虚拟仿真实验平台建设对生命科学研究的作用 本文关键词：科学研究，仿真，作用，实验，生命
虚拟仿真实验平台建设对生命科学研究的作用 本文简介：摘要：实验是生命科学研究的重要方法与手段。虚拟仿真实验可填补实体实验的不足,更好地开展实验教学。虚拟仿真实验平台在建设中存在高校建设队伍薄弱、信息壁垒难以逾越、重复建设多等问题,建议通过共建学科联盟、规范技术标准、搭建互通平台、构建可持续发展的管理运行模式,更好地开展虚拟仿真实验平台建设。 关键词
虚拟仿真实验平台建设对生命科学研究的作用 本文内容：
摘要：实验是生命科学研究的重要方法与手段。虚拟仿真实验可填补实体实验的不足, 更好地开展实验教学。虚拟仿真实验平台在建设中存在高校建设队伍薄弱、信息壁垒难以逾越、重复建设多等问题, 建议通过共建学科联盟、规范技术标准、搭建互通平台、构建可持续发展的管理运行模式, 更好地开展虚拟仿真实验平台建设。
关键词：虚拟仿真实验; 生命科学; 实验平台;
《国家中长期教育改革和发展规划纲要 (2010-2020年) 》指出, “信息技术对教育发展具有革命性影响, 必须予以高度重视”。教育领域的变革与创新将突破教育发展瓶颈, 推进高等教育信息化现代化的进程。2017年, 教育部根据《教育信息化十年发展规划 (2017-2020年) 》, 决定开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作[1]。虚拟仿真实验因其直观、高效及经济等特性, 填补了目前实体实验的不足, 给实践教学带来了新的变革。
1 实体实验教学瓶颈
生命科学是研究自然生命特性有关的科学, 通过实验等方法揭秘生命现象的本质和活动规律。实验是生命科学研究的重要方法与手段。目前高校生命科学实验教学在如下六个方面受到制约与限制: (1) 极端环境或高危实验, 如对实验温度等环境因素有极端限制的实验, 对人体有危害的病毒、细菌、放射性同位素实验等。 (2) 微观层面实验, 如一些可揭示生命规律及其分子机制的实验, 分子结构模型等不可见的微观结构等[2]。 (3) 受时间等因素限制不可逆的操作实验, 如野外实习、动植物生长、手术治疗等。 (4) 高成本实验, 如大型精密仪器设备训练、高成本试剂耗材等实验。 (5) 受条件制约的综合性实训实验, 如生产工艺、GMP核心内容、医药生产核心技术等。 (6) 实验室安全管理、生物安全防御等训练。
2 虚拟仿真实验平台建设
虚拟仿真实验平台建设的主体内容为虚拟仿真实验的建设与运行。
2.1 虚拟仿真实验
虚拟仿真实验是对实体实验最好的补充, 应用HTML、flash、exe、unity3D以及虚拟实境 (virtual reality, VR) 技术等制作的虚拟仿真实验, 可开展实体实验无法或较难进行的实验[3]。目前, 在校大学生均为90后, 他们成长在网游时代, 对于虚拟仿真的要求极高, 以往的电影播放形式缺乏随机性、任意性和拓展延伸性, 学生的学习兴趣低。2018年虚拟仿真实验中心学生使用情况调查显示, 自愿使用的学生占64%, 使用过一次后还能再次使用的学生仅为42%。为此在虚拟仿真实验建设时将实验过程中添加类似闯关升级等情节, 让学生能够像把控游戏进展一样做实验, 喜欢探索更高层次级的实验。从而锻炼学生的创新能力和科研探索能力。虚拟仿真实验可满足B/S架构系统要求。台式、平板电脑等多种操作设备安装windowsxp及win7、win8在内的主流操作系统即可, 兼容ie、firefox、Chrome、360、搜狗等在内的主流浏览器软件, 现正积极筹备扩展到安卓系统和苹果系统的使用。
虚拟实境 (virtual reality) 的VR技术目前发展尚不成熟, 但其模拟人的视听触觉等感觉器官的功能, 通过语言、手势等实现人机交互, 产生沉浸式场景, 实现虚拟实验[4]。增加学习内容的生动性和趣味性, 提高学生参与性、好奇心和探索精神, 具有其他技术方式不可替代的优势。
2.2 虚拟仿真实验管理
虚拟仿真实验管理包括虚拟仿真实验的添加、虚拟仿真实验的查询、虚拟仿真实验参数设置等实验内容[5]。能够接入各种网络版 (包括HTML5) 的虚拟仿真实验资源和flash版的虚拟仿真实验资源, 能够对单机版的虚拟仿真实验资源进行虚拟化桌面的接入。
虚拟仿真实验管理可进行实验过程的在线记录。能够对学生做虚拟仿真实验的过程实现在线录屏, 录屏内容能按实验日期自动生成“我的实验录像”列表菜单, 可以对录像过程在线回放;并能自主添加标注和说明或疑问, 可以发给对应的实验老师, 进行在线浏览。可直接读取虚拟仿真实验的操作记录及自动评分成绩。
虚拟仿真实验管理可进行虚拟仿真实验报告在线提交、阅读、成绩在线批改、包括虚拟仿真实验成绩的导出、包括虚拟仿真实验报告的在线浏览和查询和打印。还可记录学生登录进行虚拟仿真实验的时间和次数并进行报表统计。
2.3 课程管理
课程管理主要包括课程计划、课程资源、课程评价等内容。在实验教学栏目模块中设置实验教学安排、实验记录规定、实验教学反馈、教学进程表、实验课件、实验教学流程、实验相关材料、实验教学大纲、实验报告要求、实验习惯规定、实验教学工作量等内容。设置教学课件、教学视频、教材专着等课程资源, 并添加教师教研课题、教师教研论文、教师教研奖励、教材与专着、学生获得的资助项目、学生发表的科研论文、学生获得的授权专利、学生获奖、教师科研课题、教师授权专利、教师研究成果、教师科研论文等建设成果, 拓展课程资源。以教学评价、课程反馈等内容完善课程评价。
3 虚拟仿真实验平台的不足与改进措施
3.1 虚拟仿真实验平台的不足
虚拟仿真实验平台在实验教学与教学管理等方面提高了教育信息化和现代化, 也给师生带来了便利, 但也存在诸多不足: (1) 高校信息化建设队伍薄弱。目前国内的虚拟仿真实验平台大部分由软件公司制作, 并负责后期的技术支持与维护服务。虽然减轻了教师的工作量, 但高校受到企业的制约。不仅会索要高额的维护管理费用, 还制约了产品的二次开发。 (2) 信息壁垒难以逾越[6]。不同软件公司制作的产品通过技术手段, 使得产品与产品的运行平台不能兼容, 各校之间的产品不能共享, 迫使各高校支付费用。 (3) 重复建设多。各高校因都花费了较多经费, 所以不愿将虚拟仿真实验施行共享, 导致重复建设项目过多。
3.2 虚拟仿真实验平台的改进措施
虚拟仿真实验平台的改进措施建议: (1) 共建学科联盟, 避免重复建设。联盟成员可通过用自有仿真实验资源交换、付费使用以及其它的符合教育部相关文件要求的合法共享方式进行虚拟仿真资源共享, 从而避免重复建设。2018年12月在“第一届全国生物类虚拟仿真实验教学资源建设研讨会中提出国家级示范中心联席会生物和食品学科组共享联盟倡议, 目前已在江苏省试点。 (2规范技术标准, 搭建互通平台。规范技术标准、运行环境、维护手段等, 构建开放、互动、智能型的虚拟仿真平台, 实现兼容互通、资源共建共享[7]。 (3) 建立管理运行机制, 确保可持续发展。充分利用企业和科研院所等社会资源与技术, 建立共享机制与收益分配制度, 打破信息壁垒, 推进虚拟仿真实验教学的可持续发展。
截止到2018年共评出300个国家级虚拟仿真实验教学中心, 其中生物和食品学科获批12个中心, 占生物和食品学科组的17%。“一体双翼, 虚实共存的中心有6个中心[8]。生命科学虚拟仿真实验平台建设是生物学科在教育信息化改革进程中的一项重要举措, 各校在虚拟仿真优质实验教学资源的集成与共享方面不断进行交流与合作, 提升内涵建设, 完善虚拟仿真实验平台建设。
参考文献
[1]刘艳, 孟威, 孟令军, 等.实验教学信息化系统的开发与建设.中国现代教育装备, 2018, 23:12-13
[2]刘亚丰, 余龙江.虚拟仿真实验教学中心建设理念及发展模式探索.实验技术与管理, 2019, 33 (4) :108-110+114
[3]朱科蓉.文科类虚拟仿真实验教学中心建设的问题与思考.现代教育管理, 2019, 1:87-91
[4]刘园.VR技术在教育领域的研究与应用.电脑知识与技术, 2019, 16:207-208
[5]李洪亮, 李想, 崔浩龙, 等.基于虚拟仿真教学平台的云计算技术实验教学.实验技术与管理, 2019, 33 (11) :125-129
[6]刘为浒, 周永音, 王友华.虚拟仿真实验平台建设中三类非技术问题的思考与建议.高校实验室工作研究, 2019, 3:70-73
[7]杜玉宝, 孙淑强, 亓文涛, 等.虚拟仿真实验教学信息化平台的建设与思考.中国现代教育装备, 2019, 17:26-28