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農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心管理平臺(tái)探析論文
虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果[1,2].我校農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心依托省級(jí)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心進(jìn)行建設(shè)，秉持 “農(nóng)科教結(jié)合，虛實(shí)互補(bǔ)，綠色共享”的建設(shè)理念，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為實(shí)體實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充，突出最新生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，突破時(shí)空局限等限制，學(xué)生可以隨時(shí)隨地在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力[3 ~5].
1 農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的意義
生物學(xué)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有其特殊性，主要面臨以下 3 個(gè)方面的難題： 一是受實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間、空間條件的限制。如在動(dòng)植物物種資源的分類、鑒定及形態(tài)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于種類多、分布廣，且生長(zhǎng)發(fā)育具有很強(qiáng)的季節(jié)性，沒(méi)有實(shí)踐基礎(chǔ)，學(xué)生很難掌握，學(xué)習(xí)起來(lái)十分困難。二是受大型儀器數(shù)量、操作過(guò)程等條件的限制。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法的不斷發(fā)展，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中需使用一些大型儀器設(shè)備，如液質(zhì)聯(lián)用儀、激光共聚焦等，這些儀器由于購(gòu)買成本很高、數(shù)量有限、構(gòu)造和操作復(fù)雜，不能做到每個(gè)學(xué)生都能上機(jī)操作，而且學(xué)生也很難清晰了解儀器的內(nèi)部構(gòu)造及工作原理。三是受教學(xué)成本、資源消耗、污染環(huán)境等問(wèn)題的限制�，F(xiàn)在大部分生物學(xué)實(shí)驗(yàn)都采用了分子生物學(xué)手段，如蛋白質(zhì)組學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、基因工程等實(shí)驗(yàn)，具有高要求、高危害、高消耗的特點(diǎn)[6,7].另外，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)材料需要是新鮮的植物或活體動(dòng)物，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還需使用有毒的化學(xué)試劑對(duì)實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行處理，不利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，且材料難取，同時(shí)還面臨檢疫和廢棄物處理等問(wèn)題。
面臨以上種種困難，將虛擬仿真技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，補(bǔ)充了實(shí)體實(shí)驗(yàn)暫不具備的條件，完成了現(xiàn)有教學(xué)條件下無(wú)法完成的教學(xué)功能，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和從事生物學(xué)相關(guān)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
2 農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心管理平臺(tái)
農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心是 2014 年初首批獲得教育部批準(zhǔn)建設(shè)的國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。目前已初步建成農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息管理平臺(tái)和相關(guān)虛擬仿真教學(xué)資源。管理平臺(tái)和虛擬教學(xué)資源是由我中心自主設(shè)計(jì)，委托軟件公司研發(fā)。目前，農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心包含植物學(xué)、動(dòng)物學(xué)、微生物學(xué)、生物化學(xué)與分子生物學(xué)、大型儀器虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)五個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái) （ 圖 1） .各平臺(tái)既相互獨(dú)立、自成一體，又能貫穿農(nóng)業(yè)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的整個(gè)過(guò)程，可根據(jù)我校農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)類各專業(yè)的不同要求進(jìn)行靈活組合[8 ~11].
2. 1 植物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
植物學(xué)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要存在以下三方面的不足： ①常規(guī)植物切片很難切到完整的過(guò)程，更觀察不到整個(gè)結(jié)構(gòu)變化過(guò)程，如植物根和莖的次生生長(zhǎng)、花粉粒的萌發(fā)等。②受植物物種資源的地理分布和生境特征的制約，學(xué)生只能接觸到本地區(qū)的有限農(nóng)業(yè)植物資源。③植物花、果、種子等繁殖器官的特征在植物分科識(shí)別過(guò)程中具有重要鑒別價(jià)值，但因?yàn)橹参锘ü谳^短，有時(shí)無(wú)法在實(shí)習(xí)或平時(shí)觀察中看到。
為了彌補(bǔ)上述的不足，我們自主獨(dú)立開發(fā)了植物數(shù)字切片系統(tǒng)、天目山植物野外實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、主要植物的三維建模等 （ 圖 2） .首次將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于植物結(jié)構(gòu)觀察和植物識(shí)別鑒定教學(xué)。
2. 2 微生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)
傳統(tǒng)的微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在以下三方面的不足： ①常規(guī)制作的標(biāo)本片只有幾種細(xì)菌、真菌、放線菌，難以了解豐富的微生物種質(zhì)資源。②培養(yǎng)深海嗜熱微生物、水稻根際厭氧氨氧化古菌等一些極端微生物，需要模擬高熱、高壓等極端環(huán)境，課堂教學(xué)過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn)。③應(yīng)用微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)由于耗能大、周期長(zhǎng)、設(shè)備數(shù)量不足，很難完整開展課堂教學(xué)和保證每個(gè)學(xué)生的親自動(dòng)手操作，難以提高學(xué)生實(shí)踐技能、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力[12].
為了彌補(bǔ)上述的不足，我們建設(shè)了微生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái) （ 圖 3） ,注重微生物學(xué)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，形成基礎(chǔ)微生物學(xué)和應(yīng)用微生物學(xué) 2 個(gè)模塊、涵蓋 6 個(gè)主題的較為完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系，體現(xiàn)了多學(xué)科綜合與交叉的特征。
2. 3 生物化學(xué)與分子生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
傳統(tǒng)的生物化學(xué)和分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在以下三方面不足： ①實(shí)驗(yàn)對(duì)象非常微觀，實(shí)驗(yàn)操作的基本技能要求高。②實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比較枯燥，操作時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度大。③實(shí)驗(yàn)中使用的部分化學(xué)試劑毒性較強(qiáng)，且實(shí)驗(yàn)人數(shù)多，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)環(huán)境具有潛在的危險(xiǎn)性。為了彌補(bǔ)上述的不足，我們建設(shè)了生物化學(xué)與分子生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái) （ 圖 4） .平臺(tái)以各基本實(shí)驗(yàn)為中心，虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，模擬各種實(shí)驗(yàn)操作流程和外界實(shí)驗(yàn)條件因素，呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)對(duì)象、實(shí)驗(yàn)試劑和器材、實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)介、虛擬仿真實(shí)戰(zhàn)操作等方面的綜合，以完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)?zāi)康�，從而起到學(xué)習(xí)生物學(xué)相關(guān)基本實(shí)驗(yàn)技能的作用[13].
2. 4 動(dòng)物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)
動(dòng)物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有很多特殊性，如： ①大型動(dòng)物的形態(tài)結(jié)構(gòu)解剖觀察中，由于個(gè)體較大、數(shù)量不足，很難獲得較好的教學(xué)效果。②動(dòng)物某一形態(tài)建成的動(dòng)態(tài)過(guò)程 （ 如脊椎動(dòng)物牙齒的更新等） 也很難觀察到。③某些實(shí)驗(yàn)動(dòng)物存在安全疾病的隱患，如犬類存在狂犬病菌。④一些帶有危險(xiǎn)性、稀有的動(dòng)物資源 （ 如老虎、獅子等） ,學(xué)生接觸不到。⑤高等動(dòng)物的呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、血液消化系統(tǒng)等動(dòng)態(tài)過(guò)程，在解剖過(guò)程中無(wú)法觀察到。
鑒于以上的特殊性，我們建設(shè)了動(dòng)物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái) （ 圖 5） ,首次將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于動(dòng)物形態(tài)結(jié)構(gòu)觀察、天目山野生動(dòng)物實(shí)習(xí)教學(xué)中，達(dá)到系統(tǒng)學(xué)習(xí)動(dòng)物學(xué)基本技能的目的。
2. 5 大型儀器虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)
大型儀器設(shè)備是開展前沿生命科學(xué)研究的重要工具。近年來(lái)，本中心購(gòu)置了高分辨傅立葉變換軌道阱液質(zhì)聯(lián)用儀、轉(zhuǎn)盤式激光共聚焦、三重四極桿氣質(zhì)聯(lián)用儀、透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡等40 多臺(tái) （ 套） 大型精密儀器。目前，大型高值儀器均采用專業(yè)人員操作，學(xué)生觀看的教學(xué)模式。因大型儀器昂貴、數(shù)量、操作步驟復(fù)雜等客觀原因，學(xué)生不可能人手一臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，因此往往達(dá)不到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。針對(duì)目前存在的問(wèn)題，我們就最為常用且學(xué)生不易操作的大型儀器，建設(shè)了大型儀器虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng) （ 圖 6） .大型儀器虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)參數(shù)設(shè)置、實(shí)驗(yàn)流程等進(jìn)行可視化演示，完整的模擬了整個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器的操作過(guò)程，最終能夠模擬出相似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。學(xué)生在此虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上，可以完整的操作整個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器，從而達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。
3 結(jié) 語(yǔ)
自農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心成立以來(lái)，學(xué)校和學(xué)院給予了高度重視，教務(wù)處設(shè)立專項(xiàng)建設(shè)項(xiàng)目予以支持。在依托原省級(jí)示范中心 6 個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，改造建設(shè)了 5 個(gè)適用于數(shù)字化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)室，配備設(shè)備611 臺(tái) （ 套） ,設(shè)備價(jià)值 540 萬(wàn)元。服務(wù)于全校農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)類 9 個(gè)學(xué)院、25 個(gè)專業(yè)的近 6000 名本科生，開設(shè)生物學(xué)各類實(shí)驗(yàn)技術(shù)課程28 門，實(shí)驗(yàn)教學(xué)人時(shí)數(shù)達(dá) 25 萬(wàn)。
為了更好的進(jìn)行建設(shè)，中心制訂了 “農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心管理制度”,配備專職管理人員負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，信息更新，責(zé)任到崗。中心網(wǎng)站運(yùn)行保障的技術(shù)支撐是校園網(wǎng)技術(shù)部，從根本上保障了中心的高效運(yùn)行。將農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)成為高水平、高顯示度的綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，為培養(yǎng)創(chuàng)新性人才充分發(fā)揮作用.
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