虚实融合、自主设计、研究型实验教学模式研究

1、虚实融合、自主设计、研究型实验教学模式研究摘要：生物技术大实验是华中科技大学生命科学与技术学院为生物技术专业本科生开设的一门必修课，课程内容均为 综合设计型实验项目。为适应教育信息化和突破实体实验局限性，课程组老师设计构建了高度逼真的虚拟仿真实验室和具 有设计功能的虚拟仿真实验项目，并推动虚实融合、自主设计、研究型实验教学模式的应用。这里以生物大分子分离纯化 实验为例，详细介绍该教学模式的设计与实施，这些工作有力地推动了实验教学改革，促进了实验教学水平和教学质量的 提高。关 键 词：虚实融合；自主设计；实验教学模式Research on the Virtual-Real Integrated,

2、 Independently Designed andResearch-based Experimental Teaching ModelAbstract: Experiments in biotechnology, required courses for undergraduates majoring in biotechnology in the College of Life Science and Technology, Huazhong University of Science and Technology, consist of comprehensive design exp

3、eriment contents. In order to adapt to educational informationization and break the limitation of entitative experiments, the research group established a highly vivid virtual simulation laboratory and virtual simulation experiments with design function, and promoted the application of the virtual-r

4、eal integrated, independently designed and research-based experimental teaching model. Taking the biomacromolecule isolation and purification experiment as an example, this paper elaborates the design and implementation of this teaching model. These works have greatly promoted the experimental teach

5、ing reform and the improvement in the teaching level and quality.Key words: virtual-real integration; independent design; experimental teaching model虚拟仿真实验项目拓展了实验内容的广度 与深度，将真实实验条件不具备或难以实现， 涉及高危、高成本、高消耗、不可逆的操作引 入实验教学，丰富了教学内容和教学方式，是 教育信息化的一个重要方向，也是新时期教育 部推出的五类“金课”之一 1-2o当前虚拟仿真 项目开发与申报如火如荼，但虚拟仿真实验项 目建设

6、原创性不够，不少都是程序性的验证实 验或流程式实验过程的再现，在其应用上也存 在不少弊端，如仅当作课前预习或与实际联系 不够紧密，学生无法在仿真环境中进行自主设 计实验，不能有效利用已有知识体系开展创新 探索，难以引导学生学以致用，不利于提高学 生综合设计能力和创新能力3-5o在前期虚拟仿真项目应用以及对学生问卷 调查和查阅文献的基础上，学院认为虚拟仿真 项目建设要有针对性、有高度，要充分发挥其 优势更好地服务于人才培养。首先要建设具有 设计功能的、模块化的虚拟仿真实验教学平台 和适合开放的创新研究平台，同时构建与之相 适应的虚实融合教学体系和开放管理机制，将 最新技术和科技成果融入教学项目，

7、不断提高 项目的综合性、高阶性、挑战性6-10o这里以生 物技术大实验课程建设为例，探讨虚实融合、 自主设计、研究型实验教学模式的构建与应用。1生物技术大实验课程内容及改革背景生物技术大实验是学院为生物技术专业学生 开设的一门必修实验课，在学生掌握生物化学和 分子生物学等基本实验原理和方法的基础上，通 过开展系统性、综合性的生物技术大实验，进一 步提高学生独立动手能力、综合分析与解决问题 的能力，培养严谨的工作作风和科学态度，为独 立进行研究打下基础。该课程在大四上学期进 行，64学时，重点包括生物分离技术、冷冻干燥 技术、电泳技术、双水相萃取技术、层析技术 等，经过多年建设与发展，已成为生物

8、技术专业 核心课程。上课流程包括：1）教师课上集中讲解课程 要求、可开展研究项目及注意事项；2）学生组队 围绕感兴趣项目开展文献调研，制定实验方案并 提交老师；3）教师审核实验方案，指导学生优化 实验方案；4）学生预约进入实验室，自主实验， 教师线上线下答疑；5）学生完成实验，提交实验 报告；6）教师批阅实验报告并基于整个过程进行 评分。血红蛋白分离纯化综合设计实验是生物技术 大实验课程的经典教学项目，属综合设计实验。 在实际教学过程中任课老师发现，血红蛋白的分 离与纯化实验涉及技术多且复杂，学生很难较好 理解并掌握这些技术；受实验学时限制，学生往 往无法重复操作，选择血红蛋白提取与纯化实 验

9、，就无法开展其他实验项目如藻蓝蛋白、多糖 的分离纯化操作，不利于学生掌握生物大分子共 同理化特性及其差异，很难拓宽学生知识面和进 一步提高实践创新能力。虚拟仿真实验具有众多优点，已成为教育教 学改革的一个发展方向1-2o学院实验教学中心因 时而动、顺势而为，在实体实验的基础上，开发 建设了生物大分子分离纯化综合设计虚拟仿真实 验，以虚补实、以虚促实，使学生利用碎片化时 间反复在线操作，有助于提高学生理解力，强化 操作过程，弥补实体实验存在的局限性，推动学 生自主学习、主动实践。生物大分子分离纯化综 合设计虚拟仿真实验在2017年获批成为首批国家 级虚拟仿真实验教学项目，有力地推动了实验教 学信

10、息化和实验教学改革。2虚拟仿真实验室设计与实现传统的综合实验往往受实验场地、设备、师 资等因素的影响，学生研究内容千篇一律，个性 化培养只是在极少学生中展开。虚拟仿真实验室 的建设是实体实验室建设的延伸和有效补充，可 打破时间与空间的界限，突破传统实验教学方式 的束缚，使实验的开设不再拘泥于真实实验室 中，很大程度上解决仪器设备特别是高端仪器购 置经费不够、实验教学资源不足、实验室面积小 等诸多问题。虚拟仿真实验室建设包括实验室漫游系统 的构建和虚拟仿真平台的构建。实验室漫游系 统利用3D建模技术建立一个接近或优于真实实 验室场景的虚拟场景，进而利用人机交互技术 实现虚拟场景的漫游和对各种实验

11、设备的操 作。依据实体实验室构建的生物技术虚拟仿真 实验室如图1所示，它拥有超声波细胞破碎 仪、冷冻离心机、超滤系统、浓缩仪、蛋白质 纯化系统、冻干机、荧光光度计、紫外分光光 度计、高效液相色谱、气相色谱等设备。学生 通过漫游，可从不同方位和视角观察了解实验 室布局、实验室设备及实验室所开设的实验项 目及课程，给学生以全新的视觉体验，模拟真 实的实验室参观学习过程。图1生物技术虚拟仿真实验室虚拟仿真平台是虚拟仿真实验室建设的核心 和重点，它可将多种虚拟仿真项目和相关数字化 资源整合到平台中，方便学生学习和实验操作， 同时有利于教师或职能管理部门管理与监控。基 于Unity3d引擎和SQL Se

12、rver 2008数据库开发的虚拟仿真平台如图2所示，具有教学资源动态加 载、学生成绩评定、后台监控、互动交流、实验 方案设计等功能。酶促动力学仿 真实验流程生物大分子分 离纯化综合设 计虚拟仿真实验动物细胞原代 培养综合设计 实验离子交换层析 仿真实验流程胞形分析构+a* 药用植物细胞 组织培养及应 用综合设计虚 .酶促动力学仿 真实验流程生物大分子分 离纯化综合设 计虚拟仿真实验动物细胞原代 培养综合设计 实验离子交换层析 仿真实验流程胞形分析构+a* 药用植物细胞 组织培养及应 用综合设计虚 .拟仿真实验.生物技术虚拟仿真综合设计实验系统图2虚拟仿真平台3虚拟仿真教学资源设计与建设虚拟仿

13、真教学资源包括虚拟仿真实验项目 的建设和与之相配套的学习资源的建设。配套 学习资源为虚拟仿真实验的开展提供支撑与辅 助，主要有实验讲义、实验课件、实验录像、 微课及资料库的收集与建设。资料库包括论文 资料库、标准案例库和技术及问题库。技术及 问题库的建立对于一个在线学习系统非常必 要，通过搜集整理每个学生在线操作碰到的问 题并给出参考答案，经过一段时期积累就可形 成一个相对完备的问题答疑库。学生进行仿真 操作时如再碰到专业问题或软件操作问题，就 可在线提问并能快速获得系统在线帮助和智能 解答，从而大大减少老师工作量，提高学生学 习效率。虚拟仿真实验项目是虚拟仿真教学资源建设 的重中之重。在血红

14、蛋白提取与纯化实验基础 上，系统将所有生物分离科学技术分解成一个个 独立的模块化单元，即实验技术碎片化，每个模 块化单元赋予独立功能，可参数配置与仿真操 作。学生登录虚拟仿真平台，可拖拉多个模块化 单元进行排序组合，这些模块如果逻辑关系正确 且参数选取合适就构建了一个可行的实验方案， 实现生物大分子的分离与纯化，一个正确的实验 流程如图3所示。实验技术碎片化设计使得本实验项目具有很 大的延展性和拓宽性，可不断补充最新生物分离 技术，增加更多的实验方案，从分离纯化血红蛋 白延展到核酸、多糖、花青素等生物大分子，突 破实体实验单一操作对象，有助于学生熟悉各种 大分子理化性质的差别，掌握从复杂混合体

15、系中 提取生物大分子的过程与方法。该虚拟仿真实验项目极大地增加了实验的 设计型、任意性、多样性和趣味性，为学生创 造了一定的科学研究环境及条件，让学生在选 题、设计和研究过程中进一步融会贯通所学理 论知识，进行自主学习主动实践，克服当前许 多虚拟仿真实验项目依葫芦画瓢，不能自主设 计与创新研究的弊端，为信息技术与高等教育 深度融合，进一步提高学生创新思维和实践动虚实融合实验教学模式的构建与应用4虚实融合实验教学模式的构建与应用4这里以生物大分子分离纯化综合设计虚拟仿 真实验项目为例，说明生物技术大实验课虚实融 合、自主设计、研究型实验教学模式的实施，如 图4所示。新教学模式主要分5个阶段。教师

16、课程介绍一T实验项目一| 一T仿真平台 f 安全教育教师课程介绍_T实验讲义| H实验课件| T论文资料库|实验方案设计Y实验流程设计I 实验参数选取I 标准案例库A 技术问题库* 3D实验方案设计Y实验流程设计I 实验参数选取I 标准案例库A 技术问题库* 3D仿真操作| 虚拟实验报告库| -虚拟仿真操作f自主实验痰索实体实验研究-T实体研究报告 fl实验室整理P-| 70% |.J图4虚实融合、自主设计、研究型实验教学模式流程图第1阶段，教师课程介绍环节。学生集中到 课堂，教师讲解课程要求、本课可选实验项目、 虚拟仿真平台功能与使用方法、实验安全教育及 操作注意事项等。第2阶段，学生选题环

17、节。学生根据课程要 求，自由组队，通常23人。各队根据所提供的 实验讲义、实验课件和有关论文资料进行学习， 协商沟通确定课题任务。第3阶段，实验方案设计环节。该环节的核 心是实验流程设计和实验参数选取。各队学生根 据所掌握的知识和任务要求，登录虚拟仿真平 台，拖拽多个模块化单元，进行组合并赋予每个 模块单元参数，只有这些模块单元逻辑关系正确 且参数选取合适才能构建一个可行的实验方案。 学生碰到问题可查阅平台标准案例库和技术问题 库，进行再学习并优化实验方案。该环节主要训 练学生对所学知识的综合应用，有练习和考核两 种学习模式，虚拟仿真平台可自动评分，占总成 绩的15%。第4阶段，虚拟仿真操作环

18、节。学生通过实 验方案设计后，进入虚拟仿真操作环节。通过 实验室漫游系统了解实验室环境、仪器设备， 通过鼠标操作各种虚拟对象、通过交互界面实 现人机交互。完成所有虚拟仿真操作步骤，平 台会自动弹出实验报告界面，里面记录学生所 设计的实验方案和每步操作。有练习和考核两 种学习模式，虚拟仿真平台可自动评分，该环 节占总成绩的15%。第5阶段，实体实验研究环节。虚拟实验报 告的自动提交，表明学生具有进入实体实验室的 资格。教师会授权学生校园卡，允许其开启生物 技术实验室门禁系统。学生利用碎片化时间，依 据设计合格的实验方案自主实验、自由探索，学 生可线上线下获得老师的指导与答疑。完成所有 实体实验后

19、，整理实验室并撰写实验报告。教师 根据学生操作熟练程度、实验结果好坏、实验报 告完整性规范性，以及遵守实验室纪律等方面进 行评价，占总成绩的70%。虚实融合、自主设计、研究型实验教学模式 的应用，为推动以学生为中心的个性化培养提供 了全新思路，可同时满足数百人开展实验设计和 虚拟仿真操作。实验教学过程中，遵循“兴趣驱 动、学生自主、注重过程、虚实结合”原则，学 生可以开展多项综合设计实验，选择自己感兴趣 方向或课题进行实体研究。因此，虚拟实验室与 实体实验室的有效结合，实现无缝对接，丰富了 教学内涵。要推动虚实融合、自主设计、研究型实验教 学模式顺利实施，还要构建与之相适应的虚实融 合教学体系和开放管理机制，需从硬件和软件两 方面建设。软件方面，建立实验教学与实验室开 放管理制度，保证教学秩序稳定，确保过程安 全，提高开放式实验教学效率，并建立教师督促 检查制度和项目目标管理细则；硬件方面，要完 善现有学生实验预约系统、实验室远程实时监控 系统、实验设备操作管理系统、危险化学试剂与 药品授权使用管理系统等11-12o5结束语2014年，学院实验教学中心完成“生物大分 子分离纯化综