虚实结合实验教学驱动生物学卓越教师培养

李 兵， 秦丽玮， 胡 原， 周 权， 龚思颖， 贺占魁

（华中师范大学a.生命科学学院；b.生物学国家虚拟仿真实验教学中心；c.湖北省高校生物实验教学示范中心；d.实验室与设备管理处，武汉 430079）

0 引 言

互联网、云计算、大数据、人工智能等信息技术快速发展，深刻改变着人类的思维、生活和学习方式，教育融入了更多互联网和智能化的元素，需要用信息技术改变教育，重塑教育，而虚拟仿真实验为改变传统实验教学提供了新途径。为切实推进虚拟仿真实验建设，教育部于2013年和2017年分别启动了国家虚拟仿真实验中心和国家虚拟仿真实验项目建设评审，2019年又明确将国家虚拟仿真实验项目认定为“国家虚拟仿真实验教学一流本科课程［1-3］”。截至2020年11月，已认定国家虚拟仿真实验教学一流本科课程728门。新冠疫情期间，线上虚拟仿真实验突破病毒阻隔，解决了实验性学科无法开展现场实验教学的困难，让做不了、做不到的实验教学有效完成，有力证明了虚拟现实、人工智能、大数据、5G等新一代信息技术对未来教育的积极影响和有力支撑［4-7］。

生物学国家虚拟仿真实验教学中心（以下简称“中心”）紧紧抓住虚拟仿真实验快速发展的良好机遇，以国家虚拟仿真实验教学一流课程建设为牵引，积极开展虚拟仿真实验建设和教学应用探索，现已建成虚拟仿真实验教学项目66项，其中获评国家一流本科课程3门，省级1门，并广泛应用于生物科学专业师范生实验教学。虚拟仿真实验良好沉浸感和交互性，激发了学生学习兴趣，实现了让学生快乐学习。虚实结合的实验教学改革不仅丰富了实验教学内容，且有效促进学生实践能力、创新能力和信息化能力的培养，为新时期生物学卓越教师培养提供了新模式［8-11］。

1 虚拟仿真实验及其基本特点

虚拟仿真实验是利用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库、网络通信或实物仿真技术，构建高度仿真的开放式网络化虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求教学效果的一种信息化或模拟式实验教学方法。

虚拟仿真实验一般具有以下基本特点。①仿真度高。能够对实验环境、对象、操作和实验现象等核心要素进行精确还原，逼真度高，沉浸感强，能够激发学生学习兴趣，提高教学效果。②交互性强。学习者通过鼠标和键盘，可以对虚拟实验环境和实验对象进行操作，实行人机交互，相比于动画、视频有更好的参与感。③规范性好。规范、标准的知识讲授和技能训练，可多次反复操作，让学生实验技能掌握更加牢固。④灵活性广。时间、地点灵活，内容灵活，为学生提供泛在化、个性化、智能化、模块化的学习方案。⑤共享性高。通过互联网可以实现优质资源的广泛共享。

2 虚拟仿真实验项目建设原则和开发基本流程

虚拟仿真技术是用一个虚拟的系统模仿另一个真实系统的技术。它是计算机仿真技术、数据库、人工智能、软件工程、立体显示、语音识别与合成等多种技术综合运用之结晶。虚拟仿真实验项目建设坚持“能实不虚、虚实结合、相互补充”的建设原则。虚拟仿真实验项目的开发主要包括前期调研分析、项目设计、项目开发、项目测试、项目修改与部署、相关技术资料的收集整理等环节［12］，其基本开发流程如图1所示。

图1 虚拟仿真实验项目开发基本流程图

3 中心虚拟仿真实验项目建设路径

中心紧密结合生物学学科特点和人才培养需要，全面贯彻“以本为本，以学生为中心”的教学理念，遵循“危险实验安全化、微观实验可视化、宏观实验微缩化”的建设思路，重点围绕高危实验环境不可及、珍稀生物实验材料不可采、微观瞬时实验过程不可见等生物学实验教学的瓶颈问题，积极开展虚拟仿真实验项目建设，逐步形成基础型、综合型和探究型3个层次虚实结合的实验教学课程新体系，不断拓展生物学实验教学的深度和广度。

3.1 针对高危或极端实验环境的虚拟仿真项目建设

传统生物学实验教学中存在放射性、致病性、腐蚀性和剧毒性等高危实验内容，对实验条件要求非常高，实验的安全风险大，无法在本科生实体实验中大规模开展。为此，充分发挥虚拟仿真的优势，选取“遗传学实验”中的重要实验项目——“放射性同位素标记核酸分子杂交实验”进行虚拟仿真实验研发，既降低了安全风险，又丰富了实验教学内容。

放射性同位素标记核酸分子杂交是遗传学、生物化学和分子生物学实验最常用的技术之一，主要用来确定转基因是否表达以及表达水平的高低，与Realtime PCR技术及地高辛标记相比，放射性同位素标记实验灵敏度高，重复性好，结果可靠，因而在Northern杂交、Southern杂交等实验中广泛应用。但是放射性同位素具有辐射安全风险，无法经常性大规模面向本科生开展。为此，中心研发了“放射性同位素标记核酸分子杂交虚拟仿真实验项目”，该实验设计为7个实验模块，包含植物RNA提取、变性RNA电泳、Northern印迹（转膜）、预杂交、探针的制备与杂交、洗膜和放射自显影压片，每个模块含实验原理、实验仪器和试剂、实验方法与步骤、实验报告等内容，既自成体系，又环环相扣。学生需要先完成实验方案设计后，再进行7个模块的虚拟实验操作。其实验方案设计和实验流程见图2。该项目利用虚拟仿真技术再现了Northern杂交全过程，情境真实，交互性好，学生像玩游戏一样进行沉浸式的实验学习（见图3）。实验设有演示模式，教学模式和考核模式，通过开展问题式、讨论式、探究式实验教学，以丰富的教学策略和方法促进学习目标的达成。该项目的成功研发和有效应用，既突破了放射性同位素安全风险和时空制约，又开启了实验教学新模式。

图2 放射性同位素标记核酸分子杂交虚拟仿真实验方案设计及流程图

图3 放射性同位素标记核酸分子杂交虚拟仿真实验截图

3.2 围绕珍稀动植物不可采等珍稀教学资源建设

动植物实验材料是保证实验教学顺利开展的必要条件，但由于季节、天气、环境和习性等因素影响，导致有些动植物标本难以采集。特别是受各级自然保护区禁猎禁采等限制，很多珍稀动植物标本不可采集［13］。为此，采用unity3D、三维数字采集还原、VR虚拟现实、测绘数字高程模型等技术，重点选取珍稀濒危兰科植物、珍稀动物金丝猴、大熊猫等内容进行虚拟仿真，构建了“兰科植物传粉与保护虚拟仿真实验项目”和“珍稀动物川金丝猴生物学习性观察研究虚拟仿真实验项目”，有效解决了珍稀动植物标本不能采集获取、野外环境难以到达、生活习性不便观察等实验教学的瓶颈问题，拓展了相关动植物分类、形态结构、习性观察、救护与保护等教学内容的深度和广度，满足了动植物学实验和野外实习的教学需求。实验项目一般包括珍稀动植物虚拟标本库、野生生境分析、习性观察和保护管理等主要内容，其显著特点是动植物虚拟标本还原逼真度高、野生生境重建沉浸感强、生活习性仿真交互性好（见图4）。该类虚拟仿真实验的有效应用，极大地激发了学生的学习兴趣，提高了教学效果，让学生实现了快乐、自主和沉浸式学习。

图4 兰科植物传粉与保护虚拟仿真实验截图

3.3 选取微观瞬时实验过程不可见的虚拟仿真建设

植物光合作用电子传递是植物生理实验教学中的重要内容，但受实验中电子传递微观不可见、过程迅速以及数据分析难的影响，电子传递实验教学效果不佳。为此，对电子传递过程中关键的光系统微观结构进行3D仿真，如PSⅡ是光合作用电子传递过程中的核心部件［14］，采用3D Studio Max技术对PSⅡ结构进行三维重建，让微观不可见的结构具象化可视化，便于学生直观学习和掌握（见图5）。

图5 光合作用核心部件PSⅡ虚拟仿真结构截图

光合电子传递是植物光合作用实验的重点和难点，主要发生在PSII—Cytb6f—PSI—NADP+之间［15］。由于电子传递过程中涉及多种物质合成、分解以及能量转换，且在瞬间完成，因而知识点抽象，实验数据难以分析。为此，我们借助虚拟仿真技术，构建了生动逼真的电子传递虚拟动画，模拟了叶绿素荧光诱导动力学曲线（见图6），对实验材料与仪器、植物暗适应、植物效率分析仪（PEA）测量荧光信号等实验内容进行了虚拟仿真，并将线上虚拟仿真实验与线下实体实验操作有机结合，解决了实体实验中微观体系难以观察、瞬时效应难以理解、复杂数据难以分析的困难。目前，该虚拟仿真实验项目已应用于15级、16级、17级植物生理实验教学，有效培养了学生实验能力和创新思维能力，推进了植物光合作用实验教学的信息化改革。

图6 光合作用电子传递虚拟仿真实验截图

3.4 将高水平的科研成果转化为虚拟仿真实验项目

为了丰富虚拟仿真实验教学资源，提高虚拟仿真实验项目建设水平和层次，中心注重科教融合，积极将最新的高水平科研成果转化为虚拟仿真实验项目。如国家自然科学基金面上项目“基于全景视频的生物学野外实践VR学习环境研究”直接服务于虚拟仿真实验项目建设；而“水迷宫技术检测小鼠空间记忆能力”“蛋白质三级结构之同源模建”“棉花转基因技术”“果蝇基因过量表达和基因敲降”“真核细胞高效表达系统构建”等都属于科研成果转化来的虚拟仿真实验项目。研发过程中，特别注重虚拟仿真实验的设计性和交互性，采用3D、VR和AR等技术显示场景，让实验场景和过程生动逼真。利用类似游戏方式进行人机交互和人人交互，增强虚拟仿真实验的参与感。上述虚拟仿真实验教学的应用，学生视野得到开拓，学生对生命现象过程认识更全面，对实验技能的掌握更系统。近5年来，有10余项虚拟仿真实验项目源自老师科研成果转化，见表1。

表1 科研成果转化为虚拟仿真实验项目表

3.5 紧扣生物学卓越教师培养开展虚拟仿真实验

为了加强生物学卓越教师培养，中心积极推进信息技术与教师教育深度融合，积极探索线上线下互通、课内课外一体、实体虚拟结合的混合式智能化教学模式。针对中学生物学实验教学痛点，遴选“中学生物学实验教学课程”中实验材料难以获取、实验场地难以到达、实验操作难度大、实验周期长等教学困难开展虚拟仿真，如行为生态学、动植物细胞培养、分解纤维素微生物的分离、蛙胚胎发育、用样方法调查草地中某种双子叶植物的种群密度等，通过虚实结合，突破时间空间限制，开展沉浸式学习，不断提高师范生实验教学技能和信息化素养，如中心自主研发的一套“行为生态学虚拟仿真实验项目”，属于探究性实验，教学中将此类虚拟仿真实验资源贯穿于师范生培养的教学设计、教学实施和教学评价的全过程，变过去“讲实验”为“做实验和探究实验”，培养既具备扎实学科专业知识和教育教学技能，又具有良好的信息化素养，能够胜任信息化时代教育教学需求的高水平“数字教师”（见图7）。并将上述虚拟仿真实验向中学生物学实验教学开放共享，引领中学生物学实验教学改革，进一步突显和巩固我校教师教育优势和特色。

图7 标记重捕法虚拟仿真实验截图

4 虚实结合实验教学实施过程

为切实发挥虚拟仿真实验在生物学卓越教师培养中的作用，采取虚实结合的方式开展教学实施。①将虚拟仿真实验与传统实验项目有机融合，形成虚实结合的实验教学课程体系。②以课程体系和教学大纲为依托，开展虚实结合的实验教学组织实施。将整个实验教学活动设计为课前自主预习、课堂实验教学、课后复习总结和多元考核评价4个教学模块，并综合采用启发式、问题式和探究式的教学方法，实现虚拟与实体、线上与线下无缝对接，优势互补，全面提高师范生生物学学科水平、教学能力和信息化素养。具体实施流程如图8所示。

图8 虚实结合实验教学实施流程图

5 虚实结合实验教学的建设成效

5.1 虚拟仿真实验课程建设成效显著

按照教育部虚拟仿真实验一流课程建设要求，从选题、开发、测试、应用和评价等方面精心设计，反复打磨，持续更新，已建成基础型、综合型和探究型3个层次的虚拟仿真实验项目66项，其中“放射性同位素标记核酸分子杂交虚拟仿真实验项目”“珍稀动物金丝猴生物学习性观察研究虚拟仿真项目”“兰科植物传粉与保护虚拟仿真实验项目”3项获批为国家虚拟仿真实验教学一流课程，“水迷宫技术检测小鼠空间记忆能力”获批为湖北省虚拟仿真实验教学一流课程。相关建设思路和方案已成为生物科学类虚拟仿真实验建设的典型案例。

5.2 生物学实验教学信息化改革全面推进

中心通过虚实结合的实验教学新模式应用实践，带动实验课程体系、课程内容和教学模式改革。目前已在植物学、动物学、分子生物学、遗传学、植物生理学、野外实习、师范生实验教学技能训练等实验课程中广泛使用。实验教师综合采用案例式、问题式、探究式等教学方法，将虚拟与实体、线上与线下、集中与分散、理论与实践相结合，有效推进“从碎片化向综合设计型转变的微生物实验教学改革”“瞬时、微观不可见的植物光合作用实验可视化教学改革”“虚实结合的分子生物学实验教学改革”等多项教学改革，促进了实验教学理念、内容、方式和方法的整体创新。

5.3 疫情期间助力实验教学停课不停教、不停学

受突发新冠疫情影响，中心2020年春季学期所有实体实验教学按下了暂停键。为响应教育部“停课不停学、不停教”号召，积极探索线上、线下和虚拟仿真相结合的实验教学改革。中心及时启用多年积累的虚拟仿真实验教学资源，将包括3项国家虚拟仿真实验项目在内的60余项虚拟仿真实验全部投入到线上实验教学中。为确保线上实验教学质量，制定了“虚拟仿真实验教学及管理服务规范”，及时组建虚拟仿真实验教学和技术服务团队，全程跟进每一个虚拟仿真实验教学课堂，解决师生反馈的实验教学和信息技术问题。实验教师积极探索教学新方式，将线上讲授、演示、云课堂/腾讯课堂、QQ群/微信群等与虚拟仿真实验有机结合。学生踊跃参与在线虚拟仿真实验操作、讨论互动和在线答疑。疫情期间虚拟仿真实验较好地满足了生科院3个本科专业、8门实验课程、15个实验项目、50个实验课堂的教学需求，2020年共有48 602人次参加了实验操作与学习，有效缓解了无法开展实验教学的困难，实现了“防疫+教学”的双赢效果。

5.4 卓越数字教师培养质量明显提升

近5年来，以虚拟仿真实验为支撑，中心在人才培养、教学研究和社会服务等方面取得可喜成绩。学生毕业率98%，非公费师范生考研率45%；荣获“华文杯”全国师范生教学技能竞赛特等奖40项；全国大学生生命科学竞赛获奖38项，一等奖6项；湖北省大学生生物学实验技能竞赛一等奖19项，获批大学生创新创业训练计划国家级项目15项，校级78项。教师教学研究，获批《基于全景视频的生物学野外实践VR学习环境研究》国家自然科学基金面上项目1项，各类教研项目19项（省级5项），湖北省教学成果二等奖1项，发表虚拟仿真实验教研论文25篇，获批虚拟仿真实验软件著作权12项，中心于2019年被评为湖北省优秀基层教学组织。中心的国家虚拟仿真实验项目通过www.ilab-x.com实验空间对社会免费开放；非国家虚拟仿真实验项目通过用户授权对兄弟高校和中学生物学教学免费开放。参加全国性虚拟仿真实验教学研讨会15次，作大会报告8次。接待了吉林大学、陕西师范大学、新疆师范大学、西藏大学、贵州师范学院、西南大学、苏州一中和贵州余庆中学等单位1 200多人来访和交流，签订共享协议10余份。通过教育部“国培计划”“公费师范生教育硕士培养”和“中学生物学奥林匹克竞赛培训”等途径，为中学生物学教学服务，引领中学生物学教学改革。通过科普日、科技周向社会公众开放共享，实现校内外及更广范围的优质资源共享，极大提升了学院社会服务能力和影响力。

6 结 语

虚拟仿真实验对“教”来说，丰富和完善现有教学手段，拓宽了实验教学深度和广度；从“学”来讲，增强学习体验，激发学习兴趣，提升教学质量，有力推动了高校新型教学形态变革［16］。毋庸置疑，虚拟仿真实验将开启后疫情时代实验教学的未来［6］。

但是目前国家虚拟仿真实验项目的建设和应用还存在一些问题：①虚拟仿真实验项目数量严重不足；②核心要素的仿真度不高，建模不精细；③实验路径单一，实验结果大多无推演，交互性不强；④虚拟仿真实验缺乏对仪器设备的操作感和力反馈；⑤虚拟仿真教学考核办法和激励制度不健全；⑥虚拟仿真实验教学应用和共享有待进一步提高［17-18］。

今后要按照教育部《虚拟仿真实验教学课程建设和共享应用规范》，推进现有虚拟仿真实验项目的优化升级，加强项目的设计性、沉浸感和交互性建设。通过视觉、听觉和触觉等多通道融合技术，提升虚拟仿真实验的真实感，将人工智能、大数据与虚拟仿真有机结合，提升虚拟仿真实验的智能化水平，努力建设“智慧实验室［5］”。同时，还要建立安全稳定网络运行环境、创新多样的教学方式、科学合理的考核办法和激励政策，确保虚拟仿真实验教学的持续健康发展。