长远发展。

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Application of Virtual Simulation Technology in Biological Experiment Teaching

This paper analyzes the necessity of integrating modern computer simulation technology into biological experiment teaching. Adhering to the education and teaching concept of taking students as the main body, building a practical teaching system based on virtual simulation technology can solve the contradiction between the shortage of experimental teaching funds and the experimental restrictions caused by safety factors. The reform of practical experiment teaching system, the development and popularization of teaching results and virtual simulation technology are conducive to reducing the experimental cost, saving natural resources and improving the quality of talent training. This new modern information education reform mode provides favorable and feasible practical exploration experience for the development of biology specialty in colleges and universities.

virtual simulation; experiment teaching; educational reform; biological experiment

G642; G652

A

1008-1151(2022)10-0152-04

2022-07-28

李亚琳（1968－），女，渭南师范学院环境与生命科学学院教授，博士，从事生物教育研究工作。