孙燕 顾蔚 （陕西师范大学生命科学学院）
生物学科是一门实验性较强的学科，其实验教学对学生知识体系建立、能力发展的重要性不言而喻。但是有些生物实验时空跨度大、有些涉及有危害的材料和试剂，因此难以在目前本科生实验教学中实施。此外，还有一些实验需要使用昂贵、精密仪器，其台件数往往不能满足本科生实际操作需要。因而现有的生物学真实实验教学体系并不完整，影响了学生全面掌握生物学实验技能、制约了学生综合创新能力的发展。
随着现代教育技术发展，采用虚拟仿真技术、计算机图形图像技术等生成逼真的实验场景，可以在虚拟情境中完成真实情况下难以甚至不能实现的实验内容。因此，虚拟仿真实验教学资源的开发顺应而生，虚实结合的新实验教学体系为培养现代生物学创新人才提供保障。
一 虚拟仿真实验教学资源建设的紧迫性
《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”。《教育信息化十年发展规划（2011-2020》>要求推动信息技术与高等教育深度融合，创新人才培养模式。发展规划还明确了建没各级各类优质数字教育资源的工作目标，提出要遴选和开发1500套虚拟仿真实训实验系统。
教育部在建设国家级实验教学示范中心加强实验教学基础上，进一步提出建设国家级虚拟仿真实验教学中心，这一举措具有重大意义。虚拟仿真实验教学中心重点开展资源、平台、队伍和制度等方面的建设，形成持续服务实验教学，保证优质实验教学资源开放共享的有机整体。特别对虚拟仿真实验教学资源的建设提出了具体要求：即以培养学生综合设计和创新能力为出发点，创造性地建设与应用软件共享虚拟实验、仪器共享虚拟实验和远程控制虚拟实验等优质教学资源，推动信息化条件下自主学习、探究学习、协作学习等实验教学方法改革。
二 生物学虚拟仿真实验教学资源开发的必要性
生物学是21世纪自然科学的重点学科之一，对人类社会的可持续发展具有重大影Ⅱ向。生物学也是一门实验性学科，通过实验教学，提升学生的观察能力、发现问题和解决问题的能力，激发学生对生命科学研究的兴趣和灵感，培养学生的创新能力和实践能力。
然而，由于生命科学前沿理论和技术发展迅速、生物学实验系统性强、时空跨度较大、操作较为繁复、某些实验材料存在一定危险性以及某些实验需要昂贵仪器等，造成目前本科生真实实验教学资源的局限性，具体表现在：
因生物材料的生命特质原因，有些生物学实验往往周期较长，如动植物的发育实验、生态学的种群互做实验、生物进化实验等。在有限的实验课时内，现有的真实实验往往是片段的、不连续的，大尺度时空跨越的实验内容基本没有，造成学生知识体系和实验技能的不完整。
目前的生命科学研究已经深人到在分子水平揭示生命现象的本质，相关的实验过程往往是微观的、抽象的，在本科生实验教学中开展相关真实实验一方面成本高、消耗大，一方面传统实验手段无法帮助学生直观了解微观抽象的实验过程，从而影响实验教学效果。
现代的、先进的实验技术推动了生命科学发展，然而有助于学生理解前沿理论的实验内容难度大、复杂程度高、往往需要使用昂贵的大型科学仪器设备，在本科实验教学中难以广泛实施，使得学生不能及时了解、跟进先进的实验技术和理论知识。
生物实验可能涉及伤害的、危险的、污染性的实验内容，因为现有本科生真实实验教学条件有限而不能实施。例如致病菌、病毒、血液样品、同位素等等，涉及这些实验材料和试剂的实验内容在目前的本科生真实实验教学中常常都是回避的，导致学生的知识结构不完整、不系统。
生物技术工艺实验系统化程度高、周期长、成本大，在以往有限课时的本科生真实实验教学中，仅能安排个别常规技术，难以完成完整的工艺流程。学生在工厂车间的实习也往往无法接触企业的核心技术和工艺，只能粗略的浏览生产过程，没有落实学生应用能力的培养，造成学生理论和实践的脱节。
总之，现有的真实生物实验的局限性在一定程度上限制了学生现代生命科学的视野、影响了学生对先进理论本质的认识以及系统知识体系的形成、制约了完整生物学实验技能和综合能力的培养、不能更好的促进学生科研创新能力和实践能力的培养。
随着生物科学的迅猛发展和人才培养要求的不断提高，生物实验教学的内容愈来愈丰富，要在有限的实验教学课时内扩大教学量、提高教学质量和效率，必须对传统生物学实验教学内容和方法进行改革。虚拟仿真实验作为真实实验的重要补充和扩展，既有仿真性、经济性、安全性的优点，又能保证生物学实验的系统性、综合化，与传统真实实验有机结合，可以使学生开拓视野，获得更为全面的技能训练，掌握完整的生命科学知识体系，对培养学生观察能力、独立思考能力、创新能力和实践能力具有重要意义。
三 虚实结合的实验教学新体系在综合创新人才培养中的重要性
根据我校生物科学、生物技术专业人才培养目标，结合我校生物学学科特色，我校开发的虚拟仿真实验教学资源可以概况为4个模块：秦岭生物学野外实践能力培养模块、现代生物学综合创新能力培养模块、生物学教师实验教学能力提升模块以及生物技术工艺仿真实训模块。虚拟仿真资源与现有的实际操作实验教学项日相互融合和互补，搭建了较为完备的“分层次、多模块、系统化”的本科生生物学实验教学体系，使学生视野得到开拓，对生命现象过程认识更全面，对知识体系的掌握更系统，同时课题式的仿真实验项目能点燃思维、激发兴趣，加强了本科生的创新精神和实践能力的培养。
陕西师范大学理科（生物学）基础科学研究与野外实习基地被批准为国家级实践教学基地，每年对全国甚至海外高校开放。然而因环境承载能力、后勤保障能力等因素限制，进入基地进行实习的学生有限。我们充分利用秦岭资源，依托国家级野外实践教学基地，对生物学宏观性、时空大尺度实验进行仿真，为学生提供了新的实验资源和学习模式，学生可以在这个虚拟环境中开展现实中无法实现的大型野外生物实验、生态系统实验等。同时这些教学资源还可以共享给更多的来自全国各地的学生。
生命科学研究早已深入到分子水平。我们将细胞、分子水平的微观生命反应可视化，将抽象的前沿理论和技术形象化，为学生提供了形象逼真的新型实验教学资源，提供了以计算机为载体、信息技术为手段的新型学习方式。我们开发的虚拟仿真实验教学资源运用现代信息技术、教育技术，将学科前沿、研究热点及学院教师的科研成果引入实验教学中，将真实的生物学实验过程中极为迅速、经典技术难以跟踪、肉眼甚至现代科学仪器无法观察到的分子变化以及相互作用，借助计算机模拟实现其可视化，形象地描述以往无法给学生展现的微观生命世界，使学生能更直观的深刻理解产生生物实验现象的本质与详细过程。
生物技术、生物工程是生物学在人类社会的实际应用，有突出的价值和发展空间。以往学生进行生物技术、生物工程实训需要进入药厂、食品厂、酒厂等等的车间、工厂。因企业经济效益和技术保密等，学生只能参与部分生产过程。运用现代信息技术将真实的生产过程引入实验教学中，借助计算机模拟实际生产中昂贵的各种器械、成本高的运行过程，学生通过模拟操作和控制，直观的体验生物技术、生物工程的实际应用。我们为学生提供的生物技术、生物工程实训新平台，可以对学生系统进行产品研发、生产工艺的训练，解决生物技术应用人’才实践技能与生产实际脱节的瓶颈问题。
师范生的培养是我校的特色，生物学专业师范生因生物学这一个实验性学科的特殊要求，必须在掌握生物理论教学能力的同时锻炼实验教学能力。而目前的现状是我国54.4%的中学没有专职生物实验员，实验前材料和仪器准备不充分；因生物实验室和仪器设备短缺，能开出10个以上实验项目的中学很少；还有11.8%的学校一直没有开设生物实验课程。师范生在进行教育实习的时候基本不会进行实验教学的课程设计、课堂教学等实习内容。中学生物教学经典实验的虚拟仿真，给生物学专业师范生搭建了中学生物学实验室的真实情境，可以进行中学生物实验课的模拟教学训练，锻炼了师范生的实验教学技能。特别是基于这样的虚拟平台，多名学生可以同时在任何时间、任何地点、面向任何受众进行教学模拟，并可以反复演练，充分反映了虚拟仿真实验教学的高效性、便捷性和经济性。同时，该平台可以共享给在职中学教师进行继续教育培训；电可以共享给很多没有实验条件的中学，供中学生远程登录完成实验内容等，重复发挥“虚拟仿真实验中心”的开放共享特色。
四 虚实结合的实验教学新体系的优点
我校生物学虚实结合的实验教学体系的优点体现在：第一，紧紧结合我校生物科学、生物技术专业学生的培养目标和生物学各类实验的特点，可以选择特定的实验模块作为必修、或者选修的内容，发挥虚拟仿真实验可视化、虚拟操作的功能，突破传统实物生物实验教学的固有局限性。第二，以传统实验的亲历性巩固学生的事实经验，以虚拟仿真实验提升学生获取科学事实的能力、拓展科学思维、锻炼实践能力，有效解决了现有生物学实验教学资源局限性问题，为培养学生全面、系统的知识体系和合理、前瞻的技能体系开辟了新途径。第三，虚拟仿真实验所具有的普适性，使其辐射面广、受众广泛。除我校生物学相关专业在校本科生、研究生以外，我校承担的国家教师教育、西部教师培训计划等均可受益。同时，对在中学任教的生物学教师开放，提高其业务素质，服务我国基础生物学教育。
生物学虚拟仿真实验教学中心是我校生物基础实验教学中心的重要组成部分，以虚拟仿真的技术手段完成不可及、不可逆等实验内容，以新型知识载体的形式和真实实验相互补充，从而实现虚拟实验与真实实验协同育人、课内课外一体化的实验教学新体系，探索了虚实结合的生物学实验教学新模式，为培养现代生物学综合创新人才奠定了基础。
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参考文献
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[2]中华人民共和国教育部．教育信息化十年发展规划（2011-2020年）[2]：2012．
[3]李平，毛昌杰，徐进．开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设，提高高校实验教学信息化水平[J]．实验室研究与探索，2014，32（11）：5-8．