獨立學(xué)院生物工程專業(yè)虛擬仿真實踐教學(xué)體系的建設(shè)與研究

謝愛娣

（湖北工業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢）

一 引言

2019年8月28日,教育部高教司吳巖司長在《嚴起來 難起來 實起來 忙起來 把本科教育質(zhì)量實實在在提起來》的報告中，明確提出要精準把握高等教育發(fā)展大勢，超前識變、積極應(yīng)變、主動求變；強調(diào)高等教育要通過一系列行動，把本科教育質(zhì)量實實在在提起來。吳巖司長指出，虛擬仿真實驗課程建設(shè)已經(jīng)闖出一條新路，網(wǎng)上做實驗、虛擬做真實驗破解了“做不了、做不好、做不到、做不上”的難題。2021年11月27日，在全國慕課教育創(chuàng)新大會暨高校在線開放課程聯(lián)盟聯(lián)席會上吳巖司長做了題為《抓好新基建 邁向高質(zhì)量——大力推動慕課與在線教學(xué)創(chuàng)新發(fā)展》的主旨報告。他指出，慕課與在線教學(xué)要謀大局，聚焦高質(zhì)量發(fā)展目標，以新一代信息技術(shù)推動教育質(zhì)量提升。要識變局，充分認識當(dāng)前在線教學(xué)呈現(xiàn)出的地位不斷提高、技術(shù)迭代升級、資源加速共享、管理日益完善的四個變化。讓國家一流在線課程共享實起來，把技術(shù)用起來，充分共建共享，構(gòu)建時時、處處、人人皆可學(xué)的教育生態(tài)。這些都為獨立學(xué)院開展實踐教學(xué)，提升應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量指明了路徑。

二 國家虛擬實驗平臺建設(shè)現(xiàn)狀

2017年，在高校實驗教學(xué)改革及實驗教學(xué)項目信息化建設(shè)的基礎(chǔ)上，教育部著力部署開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)項目的建設(shè)工作，計劃在2017-2020年認定涵蓋60個專業(yè)類的1000門國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目[1]。2019年，教育部發(fā)布《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見》（教高〔2019〕8號），正式將國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)列入一流本科課程建設(shè)。經(jīng)過這幾年的建設(shè)，實驗空間平臺已經(jīng)上線3000多門虛擬仿真實驗課程，全部面向社會免費開放，其中被認定為“國家虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程”的項目達到728門，它們覆蓋了41個專業(yè)類，255個專業(yè)[2]。

三 獨立學(xué)院的人才培養(yǎng)目標、現(xiàn)狀及困境

湖北工業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，是2002年由湖北工業(yè)大學(xué)舉辦，經(jīng)國家教育部批準獨立設(shè)置的全日制普通高等學(xué)校。學(xué)院明確提出辦“應(yīng)用型大學(xué)”的辦學(xué)定位，秉持“育人為本、質(zhì)量立校、產(chǎn)教融合、特色發(fā)展”的辦學(xué)理念，鍛鑄“明德明志 力新力行”的校訓(xùn)精神，以培養(yǎng)本科層次的高素質(zhì)應(yīng)用型人才為主，積極推進“4321”人才培養(yǎng)模式，構(gòu)建“專業(yè)核心+職業(yè)核心”的雙核心能力人才培養(yǎng)體系，探索發(fā)展產(chǎn)教融合和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育特色的辦學(xué)新路。學(xué)院的生物工程專業(yè)旨在培養(yǎng)德、智、體、美、勞全面發(fā)展，掌握生物工程產(chǎn)品生產(chǎn)的基本理論，具備生物學(xué)與工程學(xué)方面的基本技能，具備較高職業(yè)素養(yǎng)與較強生物工程應(yīng)用技術(shù)實踐能力，能從事生物工程產(chǎn)品的生產(chǎn)、工藝設(shè)計、生產(chǎn)管理、技術(shù)創(chuàng)新研究、產(chǎn)品開發(fā)、分析檢測及質(zhì)量監(jiān)控等工作，具有創(chuàng)新精神和發(fā)展?jié)摿Φ母咚刭|(zhì)應(yīng)用型人才。生物工程專業(yè)采用“理論+實踐+科研+競賽”多維協(xié)同育人模式，圍繞專業(yè)特色，專注學(xué)生實踐及綜合能力的培養(yǎng)。生物工程專業(yè)被列為湖北省普通高等學(xué)校戰(zhàn)略性新興（支柱）產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)計劃專業(yè)、學(xué)院優(yōu)勢專業(yè)及轉(zhuǎn)型試點專業(yè)，并與武漢新華揚生物股份有限公司共建省級實習(xí)實訓(xùn)基地，共享湖北工業(yè)大學(xué)的師資和實驗室資源。學(xué)院自建有生物制品研究所，產(chǎn)品分析測試實驗室、發(fā)酵實驗室，現(xiàn)有3個虛擬仿真實驗室：青霉素發(fā)酵仿真實驗室、大型儀器分析仿真實驗室、化工原理仿真實驗室。生物工程專業(yè)利用產(chǎn)品分析測試實驗室、發(fā)酵實驗室開展專業(yè)實驗、實訓(xùn)及學(xué)生課外科研活動，完成了《葡萄酒釀造實訓(xùn)》《專業(yè)技能培訓(xùn)》等課程的教學(xué)，開展《膳食功能小食品研發(fā)》《液態(tài)法白酒釀造工藝研究》《發(fā)酵法生產(chǎn)白酒風(fēng)味物質(zhì)》《超低度白酒生產(chǎn)工藝研究》《板栗醬油》《功能性桑葉茶》等創(chuàng)新項目的研究。然而，與一流高校、公辦院校相比，獨立學(xué)院普遍存在起步晚，底子薄，經(jīng)費短缺，場地硬件設(shè)施不足等問題，在一流課程建設(shè)中顯得心有余而力不足。

四 獨立學(xué)院學(xué)生實踐能力培養(yǎng)的解決方案

（一） 能實不虛，虛實結(jié)合

實驗室是高等學(xué)校開展實驗教學(xué)和科學(xué)研究的重要場所。實驗室的建設(shè)是高校基本建設(shè)的重要內(nèi)容，直接關(guān)乎人才培養(yǎng)質(zhì)量，它不僅是學(xué)生應(yīng)用型能力培養(yǎng)的重要基地和重要平臺保障，而且能凸顯高校的實踐教學(xué)特色、人才培養(yǎng)的特點，同時直接反映出教學(xué)質(zhì)量水平。當(dāng)前高等院校普遍面臨招生人數(shù)大幅增加，導(dǎo)致實驗場地不足，難以新建擴建實驗室來適應(yīng)專業(yè)發(fā)展需求。實驗教學(xué)的發(fā)展由于實驗教學(xué)經(jīng)費緊張，實驗設(shè)備臺套數(shù)不匹配、更新滯后等問題舉步維艱。

現(xiàn)代化信息技術(shù)的飛速發(fā)展極大地促進了高等教育教學(xué)的改革。高校實驗教學(xué)模式呈現(xiàn)出多元化發(fā)展。虛擬仿真實驗是一種基于Web技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）構(gòu)建的開放式網(wǎng)絡(luò)化的教學(xué)系統(tǒng)，它將學(xué)科專業(yè)知識及其應(yīng)用技術(shù)與信息化技術(shù)進行深度融合，已經(jīng)成為高等教育信息化建設(shè)以及實驗教學(xué)創(chuàng)新發(fā)展的重要內(nèi)容[3]。隨著信息化技術(shù)的不斷進步，虛擬仿真技術(shù)越發(fā)成熟，虛擬仿真實驗已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種科學(xué)研究，并且成為高校實驗教學(xué)極為重要的組成部分。我國教育部從信息化教育的戰(zhàn)略高度充分肯定了虛擬仿真實驗教學(xué)的重要地位和作用。虛擬實驗教學(xué)是應(yīng)用型人才培養(yǎng)的重要手段。相較于傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，虛擬仿真實驗教學(xué)具有成本低、開放性、共享性、安全性、生動性、直觀性和可再現(xiàn)性等特點，有利于高校實驗教學(xué)模式的改革，為高校實驗教學(xué)瓶頸的突破提供了新的解決方案[4-6]。虛擬實驗教學(xué)已經(jīng)成為高校學(xué)生應(yīng)用型能力培養(yǎng)的重要補充，“能實不虛，虛實結(jié)合”的實驗教學(xué)模式得到了廣泛應(yīng)用[7-8]。

（二） 自建和共享結(jié)合

近年來，我國虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)已經(jīng)取得了令人矚目的成績，目前已有300 個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心獲批（主要集中在部屬高校、“985”“211”等重點高校），國家虛擬仿真實驗教學(xué)中心聚集了先進的教學(xué)資源，建設(shè)了完善的平臺和管理體系，覆蓋的學(xué)科方向涉及各門各類，為我國高校實驗教學(xué)的信息化建設(shè)打下堅實的基礎(chǔ)。相比之下，地方高校、民辦高校、獨立學(xué)院的實驗教學(xué)相對落后，由于建設(shè)經(jīng)費緊張、硬件條件不足、高素質(zhì)人才引進困難、專業(yè)特色及優(yōu)勢不突出等問題，在虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)上發(fā)展滯后。盡管很多學(xué)校早已開始積極探索信息化技術(shù)在實踐教學(xué)模式改革中的應(yīng)用，取得了一些研究成果，但從全局來看，我國高校實踐教學(xué)的信息化技術(shù)改革創(chuàng)新與研究仍然處于初級階段，各高校需要進行深入的研究，積極探索適應(yīng)當(dāng)前信息化環(huán)境下的實踐教學(xué)模式。

國家級平臺——實驗空間是一個資源寶庫，匯集了全國最優(yōu)質(zhì)的虛擬仿真實驗項目。作為獨立學(xué)院，以自建和共享結(jié)合的方式，結(jié)合專業(yè)人才培養(yǎng)特色和學(xué)生學(xué)情，充分使用國家實驗空間一流課程優(yōu)勢資源，以及企業(yè)優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實驗資源等資源寶庫，創(chuàng)新實踐教學(xué)體系的構(gòu)建，助力提升學(xué)生應(yīng)用型能力的培養(yǎng)。

（三） 專業(yè)必修與專業(yè)選修結(jié)合

圍繞生物工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標，立足湖北省地方經(jīng)濟和行業(yè)優(yōu)勢，與生物工程相關(guān)企業(yè)共同構(gòu)筑校企合作育人平臺，依據(jù)行業(yè)標準和崗位用人需求制定專業(yè)人才培養(yǎng)方案，設(shè)置課程體系與教學(xué)內(nèi)容，重點培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)掌握發(fā)酵工程、酶工程、康養(yǎng)食品的專業(yè)理論知識，通過課程實驗教學(xué)、校內(nèi)專業(yè)技能實訓(xùn)、校外企業(yè)實習(xí)三級實踐教學(xué)內(nèi)容，全程著力提升學(xué)生實踐應(yīng)用能力，突出培養(yǎng)學(xué)生在生物工程產(chǎn)品的生產(chǎn)、工藝設(shè)計、生產(chǎn)管理、新技術(shù)研究、新產(chǎn)品開發(fā)、分析檢測及質(zhì)量監(jiān)控等方面的應(yīng)用技能。構(gòu)建專業(yè)必修與專業(yè)選修課程的虛擬仿真實驗教學(xué)兩個層次的實踐教學(xué)體系，全過程強化學(xué)生實踐技能的培養(yǎng)。

（四） 課內(nèi)實驗與課外拓展相結(jié)合

課內(nèi)實驗學(xué)時有限，開設(shè)的實驗項目有限，無法完全覆蓋專業(yè)知識面，對于學(xué)生專業(yè)技能的全面培養(yǎng)是不夠的，因此，引入國家實驗空間一流課程優(yōu)勢資源、企業(yè)優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實驗資源，給學(xué)生提供充足的虛擬仿真實驗資源，學(xué)生根據(jù)個人興趣愛好和能力，結(jié)合行業(yè)熱點，開展實驗技能課外拓展訓(xùn)練，全面提升應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量。

五 生物工程專業(yè)虛擬仿真實踐教學(xué)體系的建設(shè)

本著“能實不虛，虛實結(jié)合”的原則，構(gòu)建課內(nèi)實驗、實訓(xùn)實習(xí)、課外拓展的“三級”實踐教學(xué)模塊，充分共享國家優(yōu)質(zhì)資源，全面兼顧專業(yè)必修與選修課程，建設(shè)生物工程專業(yè)虛擬仿真實踐教學(xué)體系，為學(xué)生提供更多的實驗實習(xí)機會，培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力與創(chuàng)新能力，有助于提升學(xué)生的專業(yè)技能與綜合素質(zhì)。在生物工程領(lǐng)域，虛擬仿真實驗?zāi)艹浞职l(fā)揮其獨特的優(yōu)勢，成為真實實驗教學(xué)不可替代的有益補充。生物工程專業(yè)的綜合實驗實習(xí)通常需要多種大型儀器設(shè)備，實驗實習(xí)周期長、工作量大、操作復(fù)雜，具有一定的危險性，學(xué)時長、知識連續(xù)性強，真實實驗難以短時間內(nèi)一次完成，虛擬仿真實驗正好解決了學(xué)生實踐學(xué)習(xí)中“易看難動手”的棘手難題。虛擬仿真實驗的應(yīng)用能滿足每個學(xué)生的個性化需求，讓學(xué)生能虛擬操作真實實驗中無法操作的實踐環(huán)節(jié)，如觀察設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造、進行設(shè)備拆裝及組合等，極大地提高了學(xué)生專業(yè)探索研究的興趣，同時經(jīng)濟有效地鍛煉了學(xué)生的實踐動手能力。

六 虛擬仿真實踐教學(xué)體系的應(yīng)用及成效

以企業(yè)實習(xí)模塊為例，學(xué)生開展真實企業(yè)實習(xí)之前，按照老師下達的實習(xí)任務(wù)及實習(xí)指導(dǎo)書，注冊登錄“實驗空間”，進入指定的一流課程實驗項目，完成老師布置的實驗任務(wù)，對即將參與的實習(xí)企業(yè)的產(chǎn)品有所認識，了解其工廠布置、車間布置、相關(guān)設(shè)備、生產(chǎn)工藝流程、生產(chǎn)技術(shù)操作等，達到預(yù)習(xí)的目的。然后赴企業(yè)參觀實習(xí)及頂崗實習(xí)，在實習(xí)過程中及實習(xí)結(jié)束后，再次進行虛擬仿真實驗操作和理論知識學(xué)習(xí)鞏固，達到強化認知，牢固掌握工藝原理、操作技術(shù)的目的。有了虛擬實驗的基礎(chǔ)，學(xué)生在真實實習(xí)過程中能有的放矢地自主學(xué)習(xí)。與以前傳統(tǒng)實習(xí)教學(xué)相比,學(xué)生進入工廠更加自信、上手更快，平時表現(xiàn)更加積極,綜合應(yīng)用能力顯著提升，考核成績顯著提高。

圖1 生物工程專業(yè)虛擬仿真實踐教學(xué)體系

圖2 虛實結(jié)合開展生物工程專業(yè)企業(yè)實習(xí)

我院生物工程專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新意識不斷增強，創(chuàng)新成果不斷涌現(xiàn)，在各類賽事中取得了優(yōu)異成績，近3年有60余人次在國家級、省級競賽獲得一等獎，二等獎，三等獎，學(xué)生以第一作者發(fā)表核心論文4篇，發(fā)明專利4項。

圖3 虛實結(jié)合實踐教學(xué)流程

（一） 為理論教學(xué)服務(wù)

理論知識來源于實踐的總結(jié)，是經(jīng)過實踐驗證的真理，同時理論又能指導(dǎo)實踐，并且在實踐中不斷發(fā)展、更新。通過虛實結(jié)合的實踐體系的構(gòu)建和應(yīng)用，生物工程專業(yè)實踐教學(xué)為學(xué)生掌握生物學(xué)的本質(zhì)，探索生命蘊藏的奧秘提供了重要支撐。

（二） 為實踐教學(xué)服務(wù)

針對實體實驗中不可及、不可逆的環(huán)節(jié)，真實實驗“做不了、做不好、做不到、做不上”的難題，虛擬實驗的出現(xiàn)突破了這一瓶頸。虛擬實驗突破高危實驗環(huán)境制約，學(xué)生可隨時隨地隨需開展個性化自主學(xué)習(xí)，使無法在傳統(tǒng)課堂上完成的實驗教學(xué)能夠完成。通過國家實驗空間虛擬實驗平臺的免費開放共享，為全國高校節(jié)約了實驗成本，彌補了實體教學(xué)的不足。通過線上線下結(jié)合，課內(nèi)課外結(jié)合，以虛促實，開啟了實驗教學(xué)新模式。

虛擬實驗情境真實，交互性強，學(xué)生像玩游戲一樣進行沉浸式的實驗學(xué)習(xí)。其實驗設(shè)計合理，呈現(xiàn)手段豐富，能突顯關(guān)鍵操作的細節(jié)。虛擬實驗通常設(shè)有教學(xué)模式，演示模式和考核模式，有配套的理論及核心操作的習(xí)題，以及在線幫助和討論區(qū)，便于開展問題式、探究式、討論式學(xué)習(xí)，通過科學(xué)優(yōu)化的教學(xué)策略與技術(shù)措施促進學(xué)習(xí)目標的達成。

（三） 為學(xué)科競賽服務(wù)

在各種學(xué)科競賽中，虛擬實驗也展示出了巨大的優(yōu)勢。自新冠肺炎疫情爆發(fā)以來，高校的學(xué)科競賽也經(jīng)常受疫情防控需要而停辦或延期。如2021年全國大學(xué)生化工原理實驗競賽、湖北省大學(xué)生生物實驗技能競賽都分別采用虛擬仿真實驗作為競賽的一部分，考核各高校學(xué)生的實驗技能水平。

（四） 為課外拓展服務(wù)

虛擬仿真實驗兼具學(xué)科前沿性、專業(yè)性和技術(shù)實用性，不僅能提升實驗教學(xué)的水平和層次，還加深了學(xué)生對生命科學(xué)前沿性技術(shù)的掌握，在學(xué)生實踐創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)的提升方面貢獻尤為突出。

七 結(jié)語

生物工程是快速發(fā)展的高科技主要領(lǐng)域之一，是一門涉及基因工程、蛋白質(zhì)工程、細胞工程、酶工程、發(fā)酵工程和生物分離工程等多學(xué)科的工程技術(shù)學(xué)科。學(xué)生通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)生物學(xué)相關(guān)理論知識，掌握相應(yīng)的實驗技能，熟悉生物產(chǎn)品生產(chǎn)工藝及其控制過程，能在生物產(chǎn)業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域一線從事生物工程產(chǎn)品生產(chǎn)、工藝設(shè)計、生產(chǎn)管理、新技術(shù)研究、新產(chǎn)品開發(fā)、分析檢測及質(zhì)量監(jiān)控等工作，成為具有創(chuàng)新精神和發(fā)展?jié)摿Φ母咚刭|(zhì)應(yīng)用型人才。為實現(xiàn)獨立學(xué)院生物工程專業(yè)的人才培養(yǎng)目標，充分認清當(dāng)前教育教學(xué)的深刻變化和發(fā)展趨勢，以學(xué)生為中心，本著“能實不虛，虛實結(jié)合”的原則，構(gòu)建課內(nèi)實驗、實訓(xùn)實習(xí)、課外拓展的“三級”實踐教學(xué)模塊，充分共享國家優(yōu)質(zhì)資源，全面兼顧專業(yè)必修與選修課程，建設(shè)適合應(yīng)用型人才培養(yǎng)的生物工程專業(yè)虛擬仿真實踐教學(xué)體系，強化培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技能、實踐操作能力，提升學(xué)生創(chuàng)新能力，把本科教育質(zhì)量實實在在提起來。