劉為滸　李剛?cè)A　汪歡歡

[摘 要]虛擬仿真實(shí)驗(yàn)“金課”具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的特征，通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行Ц纳苽鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)課堂落后低效的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代教育技術(shù)支持下的“智能+教育”。實(shí)踐證明，虛擬實(shí)驗(yàn)有助于實(shí)現(xiàn)學(xué)生個(gè)性化自主學(xué)習(xí)、沉浸式探究學(xué)習(xí);有助于加強(qiáng)師生實(shí)時(shí)互動(dòng)交流，實(shí)現(xiàn)“線上線下”融合式教學(xué);有助于革新傳統(tǒng)的教學(xué)方法和擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容。

[關(guān)鍵詞]本科教學(xué);教育技術(shù);虛擬仿真;金課

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2022）05-0086-04

2018年6月，在新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議上，教育部前部長(zhǎng)陳寶生首次提出“金課”概念[1]。教育部吳巖司長(zhǎng)進(jìn)一步闡釋“金課”的“兩性一度”，即高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度[2]。同年8 月，教育部印發(fā)了《關(guān)于狠抓新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議精神落實(shí)的通知》，提出各高校要全面梳理各門課程的教學(xué)內(nèi)容，淘汰“水課”、打造“金課”，合理提升學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度、增加課程難度、拓展課程深度，切實(shí)提高課程教學(xué)質(zhì)量 [3]。

這一系列關(guān)系到高等教育歷史走向的講話和文件，不僅是對(duì)大學(xué)擴(kuò)招以來(lái)本科教學(xué)質(zhì)量下滑的及時(shí)糾正，也是對(duì)新時(shí)代本科教育內(nèi)涵的精準(zhǔn)判斷和把握，更是響應(yīng)國(guó)家“雙一流”建設(shè)戰(zhàn)略部署的積極舉措，因此得到了高等教育界的廣泛響應(yīng)，全國(guó)各高校都積極地探索和實(shí)踐著各類“金課”的建設(shè)。

結(jié)合近兩年的實(shí)踐探索，本文試著梳理總結(jié)我們?cè)诮ㄔO(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)“金課”過(guò)程中的體會(huì)與經(jīng)驗(yàn)。

一、建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)“金課”的必要性

眾所周知，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是本科課程的重要組成部分，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的動(dòng)手能力、面對(duì)綜合復(fù)雜問(wèn)題的分析解決能力具有不可替代的作用，也是培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍人才的有效路徑。然而現(xiàn)實(shí)中的課堂實(shí)驗(yàn)又是很容易被輕視的教學(xué)活動(dòng)，其教學(xué)效果一直原地徘徊難有提升，究其原因有以下幾點(diǎn)。

（一）教學(xué)流程陳舊落后，缺乏創(chuàng)新活力

理想的實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)該立足于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，促進(jìn)學(xué)生的自我領(lǐng)悟，提升學(xué)生的科學(xué)研究素養(yǎng)。這就要求教學(xué)必須以學(xué)生為中心，通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷個(gè)性化的思維過(guò)程，體驗(yàn)多樣化的認(rèn)知?dú)v程，并能夠在交流合作中融合不同的觀點(diǎn)，學(xué)習(xí)多樣的技巧，以達(dá)到對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的真正理解和運(yùn)用，從而重構(gòu)自己的經(jīng)驗(yàn)，形成自己的行動(dòng)策略。

一些高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式上還是普魯士大班制，一個(gè)班多則三十人少則十余人;內(nèi)容上大多為驗(yàn)證性經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，極少創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn);流程上延續(xù)教師主講、學(xué)生模仿的模式;考核上仍以實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主，缺乏真實(shí)的過(guò)程性評(píng)價(jià)。這樣的實(shí)驗(yàn)課堂落后低效。

（二）部分教學(xué)對(duì)象主體意識(shí)不強(qiáng)，動(dòng)手能力較弱

部分大學(xué)生在經(jīng)歷了多年的應(yīng)試教育后，在其思想深處不自覺(jué)地形成了重視文本理論學(xué)習(xí)的認(rèn)知，認(rèn)為考試分?jǐn)?shù)才是最重要的，至于學(xué)習(xí)的過(guò)程中自己是不是真實(shí)有效地得到鍛煉并不重要。個(gè)別學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)主體的意識(shí)，學(xué)習(xí)上隨大流，欠思考，以敷衍應(yīng)付為主要方式，將本應(yīng)該豐富多彩、交流碰撞、爭(zhēng)論提升的大學(xué)生活，硬生生地退化為渾渾噩噩、刷分過(guò)關(guān)的低效歷程。

同時(shí)，少數(shù)大學(xué)生因成長(zhǎng)在物質(zhì)相對(duì)豐富的時(shí)代，養(yǎng)成了只需關(guān)心學(xué)習(xí)、提高考試成績(jī)，不關(guān)心思考身邊事、窗外事的習(xí)慣。在家庭中，他們的生活事務(wù)由家長(zhǎng)包辦代替，在學(xué)校里只需寫寫算算，始終缺乏面對(duì)實(shí)際問(wèn)題獨(dú)立實(shí)踐、克服困難的經(jīng)歷。這就導(dǎo)致一部分學(xué)生缺乏基本的動(dòng)手操作能力，對(duì)一些常見的基本的實(shí)驗(yàn)工具都不知從何入手，更談不上熟練掌握。這種情況下，教師一旦放手讓這些學(xué)生做實(shí)驗(yàn)，這些學(xué)生必然錯(cuò)誤百出，挫折感頻生，也就很難談得上實(shí)驗(yàn)技能和思維能力的培養(yǎng)了。

（三）教學(xué)手段更新迭代緩慢，難以適應(yīng)現(xiàn)代教育科技的發(fā)展[4]

傳統(tǒng)的大學(xué)實(shí)驗(yàn)課程容易形成大家一起跟著教學(xué)流程走過(guò)場(chǎng)的現(xiàn)象。殊不知現(xiàn)在的學(xué)生作為伴隨網(wǎng)絡(luò)而生的線上原居民，對(duì)這種乏味的灌輸式教學(xué)已經(jīng)產(chǎn)生了麻木的態(tài)度。試問(wèn)這樣的實(shí)驗(yàn)課堂如何能激發(fā)學(xué)生思維、培養(yǎng)學(xué)生能力？

隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，教學(xué)方式的更新迭代可以說(shuō)日新月異。從虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)化為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，教育技術(shù)的人性化程度越來(lái)越高，也越來(lái)越為教育的受眾所接受。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)采用三維仿真生成逼真的視覺(jué)、聽覺(jué)、觸覺(jué)一體化的虛擬實(shí)驗(yàn)情境，讓用戶對(duì)虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互操作，從而體驗(yàn)接近真實(shí)的實(shí)踐感受。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的附加信息，對(duì)用戶看到的現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行增強(qiáng)，在不將用戶與周圍環(huán)境隔離的前提下，將計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息疊加到真實(shí)場(chǎng)景中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)感覺(jué)的增強(qiáng)。這樣的教育技術(shù)在高等教育的逐步應(yīng)用，必將改變傳統(tǒng)授課模式，打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間的限制，展示了現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展帶來(lái)的便利[5]。

教育部吳巖司長(zhǎng)曾經(jīng)指出為什么要建設(shè)虛擬仿真“金課”—— 因?yàn)槲覀兛粗辛恕盎ヂ?lián)網(wǎng)+ 教育”之后的“智能+ 教育”。信息技術(shù)、智能技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合破解了高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)中的老大難問(wèn)題，解決了原先“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的問(wèn)題[2] 。

二、建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)“金課”的探索與實(shí)踐

作物栽培學(xué)是農(nóng)學(xué)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課，教學(xué)過(guò)程不僅需要學(xué)生理解作物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程、熟悉決定作物產(chǎn)量品質(zhì)的關(guān)鍵發(fā)育階段、掌握作物生長(zhǎng)分析相關(guān)的理論知識(shí)，而且需要學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中掌握作物生產(chǎn)、試驗(yàn)研究必要的基本技能方法，進(jìn)而能根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的具體情況，提出解決問(wèn)題的方案，以訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)的能力。

掌握水稻葉片與器官生長(zhǎng)發(fā)育同伸規(guī)則，是作物栽培學(xué)理論與實(shí)踐的基礎(chǔ)。但在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，受水稻生長(zhǎng)周期長(zhǎng)帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)時(shí)空跨度大、微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)程實(shí)時(shí)觀測(cè)難度高等客觀因素的影響，學(xué)生無(wú)法很好地參與整個(gè)過(guò)程，這很大程度上制約了學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、綜合能力的培養(yǎng)。我們借助計(jì)算機(jī)三維建模技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)，建設(shè)了一套“水稻生長(zhǎng)發(fā)育虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”，以葉齡進(jìn)程為主線，展現(xiàn)包括種子萌發(fā)、分蘗、拔節(jié)孕穗等各時(shí)期的教學(xué)難點(diǎn)，讓學(xué)生掌握葉片與器官生長(zhǎng)發(fā)育同伸規(guī)則，并熟悉相關(guān)診斷實(shí)驗(yàn)。再結(jié)合相應(yīng)的實(shí)體實(shí)驗(yàn)，利用“虛實(shí)結(jié)合、虛實(shí)互補(bǔ)” 的實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式，讓學(xué)生對(duì)水稻整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育期形成整體認(rèn)識(shí)，這樣能夠激發(fā)學(xué)生的興趣，啟迪學(xué)生思維，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力。

在項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中我們著重從以下四個(gè)方面改進(jìn)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[6]。

（一）“聚焦重點(diǎn)、攻克難點(diǎn)”，實(shí)現(xiàn)線上線下融合式教學(xué)

對(duì)于水稻種子的微觀結(jié)構(gòu)及萌發(fā)過(guò)程、幼苗期種子胚乳淀粉物質(zhì)消耗、根系結(jié)構(gòu)、幼穗分化進(jìn)程等，學(xué)生借助光學(xué)顯微鏡往往只能看到微觀結(jié)構(gòu)的二維形態(tài)，無(wú)法精準(zhǔn)構(gòu)建出真實(shí)的立體器官結(jié)構(gòu)，也就不能準(zhǔn)確理解水稻生長(zhǎng)發(fā)育周期中所發(fā)生的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和位置的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)程，導(dǎo)致自身知識(shí)理論的領(lǐng)悟無(wú)法取得滿意的效果，成為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的瓶頸。

顯微技術(shù)與虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，依據(jù)高性能顯微鏡的觀測(cè)結(jié)果，結(jié)合3D虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建可交互的三維動(dòng)畫模型，使不易觀察的教學(xué)內(nèi)容精細(xì)化、定格化、互動(dòng)化，對(duì)教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)還能進(jìn)行局部放大、立體動(dòng)態(tài)展示，這徹底改變了傳統(tǒng)課堂依靠理論推演闡釋的現(xiàn)狀。學(xué)生可在虛擬環(huán)境中對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行多視角觀測(cè)與結(jié)構(gòu)拆解，反復(fù)觀察揣摩實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，了解其微觀結(jié)構(gòu)，掌握其生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程。

例如：胚的結(jié)構(gòu)認(rèn)知的教學(xué)（見圖1）。

胚位于稻種內(nèi)部糙米上，由卵細(xì)胞的卵核與精子受精后發(fā)育而成，是新的有機(jī)體的原始體。在虛擬實(shí)驗(yàn)中學(xué)生可使用鼠標(biāo)多角度觀察胚的結(jié)構(gòu)，點(diǎn)擊部位上的序號(hào)進(jìn)行學(xué)習(xí)，掌握胚的結(jié)構(gòu)組成：胚芽鞘、幼葉、胚根、胚根鞘等。然后進(jìn)行實(shí)體顯微鏡解剖觀察，兩相對(duì)照不僅提升了學(xué)生對(duì)種子微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，而且有利于學(xué)生掌握胚的萌發(fā)與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消耗過(guò)程。

這種線上線下融合式教學(xué)，能有效克服教學(xué)難點(diǎn)，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

（二）“虛實(shí)結(jié)合、以虛促實(shí)”，助推學(xué)生個(gè)性化自主學(xué)習(xí)

由于水稻屬于大田作物，實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅在實(shí)驗(yàn)室，更多的時(shí)候還要走向田間地頭。在現(xiàn)有的大班教學(xué)體系下，學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程基本是自上而下接受式的，實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程也多是按部就班的模仿為主，缺乏個(gè)性化的有效指導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果一直不佳。借助于虛擬仿真平臺(tái)，采取“虛實(shí)結(jié)合、以虛促實(shí)”的教學(xué)形式，可以讓學(xué)生先通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)完成基本訓(xùn)練，獲得沉浸式實(shí)踐體驗(yàn)，配合師生、生生的實(shí)時(shí)互動(dòng)，克服實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的個(gè)性化困難。教師也可以通過(guò)管理后臺(tái)收集反饋信息，有針對(duì)性地進(jìn)行個(gè)性化點(diǎn)撥。這樣不僅能提升學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的領(lǐng)悟程度，還能有效提高學(xué)生綜合實(shí)踐與創(chuàng)新能力，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的提升。

例如：觀察葉節(jié)同伸的教學(xué)（見圖2）。

同伸規(guī)律揭示的是作物生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，田間觀察只能實(shí)現(xiàn)某一時(shí)間節(jié)點(diǎn)的發(fā)育形態(tài)，學(xué)生難以形成整體認(rèn)知。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)展示葉片的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程，將葉片與節(jié)間發(fā)育進(jìn)行對(duì)應(yīng)放大，清晰展示葉節(jié)同伸過(guò)程，拖動(dòng)進(jìn)度條，還可定格觀察主莖葉片生長(zhǎng)、內(nèi)部節(jié)間發(fā)育及某一節(jié)間微觀結(jié)構(gòu)變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程。學(xué)生可從整體與局部?jī)蓚€(gè)角度掌握葉節(jié)同伸規(guī)律，理解判斷某一節(jié)間生長(zhǎng)狀態(tài)的方法要領(lǐng)。

由于學(xué)生對(duì)各關(guān)鍵生育期的主要器官發(fā)育進(jìn)程理解有差異，存在個(gè)性化的困難，我們就利用3D仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)水稻生長(zhǎng)發(fā)育的三大時(shí)期的精準(zhǔn)虛擬呈現(xiàn)，包括葉片、分蘗、根、莖稈、幼穗等都可以進(jìn)行立體觀察與結(jié)構(gòu)拆解，幫助不同學(xué)生對(duì)這一教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行領(lǐng)悟與掌握。 這種先通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)完成演練，并在虛擬操作中不斷修正夯實(shí)實(shí)驗(yàn)操作技能的新型學(xué)習(xí)模式，不僅能提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成功率，而且有助于實(shí)驗(yàn)課堂的高水平重建。

（三）“長(zhǎng)時(shí)實(shí)驗(yàn)仿真虛擬化”，推進(jìn)學(xué)生沉浸式探究學(xué)習(xí)

水稻生長(zhǎng)發(fā)育周期長(zhǎng)，受環(huán)境影響大，學(xué)生跟蹤觀察難以實(shí)現(xiàn)，所以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)常由于時(shí)空條件、氣候因素、觀測(cè)樣本的生長(zhǎng)情況、教學(xué)課時(shí)限制等的影響，無(wú)法保質(zhì)保量地完成教學(xué)計(jì)劃。

運(yùn)用三維動(dòng)畫模擬技術(shù)，將原本需要按4～5個(gè)月水稻生長(zhǎng)周期學(xué)習(xí)的知識(shí)與實(shí)驗(yàn)操作濃縮在4個(gè)課時(shí)內(nèi)，利用3D虛擬仿真技術(shù)展現(xiàn)水稻從種子萌發(fā)、根系生長(zhǎng)到分蘗盛期的動(dòng)態(tài)全過(guò)程。學(xué)生通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)可以觀測(cè)完整過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程的生物學(xué)特征認(rèn)知，提升對(duì)理論知識(shí)的領(lǐng)悟水平。這有助于學(xué)生掌握葉齡診斷方法，為水稻穗肥的正確施用和雜交制種父母本花期預(yù)測(cè)提供技術(shù)支撐。對(duì)掌握不好的難點(diǎn)，學(xué)生還可以反復(fù)訓(xùn)練或設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，從而提高自身的實(shí)驗(yàn)技能及創(chuàng)新能力。

例如：觀察稻種萌發(fā)的教學(xué)（見圖3）。

從種子萌發(fā)至三葉期，為水稻的幼苗期。這一進(jìn)程歷時(shí)較長(zhǎng)，且為微觀進(jìn)程，難以觀察。教師可利用虛擬仿真技術(shù)虛擬胚的萌發(fā)與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消耗過(guò)程，呈現(xiàn)種子萌發(fā)過(guò)程的生理變化。在虛擬操作中拖動(dòng)進(jìn)度條，學(xué)生可學(xué)習(xí)稻種萌發(fā)與幼苗生長(zhǎng)具體過(guò)程，理解稻種內(nèi)部胚乳淀粉物質(zhì)供給稻種生長(zhǎng)的過(guò)程;點(diǎn)擊“觀察根系結(jié)構(gòu)”按鈕，可以局部放大，從而清晰觀察該時(shí)期的根系結(jié)構(gòu)。

通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生可打破時(shí)間、空間限制，隨時(shí)、隨地進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行基于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的沉浸式學(xué)習(xí)，有利于重新構(gòu)建便于教師教、學(xué)生學(xué)的新型本科課堂，打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)受地域、時(shí)間、樣品量及體力等的限制，能使學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的欲望更強(qiáng)烈、實(shí)驗(yàn)操作的興趣更濃厚、知識(shí)體系更加完備、實(shí)驗(yàn)技能得到更有效的提升。

（四）“教學(xué)反饋實(shí)時(shí)化，教學(xué)指導(dǎo)個(gè)性化”， 實(shí)現(xiàn)立體互動(dòng)式教學(xué)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課堂由于建立在大班教學(xué)基礎(chǔ)上，一直存在“一管就死，一放就亂”的尷尬局面，師生互動(dòng)、生生互動(dòng)難以切實(shí)有效地開展;教學(xué)信息的采集也是基于督導(dǎo)聽課、問(wèn)卷調(diào)查、個(gè)體訪談等方式進(jìn)行，學(xué)情信息的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、反饋的針對(duì)性均難以讓人滿意。借助虛擬仿真技術(shù)平臺(tái)管理功能，能夠?qū)崟r(shí)跟蹤記錄學(xué)生學(xué)習(xí)的情況;通過(guò)在線虛擬操作、提示反饋和問(wèn)答討論等模塊，能夠記錄學(xué)生的參與情況、指導(dǎo)學(xué)生的操作過(guò)程和評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效果。后臺(tái)管理的“在線交流”模塊能夠提供實(shí)時(shí)在線交流，分享實(shí)驗(yàn)心得，克服實(shí)驗(yàn)困難，達(dá)成“人機(jī)人”立體互動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。平臺(tái)數(shù)據(jù)收集模塊還能實(shí)時(shí)記錄完整全面的學(xué)情信息，統(tǒng)計(jì)輸出匯總的結(jié)果。

全員無(wú)遺漏的學(xué)情統(tǒng)計(jì)報(bào)表，是一線教師重要的教學(xué)資源，它能有效地幫助教師改進(jìn)自己的教學(xué)，并能有針對(duì)性地為學(xué)生提供個(gè)性化的專業(yè)指導(dǎo)。建立在全面精準(zhǔn)學(xué)情之上的課堂教學(xué)必然更貼合學(xué)生的實(shí)際需求，更有針對(duì)性地提高學(xué)生的能力，也就更能吸引學(xué)生，從而有效地達(dá)成實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)，完成學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培育。

三、建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)“金課”的優(yōu)勢(shì)探討

高層次的思考可保證學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的有效性，教學(xué)過(guò)程中只有包含高層次思考才會(huì)使學(xué)習(xí)者長(zhǎng)期處于高水平認(rèn)知緊張的階段。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)“金課”借助現(xiàn)代的教育技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)情景與實(shí)體實(shí)驗(yàn)情景的相互補(bǔ)充促進(jìn)，以個(gè)性化和互動(dòng)性為基本點(diǎn)，創(chuàng)設(shè)雙重互補(bǔ)的學(xué)習(xí)情境，對(duì)培養(yǎng)學(xué)習(xí)者解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力和高級(jí)思維具有真實(shí)可證的優(yōu)勢(shì)[7]。

（一） 顯微技術(shù)與虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，能夠革新傳統(tǒng)的教學(xué)方法

隨著生物技術(shù)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)課程中經(jīng)常出現(xiàn)涉及微觀結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)時(shí)進(jìn)程的教學(xué)內(nèi)容，雖然教學(xué)顯微鏡的性能也在迭代更新，但是實(shí)驗(yàn)樣本的采集、制作，實(shí)驗(yàn)儀器的調(diào)節(jié)、觀測(cè)都依賴于實(shí)驗(yàn)者較高的實(shí)驗(yàn)技巧。剛開始接觸這類實(shí)驗(yàn)的學(xué)生往往缺乏所需能力，實(shí)驗(yàn)的成功率很低，學(xué)習(xí)者的挫折感較強(qiáng)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)走過(guò)場(chǎng)的現(xiàn)象頻頻發(fā)生。

可利用科研高性能顯微鏡的圖像數(shù)據(jù)采集功能，結(jié)合計(jì)算機(jī)3D虛擬技術(shù)，展現(xiàn)難以觀察的微觀結(jié)構(gòu)，模擬實(shí)驗(yàn)觀測(cè)進(jìn)程。可借助仿真技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將實(shí)驗(yàn)的所有環(huán)節(jié)整合成可交互的三維動(dòng)畫形式，實(shí)現(xiàn)學(xué)生多維度定格化操作學(xué)習(xí)，這能有效地提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

（二） 虛擬操作與實(shí)體實(shí)驗(yàn)互補(bǔ)，能夠提升實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果

傳統(tǒng)大班制實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)效果一直不佳，常常課程結(jié)束了，學(xué)習(xí)者的實(shí)際操作能力提升并不明顯。動(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生感覺(jué)實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)度不夠，收獲不多;動(dòng)手能力弱的學(xué)生往往敷衍了事，最終還是沒(méi)有學(xué)會(huì)。

虛擬仿真技術(shù)可以高度還原實(shí)驗(yàn)對(duì)象生長(zhǎng)的立體動(dòng)態(tài)進(jìn)程，配合時(shí)間軸的設(shè)定，使學(xué)生從整體到局部，多視角地全面觀測(cè)生長(zhǎng)發(fā)育的完整過(guò)程，通過(guò)虛擬操作掌握相關(guān)的實(shí)驗(yàn)技能和技巧。軟件的跟蹤控制模塊還能實(shí)時(shí)提供個(gè)性化的操作指導(dǎo)，學(xué)生可以先通過(guò)虛擬操作學(xué)習(xí)相關(guān)技能，再進(jìn)行實(shí)體實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)成功率。學(xué)生也可以在實(shí)體試驗(yàn)后進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，鞏固實(shí)驗(yàn)技能，達(dá)成對(duì)教學(xué)內(nèi)容的全面完整的領(lǐng)悟，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

（三） 利用虛擬平臺(tái)實(shí)現(xiàn)科研反哺教學(xué)，能夠擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容[8]

科學(xué)研究的發(fā)展日新月異，新觀點(diǎn)、新方法、新儀器層出不窮，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)科研反哺教學(xué)，不僅能夠擴(kuò)展傳統(tǒng)教學(xué)的內(nèi)容，還能開闊學(xué)生視野，對(duì)接科學(xué)前沿。例如：“水稻葉齡模式”是根據(jù)水稻器官同伸規(guī)律，應(yīng)用水稻主莖葉片生育進(jìn)程來(lái)診斷水稻的生育時(shí)期，從而確定相應(yīng)的高產(chǎn)栽培技術(shù)和肥水管理“促”“挖”措施。它是由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)凌啟鴻教授團(tuán)隊(duì)集國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果，經(jīng)多年研究建立的一種新型栽培理論及技術(shù)體系，不僅是對(duì)我國(guó)水稻精耕細(xì)作傳統(tǒng)的現(xiàn)代詮釋，而且是我國(guó)作物栽培學(xué)研究對(duì)世界作物生產(chǎn)科研與應(yīng)用的重要貢獻(xiàn)。

將這一理論成果以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為載體，完整推進(jìn)到本科教學(xué)一線，是科研反哺教學(xué)的真實(shí)體現(xiàn)，大大擴(kuò)展了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容。

總之，經(jīng)過(guò)這兩年的建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)“金課”的實(shí)踐探索，結(jié)合近千名學(xué)生進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作學(xué)習(xí)后的反饋信息，師生們一致認(rèn)為，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)“金課”不僅能夠增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、主動(dòng)探究的積極性，而且能真實(shí)有效地提高實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。因此，隨著互聯(lián)網(wǎng)與信息技術(shù)的飛速發(fā)展，采用虛擬仿真技術(shù)提檔升級(jí)傳統(tǒng)的教學(xué)模式是一條卓有成效的教學(xué)改進(jìn)之路。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[2] 吳巖. 建設(shè)中國(guó)“金課”[J]. 中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2018（12）：4-9.

[3] 教育部.教育部關(guān)于狠抓新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議精神落實(shí)的通知（教高函〔2018〕8 號(hào)）[Z].2018.

[4] 王玉璽. 知識(shí)為憑·能力為用·素質(zhì)為本：現(xiàn)代教育的三個(gè)境界斷想[J]. 內(nèi)蒙古教育，2006（3）：4-6.

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[8] 熊宏齊.國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的新時(shí)代教學(xué)特征[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2019（9）：1-4.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]