龚思颖，陈晓婷，张金菊，胡 原，周 权，万 建，熊国梅，李 兵

生物类虚拟仿真实验教学资源的建设与发展

龚思颖，陈晓婷，张金菊，胡 原，周 权，万 建，熊国梅，李 兵

（华中师范大学 生命科学学院 湖北省生物学实验教学示范中心 国家级生物学虚拟仿真实验教学中心，湖北 武汉 430079）

针对国内虚拟仿真实验资源开发的现状，以首批国家级生物科学类虚拟仿真实验项目建设为例，分析了国内生物学虚拟仿真实验教学资源的建设特色、应用、存在问题和发展趋势，探讨了发挥虚拟仿真实验在生物学教学中的优势及提高资源建设质量的建议。

生物学；虚拟仿真实验教学；资源建设

大数据、云计算和物联网等信息化技术的快速发展推动了新一轮科技革命和教育改革。党的十九大关于教育改革的论述，聚焦新时代对人才培养的新需求，强化以能力为先的人才培养理念，强调通过信息技术与教育的深度融合促进教育质量全面提高，并对新时代教师队伍建设提出了新的要求[1-5]。新时代赋予了教育信息化新的使命，在“互联网+教育”的时代背景下，慕课（MOOC）、在线课程、虚拟仿真等教学形式在学科专业与信息技术交叉融合下产生。

为加强高等教育实验教学优质资源的建设与应用，促进信息技术与实验教学项目融合，2013—2015年教育部分年度建设了一批具有示范、引领作用的生物类国家级虚拟仿真实验教学中心[6-7]。为进一步解决大学生动手能力不足等问题，达到改造实验教学项目、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的目标，教育部面向全国普通本科高等学校开展了示范性虚拟仿真实验教学项目建设[8]。首批公示的105项国家级虚拟仿真实验教学项目中生物科学类共15项，占14.29%[9]。此类项目的获批反映了虚拟仿真实验教学技术在多个学科领域产生的重要影响，也说明生物科学类虚拟仿真实验教学资源（以下简称生物类虚拟资源）具有极大的开发、应用潜力。

目前，国内高校以“互联网＋实验室”理念为引导，坚持“学生中心、产出导向、持续改进”原则，采用Flash、Unity3D、VR、AR、大数据等技术，积极开展虚拟仿真实验教学项目建设。本文以首批国家级生物科学类虚拟仿真实验教学项目开发现状为例，分析生物类虚拟资源的建设特色、应用和存在问题，探讨资源建设的发展趋势及提高资源建设质量的建议。

1 建设内容

各高校以人才培养为目标，以社会需求和解决实际教学问题为导向，依托自身优势学科和特色专业，结合现有实验教学中心、实践实习基地、平台等教学资源，采用校企合作的方式开展虚拟仿真实验教学资源（以下简称虚拟资源）建设，实现资源的优势互补和多层面共享[10]。目前，国家级虚拟资源的建设内容大致分为5类，各类之间存在部分交叉与融合（见图1）。以下对这5类的建设内容进行举例说明。

图1 虚拟仿真实验项目建设模式

2 5类建设内容举例

2.1 依托优势学科及特色专业开展虚拟资源建设

各高校结合学科优势和特色，在不同学科、不同专业层面上开发虚拟资源。

南京农业大学农业生物学虚拟仿真实验教学中心，以植物学、动物学、微生物学、生物化学与分子生物学等课程为基础，依托作物学、农业资源与环境、植物保护等优势学科，突出农业生物学特色，通过动植物虚拟仿真平台、野外实习、现代生物学实验技术等虚拟仿真平台，自行开发了校园植物电子地图、农田杂草识别系统和互动仿真实验、大型仪器虚拟仿真实训系统等[11]。

华中农业大学生物学实验教学中心以“学科特色、产业实践、技术前沿、创新能力”为导向，依托生物学等优势学科，建立了包含综合设计性、校内外实习实训、尖端仪器设备和生物学资源拓展等4大虚拟仿真实验资源模块。其中，综合设计性虚拟实验项目“水稻遗传转化虚拟仿真实验项目”依托“国家转基因重大专项”和全球领先的转基因水稻研发技术成果，使学生全面理解和掌握愈伤组织的诱导及继代、农杆菌侵染、共培养、抗性愈伤组织筛选、外源基因转化瞬时表达检测、转基因植株的分化及移栽、外源基因稳定表达检测等水稻遗传转化的全程技术，有助于学生尽早接触学科前沿。

扬州大学生物科学与技术虚拟仿真实验教学中心依托兽类学等特色学科，建设了国家首批虚拟仿真实验教学项目“兔的形态结构与功能虚拟仿真实验”，该项目可完成兔的形态组成特征、规范化解剖流程等教学内容，解决了在实体实验中由于“器官微小、结构与功能协调变化过程不可见”等而无法实施的“各系统空间位置关系、结构与功能协同变化过程等”教学内容，实现了实验项目“完整、高效、绿色、环保”的目标。

东北师范大学生物学虚拟仿真实验教学中心依托生态学、生物学两个优势学科，建设了具有专业特色的动植物图片库、数字化标本馆、鸟类鸣叫库等虚拟仿真资源。其中鸟类鸣叫库是目前高校中唯一的关于鸟类声音鉴别的虚拟仿真资源。

2.2 结合所在地区特有的生物资源或已有的实践实习基地、中心平台等开展基于野外实习的虚拟资源建设

野外实习是生物学专业教学过程中的重要实践性环节。为解决目前野外实习普遍面临的师资缺乏、模式单一，互动性、共享性差，采集标本受生境、季节、天气等因素影响，不利于环境保护等问题，采用现代信息技术构建“不同生态区生物学野外实习虚拟仿真实验”，学生通过个人计算机、手机等设备模拟野外实习，突破了时空限制。

华中师范大学生物学虚拟仿真实验教学中心结合多年野外实习的教学成果，重现了神农架在不同季节、不同路线的野外环境和动植物实景，满足学生动植物实习需要[12]。所建设的“珍稀动物生物学习性观察研究虚拟仿真实验项目：以神农架川金丝猴为例”，将教师多年的科研成果（如金丝猴的头骨、叫声、行为视频和照片）转化为虚拟教学资源，解决了珍稀保护动物金丝猴不可获得、不能解剖，其生境不能进课堂等瓶颈问题，使学生身临其境地观察了解金丝猴生活习性，增强了环境友好、生态文明意识，目前已面向新疆师范大学等西部高校免费开放。

南京农业大学农业生物学虚拟仿真实验教学中心建设的“不同生态区生物学野外实习项目”，综合应用WebGL、VR、航拍等技术，构建黄山、天目山、色季拉山、夏玛和民勤等5个不同生态区的实习场景，为野外实习提供方便、高效的全方位辅助，主要包括生境探究、动植物性状检索、植物群落调查和显微结构观察等，结合“生物共享联盟”微信端应用，帮助学生突破时空限制，开展自主移动学习，显著提高实践创新能力[13]。该项目不仅创新了实习教学模式，也促进了东、西部高校优势资源互补，推动了西部高校信息化教学发展。

东北师范大学生物学虚拟仿真实验教学中心建设的“生物学野外实习虚拟仿真实验项目”，以长白山野外实习为背景，按照“能实不虚”的原则，从动物学（鸟类多样性调查、访花昆虫对蜜源植物选择）、植物学、生态学实习等方面，从不同角度建构长白山虚拟仿真野外实习系统[14]。

四川大学生物科学与技术虚拟仿真实验教学中心以川大博物馆馆藏标本和西南地区丰富的生物资源为基础，建立了数字化虚拟动植物教学标本资源库，建成了“数字化教学标本共享平台”，与国内多所高校的动植物教学标本资源实现共享，为野外综合实习实训提供了强大的物种数据[15]。

西北农林科技大学正在建设的“秦岭火地塘植物学综合仿真实训”结合VR技术与植物生境照片，帮助学生了解植物形态特征，掌握植物鉴定技能，提高识别植物的能力，解决受季节、资源稀缺等因素影响而不能进行破坏性解剖观察的难题，提高了实习质量。

2.3 结合高校人才培养目标，以问题为导向，建设有特色的虚拟资源，促进教学改革

虚拟资源的研发应紧密结合学校定位和人才培养目标，以解决真实教学中存在问题为导向。

华中师范大学生物学虚拟仿真实验教学中心建设的“分子生物学虚拟仿真实验项目”，以分子生物学实体实验为基础，建立了虚实结合的人才培养体系[16]。将虚拟实验真正运用到实验教学中，要求学生通过虚拟实验进行课前预习考察和课后复习巩固，将虚拟实验考核结果按10%的比例纳入期末实验课成绩。与未使用虚拟实验教学的班级对比结果表明，虚拟仿真教学在很大程度上激发了学生学习兴趣，明显提高了学习效率，体现了虚拟仿真实验教学的必要性。此外，中心遵循“为基础教育服务”的发展方向，在教学资源内容设置上注重突出教师教育特色。开设了师范生实验教学技能训练虚拟实验模块，选取中学生物学实验教学中的代表性实验开展虚拟实验教学，加强师范生实验教学技能训练，培养卓越的中学生物学师资[17]。

华中科技大学生命科学与技术虚拟仿真实验教学中心依托生物学和生物医学工程两个优势学科，建设了“生物大分子分离纯化综合设计虚拟仿真实验”。该项目将复杂实验技术分解成诸多独立模块单元，学生可自由拖拽、任意组合各模块，设计自己的纯化方案和具体条件参数，设计过关后方可进行虚拟实验。这种先虚拟方案设计、再仿真操作、再实体实验的模式，增加了实验的设计性、任意性、多样性和趣味性，有助于学生掌握从复杂混合体系中提取生物大分子的原理和方法，提升综合设计能力和实践创新能力。

西北农林科技大学森林生物学虚拟仿真实验教学中心以全面增强学生实践和创新能力、提高本科教学质量、提供社会服务为宗旨，依据森林生物学的特殊性及其实验教学目标，建立了人工降雨大厅、生态预测与全球化实验室、数字林业实验室、生态仿真优化实验室等教学平台，形成虚拟仿真实验与常规实物实验相融合的森林生物学实验教学新体系[18]。

2.4 针对高危或极端环境、高成本高消耗、周期长、操作难度大等实验内容开展的虚拟资源建设

放射性同位素标记核酸分子杂交是遗传学和分子生物学研究最常用的一项技术，但因其存在辐射安全风险，很难面向本科生开设。华中师范大学生物学虚拟仿真实验教学中心建设的“放射性同位素标记核酸分子杂交虚拟仿真实验”，包括教学模式、演示模式和考核模式，交互性强、呈现手段丰富，综合采用问题式、研究式、讨论式等教学方法，有机整合形成性评价和终结性评价，提高了学生开展独立研究能力，又避免了安全风险。目前该项目除应用于本校生物专业教学外，还面向新疆师范大学、武汉大学、华中农业大学等高校开放共享，取得良好的应用成效。

杭州师范大学建设的“珍稀保护药用生物资源研究与应用的综合性虚拟仿真实验教学项目”，以生物资源中的药用资源利用为切入点，选取传统著名药用植物铁皮石斛和抗血栓良药蛇毒来源的五步蛇为实验材料，设计了此两项资源开发利用时鉴定、有效成分提取、快繁栽培或孵化等综合性实验，解决了传统实验教学项目中危险性大，难于实现、观测、重现的问题，帮助学生理解掌握现代药用生物资源的基本概念和理论，提高了学生的综合设计和探究式学习能力。

动物胚胎工程是开展动物繁殖、克隆、转基因和基因编辑等研究和生产的基础，东北农业大学基于克隆猪培育过程开发了“动物胚胎工程虚拟仿真综合实验”项目。该项目紧密结合科研平台优秀成果，包含体细胞核移植、细胞融合及胚胎移植等复杂操作，涵盖了克隆动物生产的全部环节，通过虚拟情境和交互操作使学生获得更多的真实体验。

针对植物光合作用的知识点相对抽象、难以应用的问题，华南师范大学开发了“光合作用光能的吸收、转化及不同类型植物的光合测定与应用的虚拟仿真”实验。通过组装光系统II、I反应中心及ATP合酶等3个复合体的三维模式图，组成完整的光合作用电子传递链，将抽象概念转化为直观、可控的仿真图形，并深入浅出地开展实验。帮助学生逐步理解光能的吸收、传递与转化过程，虚拟田间、森林等野外场地测定几种不同类型植物的光合速率，了解不同植物光合作用特点，选择不同类型的绿化植物对住房进行虚拟绿化配置，提高了学生的专业兴趣和对知识的实际应用能力。

湖南农业大学开发的虚拟仿真项目“抗逆基因的分离克隆与表达分析”，帮助学生掌握核酸提取纯化、聚合酶链式反应、凝胶成像分析、基因工程操作等重要实验技能，了解相关贵重设备的使用，在一定程度上解决了实验耗费昂贵、实验过程不可逆、材料培育周期长、存在生物安全风险、普通高校很难完整开设等问题。

2.5 与实训实习、生产应用等相结合的大型综合训练类虚拟资源建设

华中农业大学生物学实验教学中心将优势学科与中国名企协同创新相结合，建设了“固态白酒发酵的工艺原理和生物学本质探究虚拟仿真实验”项目。该项目以劲牌原酒生产数据为蓝本，通过“线上模拟＋现场实习＋线上探究”的混合式教学方式，将学科及产业优势转化为教学资源，用现代生物技术解析传统酿造工艺，寓教于乐，寓教于研。

广西大学生物科学与工程虚拟仿真实验教学中心建设的“啤酒工艺虚拟仿真实验教学”项目，构建了虚拟的啤酒生产厂仿真场景与装置，涵盖啤酒生产中麦芽汁制备、啤酒发酵、成品包装等过程，帮助学生理解、掌握设备工作原理和操作规范，培养学生的综合设计和探究式学习能力。

东北林业大学的“植物细胞规模化生产及产物分析虚拟仿真实验项目”，将自主研发的“人参规模化培养生物反应器系统”转化到教学中去，通过虚拟仿真形式整合工厂化生产、活性产物提取与检测分析系统，全景展示工厂化生产过程，向学生及社会提供模块化、标准化教学资源，解决了产业化学习中“易看难动手”的问题，让学生快速熟悉第一线生产知识和分析技术，有效培养学生的实践动手和创新创业能力。

福建师范大学生物技术与生物化工虚拟仿真实验教学中心以青霉素和啤酒生产工艺教学为核心，建有现代分子育种、发酵过程工程、生物分离、“三废”处理技术等虚拟仿真实验教学平台，以丰富的课程资源库形式呈现，服务于教学的不同环节，软件形式多样化，能够满足教学、实训实习的需要。

此外，浙江理工大学的“虚拟仿真基因工程方法制备ScFv抗体大实验”、福建农林大学的“闽东特色鱼类深加工及质量安全控制项目”、华东理工大学的“糖化酶催化啤酒发酵工艺虚拟仿真实验项目”等均与实际生产密切相关。

3 存在问题

随着信息技术的发展，虚拟仿真技术已广泛应用于生物学本科实验教学。但作为对传统教学的有益补充和完善，国家虚拟仿真实验教学项目的应用成效与高校人才培养目标和社会需求之间仍存在一定差距，主要体现在以下方面：

（1）项目内容的设计与知识点结合不够紧密，所呈现的重点、难点不突出；

（2）人机交互性不够；

（3）资源建设中缺乏完善的评价体系；

（4）资源更新速度和共享度有待提高。

4 提高建设质量建议

生物科学是建立在实验基础上的学科，生物类虚拟资源的建设必须坚持“能实不虚，虚实结合”的原则，并在开发应用中不断改进和完善。围绕国家虚拟仿真实验教学项目的整体架构、技术体系、共享应用、综合评价等有关项目全局发展的重点难点问题，提出如下提高建设质量的建议。

（1）完善国家虚拟仿真实验教学项目的顶层设计。在教育部引领和“虚拟仿真实验教学创新联盟”推动下，应尽快建立和完善生物科学类虚拟仿真实验教学体系，助力涵盖13个学科门类、92个专业类、630个专业的虚拟仿真实验教学项目体系的建立[19]。进行全面布局和引导，从而有效避免资源的重复建设，保证项目建设的必要性和必须性。此外，制定虚拟仿真实验项目的评估体系和激励措施，提高虚拟资源建设的水平和质量，便于资源建设的可持续性改进。

（2）与信息技术紧密结合，增强学习的交互性和便捷性。利用人工智能、大数据等信息技术，增强交互的智慧化、智能化，实现随机交互，便于学生随时随地提问和学习，满足教学需要。进一步完善运行平台的兼容性，降低对硬件配置的要求，以方便资源共享和二次开发。

（3）设计内容应与知识点紧密结合，并密切联系学科发展前沿。项目内容应紧密结合教学知识点，解决传统教学中的难点重点问题，保证虚拟资源建设的可持续性和生命力。除满足基础教学外，设计内容还应紧密联系学科发展的前沿动态，拓展和开发综合设计性实验，以利于培养拔尖型、复合型人才，提高人才培养质量。

（4）注重评价体系的完善。将过程评价和结果评价相结合，根据教学需求及时反馈，完善教学资源，以利于学生开展在线学习、自主化学习、个性化学习。

（5）注重资源共享与推广，形成建设、共享、应用有序的生态体系。充分发挥虚拟资源的辐射、共享作用。将已有的国家虚拟仿真实验教学项目建设成果，面向西部高校、地方应用型高校和一带一路高校推广。此外，应注重教师培训和资源集成[19]，不断提高教师使用信息化技术开展实验教学的能力。同时，做好虚拟仿真实验教学项目体系的分工、协作、集成，保护所有开发者、参与者的权益，提高资源的整体建设水平和利用效率。

[1] 教育部.教育部关于印发《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》的通知：教技[2012]5号. [EB/OL]. [2012-03-13]. http://old.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3342/201203/133322.html.

[2] 教育部，国家发展改革委，财务部，等.教育部等五部门关于印发《教师教育振兴行动计划（2018—2022）》的通知：教师[2018]2号[EB/OL]. (2018-02-11). http://www.moe.gov.cn/srcsite/ A10/s7034/201803/ t20180323_331063.html.

[3] 教育部.关于印发《高等学校人工智能创新行动计划》的通知：教技[2018]3号[EB/OL]. (2018-04-02). http://www. moe.gov.cn/srcsite/A16/s7062/201804/t20180410_332722.html.

[4] 教育部.关于印发《教育信息化2.0行动计划》的通知：教技[2018]6号[EB/OL]. (018-04-13). http://www.moe.gov.cn/srcsite/ A16/s3342/201804/t20180425_334188.html.

[5] 国务院. 关于全面深化新时代教师队伍建设改革的意见：中发[2018]4号[EB/OL]. (2018-01-20). http://www.gov.cn/zhengce/ 2018-01/31/content_5262659.htm.

[6] 教育部高等教育司.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知：高教司函[2013] 94号[EB/OL]. (2013-08- 13). http://old.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/ s7946/201308/156121.html.

[7] 王甜，王茂林，林宏辉.生物类虚拟仿真实验教学中心建设中的问题与对策[J].实验室研究与探索，2017, 36(3): 153–156, 163.

[8] 教育部办公厅. 关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知：教高厅[2017] 4号[EB/OL].(2017- 07-11). http://www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201707/ t20170721_309819.html.

[9] 教育部高等教育司.关于2017年度示范性虚拟仿真实验教学项目名单的公示[EB/OL]. (2018-04-18). http://www.moe. gov.cn/s78/A08/A08_gggs/s8468/201804/t20180419_333664.html.

[10] 张碧鱼，何素敏，陈笑霞，等.虚拟仿真实验在生物学本科教学中的开发应用[J].实验室科学, 2017, 20(1): 128–130.

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Construction and development of teaching resources for biological virtual simulation experiments

GONG Siying, CHEN Xiaoting, ZHANG Jinju, HU Yuan, ZHOU Quan, WAN Jian, XIONG Guomei, LI Bing

(National Biology Virtual Simulation Experiment Teaching Center, Hubei Biology Experimental Teaching Demonstration Center, School of Life Sciences, Central China Normal University, Wuhan 430079, China)

In view of the current situation of the development of virtual simulation experiment resources in China, and by taking the first batch of national virtual simulation experiment projects of biological science as an example, this paper analyses the characteristics, application, existing problems and development trend of domestic virtual simulation experiment teaching resources of biology, and probes into the advantages of virtual simulation experiments in biology teaching and suggestions for improving the quality of resources construction.

biology; virtual simulation experiment teaching; construction of resources

G642.423

A

1002-4956(2019)09-0176-05

2019-02-05

2019-04-16

湖北高校省级教学研究项目（2017089）；湖北省高校实验室工作研究会2017年课题（HBSY2017-11）

龚思颖（1985—），女，湖北应城，博士，实验师，主要从事虚拟实验室建设与管理、实验教学和学科建设工作。

E-mail: gsy@mail.ccnu.edu.cn

李兵（1969 —），男，湖北天门，博士，教授，生物学虚拟仿真实验教学中心主任，主要从事虚拟实验室建设与管理工作。

E-mail: shblzl@mail.ccnu.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.045