生物工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)思路探討

李由然 李江華

摘? 要 在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，各項技術(shù)的發(fā)展給生物工程專業(yè)實驗教學的教學方法、課堂模式、學習支持、教學資源、教學評價等帶來多方面的改變，各項虛擬仿真實驗在現(xiàn)代技術(shù)的幫助下有了質(zhì)的改善，無論是實驗的仿真程度，還是教學資源的信息化水平，都有了很大的提升。基于當前技術(shù)不斷發(fā)展的社會背景，對優(yōu)化生物工程專業(yè)仿真實驗教學的意義和方法進行探索。

關(guān)鍵詞 生物工程專業(yè);虛擬仿真實驗;教學資源;信息化教學;實踐基地;發(fā)酵工程;微生物工程;生物工程下游技術(shù)

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）22-0045-03

1 引言

生物工程專業(yè)是一門十分重視實驗探索的學科，仿真實驗教學是幫助學生掌握好專業(yè)知識、對知識和發(fā)現(xiàn)進行驗證的重要教學模式。當前，在高校的生物工程專業(yè)的教學體系安排方面，實驗課的比例為30%～50%。到2016年在中國已經(jīng)建成的國家重點實驗室中，生物實驗室的占比已經(jīng)達到23%，生物工程專業(yè)虛擬仿真實驗的效果將會直接影響學生的學習效果和整個學科的教學水平?，F(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展給生物工程專業(yè)的學習發(fā)展帶來許多積極影響，虛擬仿真實驗要利用好技術(shù)發(fā)展的優(yōu)勢，不斷提高實驗教學的信息化水平，從而更好地服務于學科發(fā)展和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在新時代，高校要堅持對生物工程專業(yè)虛擬仿真實驗的教學資源進行優(yōu)化。

2 生物工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)的意義

順應“互聯(lián)網(wǎng)+”時代發(fā)展? “互聯(lián)網(wǎng)+”社會最明顯的特點就是各項現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展和涌現(xiàn)，以大數(shù)據(jù)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)為代表的現(xiàn)代信息技術(shù)為新時代的教育改革提供了技術(shù)上的支撐和保障，同時推動了新一輪科技的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新。黨的十九大報告中強調(diào)了順應科技發(fā)展、實施教育改革的重要性，要求各高校不斷增強培養(yǎng)高素質(zhì)人才的理念，并將信息技術(shù)與教育結(jié)合起來，幫助學生掌握更多知識和技能。

開展生物工程虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)就是順應“互聯(lián)網(wǎng)+”時代發(fā)展，實現(xiàn)教育信息化發(fā)展的重要舉措。如在2013—2015年的兩年間，教育部建設(shè)了一批具有代表性的生物類虛擬仿真國家重點實驗室，對生物工程專業(yè)的實驗項目和相關(guān)的實驗教學內(nèi)容、教學技術(shù)運用等都作出新突破，是在新的教育局勢和產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境中作出的正確選擇。虛擬仿真實驗教學在培養(yǎng)大學生專業(yè)能力、促進對學科優(yōu)質(zhì)資源的建設(shè)和運用、確保學科實驗教學項目與信息技術(shù)實現(xiàn)深度融合方面，都發(fā)揮了重要作用，是信息化教育改革的重點內(nèi)容。

適應現(xiàn)代生命科學高速發(fā)展? 在信息技術(shù)不斷發(fā)展的同時，經(jīng)濟社會也有了新變化，互聯(lián)網(wǎng)時代的市場競爭以技術(shù)競爭為主，現(xiàn)代生命科學已經(jīng)實現(xiàn)高速發(fā)展，在此情況下為了提升我國教育體系中生物工程學科的專業(yè)水平和生物類產(chǎn)業(yè)的競爭力，加強虛擬仿真實驗教學具有現(xiàn)實必要性。建設(shè)虛擬仿真實驗資源是在人才培養(yǎng)目標指引下，以實際教學中存在的問題和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求為導向，對生物虛擬仿真實驗室、教學中心和實踐基地、教育平臺等各項教學資源進行整合，在國家和社會的支持下開展的活動，能夠滿足現(xiàn)代生命科學高速發(fā)展對實驗的高要求，從而實現(xiàn)技術(shù)和資源的互補，幫助學科發(fā)展。如針對微生物學、生物化學等生物工程專業(yè)中的具體學科，虛擬仿真實驗能夠通過信息技術(shù)建立虛擬實驗模型，并對各項數(shù)據(jù)和現(xiàn)象進行深入分析和研究，從而獲得真知，促進產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和技術(shù)的創(chuàng)新。

解決真實實驗制約因素? 實踐出真知，生物工程專業(yè)涉及各項生物學科，需要在具體的實驗中對知識進行驗證，得出一定的科學結(jié)論，并應用到具體的產(chǎn)業(yè)實踐中。但是在真實的實驗環(huán)境中，由于受到材料質(zhì)量、外部環(huán)境和實驗設(shè)備、實驗操作人員的素質(zhì)等各項因素的影響，生物實驗存在一定的偏差，在技術(shù)和操作上不如虛擬仿真實驗精確。加大對生物工程虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)的力度，這種信息化教學和實驗的模式能夠充分發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)的優(yōu)勢，既提升實驗的準確度和針對性，又實現(xiàn)生物工程學科的現(xiàn)代化教學。

如在進行生物學野外實習項目時，由于受到地域和實踐的限制，部分生物工程專業(yè)的學生難以親自去到具體的自然環(huán)境中，不能從實踐中獲得第一經(jīng)驗，建設(shè)虛擬仿真實驗教學資源庫則解決了這一問題。如南京農(nóng)業(yè)大學的虛擬仿真實驗教學中心就建立了相關(guān)的資源項目，通過運用VR、航拍和WebGL等技術(shù)，收集了大量的生態(tài)環(huán)境和動植物圖片、植物群落的調(diào)查信息和顯微結(jié)構(gòu)等，通過創(chuàng)建相關(guān)的資源平臺并上傳信息，學生能夠克服時間與空間的限制，實現(xiàn)自主學習。這種技術(shù)實現(xiàn)了學科的信息化發(fā)展，為學生提供了更豐富的學習資源，解決了真實實驗和實踐的制約因素。

3 生物工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)思路

發(fā)酵工程設(shè)備虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)? 在生物工程專業(yè)學科的現(xiàn)代化發(fā)展中，借助現(xiàn)代計算機和網(wǎng)絡技術(shù)對虛擬仿真實驗教學進行優(yōu)化，能夠充分滿足生物學科和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的信息化與工業(yè)化發(fā)展需求。在針對發(fā)酵工程這一課程的虛擬仿真實驗教學進行優(yōu)化時，要從教學計劃的安排、教學單元內(nèi)容的制定和授課模式、設(shè)備利用等多個方面開展。首先為了幫助學生在充分掌握基礎(chǔ)知識的前提下進行實驗操作，教學計劃應當包含對相關(guān)實驗技術(shù)和工藝流程的介紹，從而讓學生在具備一定知識基礎(chǔ)的情況下參與仿真實驗教學。以青霉素的發(fā)酵工藝為例，學生應當掌握基礎(chǔ)的青霉素生產(chǎn)工藝，如圖1所示。

而在課程內(nèi)容安排方面，可依照虛擬仿真實驗的對象和具體的工藝流程安排具體的虛擬仿真實驗教學，如按照青霉素的生產(chǎn)工藝設(shè)計單元內(nèi)容。為了順利開展仿真實驗，教師在授課模式上要積極創(chuàng)新，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)和資源為生物工程專業(yè)的學生創(chuàng)設(shè)一個適合的情境，模擬和創(chuàng)設(shè)與實驗場景相似的環(huán)境和環(huán)節(jié)，幫助學生理解知識。同時，要積極運用各項設(shè)備，為學生創(chuàng)造良好的虛擬仿真設(shè)備。如利用多媒體課件和電子軟件教材來讓學生在虛擬條件下開展學習，同時要利用好VR技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等收集具體的信息資源，為學生提供能夠充分了解發(fā)酵工藝和技術(shù)的虛擬仿真環(huán)境，讓學生在信息平臺上獲取更多的有效信息。

微生物工程虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)? 微生物工程是生物工程的重要部分，在開展生物工程虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)活動時，針對微生物工程的資源建設(shè)要充分順應學科特點和發(fā)展局勢，依托自身的優(yōu)勢和特色，結(jié)合現(xiàn)有的教學資源和現(xiàn)有的實踐基地、信息平臺等來開展。首先，高?？梢猿浞职l(fā)揮自身的學科優(yōu)勢來開展虛擬仿真教學。如華中農(nóng)業(yè)大學依托學科和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，針對水稻設(shè)計了“水稻遺傳轉(zhuǎn)化虛擬仿真實驗項目”，從現(xiàn)有的轉(zhuǎn)基因水稻研究技術(shù)入手，結(jié)合當前的學科成果對水稻愈傷組織的誘導和繼代、農(nóng)桿菌的侵染和共培養(yǎng)等技術(shù)進行展示，使得學生能夠通過虛擬仿真實驗教學來學習更多有關(guān)水稻的知識。同時，許多高校為了開展好生物工程學科的教學和產(chǎn)業(yè)化研究，建設(shè)了相應的實踐基地，針對現(xiàn)有的實踐基地要做好改革創(chuàng)新，為虛擬仿真實驗教學提供支持。

生物學科需要對實物進行研究，但是受到地區(qū)和時間、生態(tài)環(huán)境差異的影響，許多學生難以獲得適宜的生物實驗材料。為此，高校可以利用現(xiàn)代信息技術(shù)來為學生創(chuàng)建一個虛擬的場景，幫助學生獲取更多信息。如利用VR技術(shù)，以3D動畫的形式全方位地展現(xiàn)植株的特點，同時基于真實場景創(chuàng)建一個新的虛擬場景，讓學生通過網(wǎng)絡工具就能了解植物的植株信息、生長環(huán)境等。

生物工程下游技術(shù)虛擬仿真資源建設(shè)? 生物工程專業(yè)不僅是一門幫助學生學習和掌握更多生物知識的學科，更是促進產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的重要保障。針對生物工程下游技術(shù)的虛擬仿真資源建設(shè)應當堅持以學生為主體，以“互聯(lián)網(wǎng)+”為依托，不斷優(yōu)化生物工程下游技術(shù)課程的教學方法和模式，幫助學生參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動。首先，高校要堅持在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理念的指引下合理設(shè)置課程目標，圍繞生物工程專業(yè)，堅持以學生為中心開展建設(shè)工作。如將學科建設(shè)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展結(jié)合起來，鼓勵學生參與具體的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新活動，促進生物工程學科的產(chǎn)業(yè)化、工業(yè)化發(fā)展。同時，要堅持運用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，加強對網(wǎng)絡教學資源平臺的建設(shè)。學?？梢越⒁粋€信息資源平臺，并上傳各類教學資源，豐富生物工程虛擬仿真教學的課堂模式，通過定期的檢查和考核，學生的學習成果也能及時反饋到學校管理部門。另外，通過發(fā)展網(wǎng)絡教學平臺，引入相關(guān)企業(yè)，能夠幫助學生將自己的創(chuàng)新成果進行產(chǎn)業(yè)變現(xiàn)，發(fā)揮生物工程學科知識的產(chǎn)業(yè)價值。

4 建設(shè)成效與評價

針對生物工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學進行資源建設(shè)，順應了生物工程專業(yè)的學科特點和當前信息技術(shù)不斷發(fā)展的趨勢，是提升學生知識水平、實踐能力和產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平的重要措施。本文針對發(fā)酵工程、微生物工程和生物工程下游技術(shù)等三大生物工程專業(yè)重要課程的虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)進行了研究，獲得一定認識，并提出具體的建議和實施策略。當前這些資源建設(shè)策略還存在一定的瑕疵，但在生物工程專業(yè)的信息化發(fā)展和生物產(chǎn)業(yè)的優(yōu)化發(fā)展方面發(fā)揮了一定的作用。

5 結(jié)論

加強對生物工程虛擬仿真教學資源的建設(shè)是順應時代發(fā)展、促進學科優(yōu)化的重要措施。將現(xiàn)代信息技術(shù)與教學資源建設(shè)有機結(jié)合，不僅可為生物工程專業(yè)的學生提供更現(xiàn)代的學習環(huán)境和資源支持，更促進了生物工程虛擬仿真實驗的信息化、工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，有利于將知識變現(xiàn)，創(chuàng)造經(jīng)濟價值，從而為生物工程專業(yè)學科的可持續(xù)發(fā)展注入更多活力。未來，高校和相關(guān)的專家教授應當聯(lián)合起來，不斷優(yōu)化虛擬仿真資源，促進生物工程在學科建設(shè)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面獲得更大進步?！?/p>

參考文獻

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