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农业生物学虚拟仿真实验教学中心管理平台探析

时间:2016-02-18 来源:未知 作者:小韩 本文字数:2936字

  虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术,构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象,学生在虚拟环境中开展实验,达到教学大纲所要求的教学效果[1,2].我校农业生物学虚拟仿真实验教学中心依托省级生物学实验教学示范中心进行建设,秉持 “农科教结合,虚实互补,绿色共享”的建设理念,将虚拟仿真实验作为实体实验的有益补充,突出最新生物学实验技术在农业上的应用,突破时空局限等限制,学生可以随时随地在虚拟环境中开展实验活动,提高学生的自主学习和实践能力[3 ~5].

  1 农业生物学虚拟仿真实验教学中心建设的意义

  生物学类实验教学具有其特殊性,主要面临以下 3 个方面的难题: 一是受实验教学的时间、空间条件的限制。如在动植物物种资源的分类、鉴定及形态结构的实验教学中,由于种类多、分布广,且生长发育具有很强的季节性,没有实践基础,学生很难掌握,学习起来十分困难。二是受大型仪器数量、操作过程等条件的限制。随着实验技术和方法的不断发展,实验教学中需使用一些大型仪器设备,如液质联用仪、激光共聚焦等,这些仪器由于购买成本很高、数量有限、构造和操作复杂,不能做到每个学生都能上机操作,而且学生也很难清晰了解仪器的内部构造及工作原理。三是受教学成本、资源消耗、污染环境等问题的限制。现在大部分生物学实验都采用了分子生物学手段,如蛋白质组学、细胞生物学、基因工程等实验,具有高要求、高危害、高消耗的特点[6,7].另外,生物学实验的实验材料需要是新鲜的植物或活体动物,在实验过程中还需使用有毒的化学试剂对实验材料进行处理,不利于生态环境的保护,且材料难取,同时还面临检疫和废弃物处理等问题。

  面临以上种种困难,将虚拟仿真技术引入实验教学,补充了实体实验暂不具备的条件,完成了现有教学条件下无法完成的教学功能,为后续专业课程的学习和从事生物学相关工作打下坚实的基础。【1】

  
  2 农业生物学虚拟仿真实验教学中心管理平台

  农业生物学虚拟仿真实验教学中心是 2014 年初首批获得教育部批准建设的国家级虚拟仿真实验教学中心。目前已初步建成农业生物学虚拟仿真实验教学信息管理平台和相关虚拟仿真教学资源。管理平台和虚拟教学资源是由我中心自主设计,委托软件公司研发。目前,农业生物学虚拟仿真实验教学中心包含植物学、动物学、微生物学、生物化学与分子生物学、大型仪器虚拟仿真实训系统五个虚拟仿真实验教学平台 ( 图 1) .各平台既相互独立、自成一体,又能贯穿农业生物学实验技术的整个过程,可根据我校农业与生命科学类各专业的不同要求进行灵活组合[8 ~11].

  2. 1 植物学虚拟仿真实验平台

  植物学传统实验教学主要存在以下三方面的不足: ①常规植物切片很难切到完整的过程,更观察不到整个结构变化过程,如植物根和茎的次生生长、花粉粒的萌发等。②受植物物种资源的地理分布和生境特征的制约,学生只能接触到本地区的有限农业植物资源。③植物花、果、种子等繁殖器官的特征在植物分科识别过程中具有重要鉴别价值,但因为植物花果期较短,有时无法在实习或平时观察中看到。

  为了弥补上述的不足,我们自主独立开发了植物数字切片系统、天目山植物野外实习虚拟仿真实训系统、主要植物的三维建模等 ( 图 2) .首次将虚拟仿真实验应用于植物结构观察和植物识别鉴定教学。
  
  2. 2 微生物学虚拟仿真实验教学平台

  传统的微生物学实验教学存在以下三方面的不足: ①常规制作的标本片只有几种细菌、真菌、放线菌,难以了解丰富的微生物种质资源。②培养深海嗜热微生物、水稻根际厌氧氨氧化古菌等一些极端微生物,需要模拟高热、高压等极端环境,课堂教学过程中难以实现。③应用微生物学实验由于耗能大、周期长、设备数量不足,很难完整开展课堂教学和保证每个学生的亲自动手操作,难以提高学生实践技能、分析问题和解决问题的能力[12].

  为了弥补上述的不足,我们建设了微生物学虚拟仿真实验平台 ( 图 3) ,注重微生物学在农业领域的应用,形成基础微生物学和应用微生物学 2 个模块、涵盖 6 个主题的较为完善的实验教学新体系,体现了多学科综合与交叉的特征。

  2. 3 生物化学与分子生物学虚拟仿真实验平台

  传统的生物化学和分子生物学实验教学存在以下三方面不足: ①实验对象非常微观,实验操作的基本技能要求高。②实验内容比较枯燥,操作时间长、强度大。③实验中使用的部分化学试剂毒性较强,且实验人数多,导致实验环境具有潜在的危险性。为了弥补上述的不足,我们建设了生物化学与分子生物学虚拟仿真实验教学平台 ( 图 4) .平台以各基本实验为中心,虚拟实验环境,模拟各种实验操作流程和外界实验条件因素,呈现实验对象、实验试剂和器材、实验原理简介、虚拟仿真实战操作等方面的综合,以完成各种预定的实验目的,从而起到学习生物学相关基本实验技能的作用[13].
  
  2. 4 动物学虚拟仿真实验教学平台

  动物学实验教学具有很多特殊性,如: ①大型动物的形态结构解剖观察中,由于个体较大、数量不足,很难获得较好的教学效果。②动物某一形态建成的动态过程 ( 如脊椎动物牙齿的更新等) 也很难观察到。③某些实验动物存在安全疾病的隐患,如犬类存在狂犬病菌。④一些带有危险性、稀有的动物资源 ( 如老虎、狮子等) ,学生接触不到。⑤高等动物的呼吸系统、消化系统、血液消化系统等动态过程,在解剖过程中无法观察到。

  鉴于以上的特殊性,我们建设了动物学虚拟仿真实验平台 ( 图 5) ,首次将虚拟仿真实验应用于动物形态结构观察、天目山野生动物实习教学中,达到系统学习动物学基本技能的目的。

  2. 5 大型仪器虚拟仿真实训系统

  大型仪器设备是开展前沿生命科学研究的重要工具。近年来,本中心购置了高分辨傅立叶变换轨道阱液质联用仪、转盘式激光共聚焦、三重四极杆气质联用仪、透射电子显微镜、扫描电子显微镜等40 多台 ( 套) 大型精密仪器。目前,大型高值仪器均采用专业人员操作,学生观看的教学模式。因大型仪器昂贵、数量、操作步骤复杂等客观原因,学生不可能人手一台进行实验训练,因此往往达不到预期的实验教学效果。针对目前存在的问题,我们就最为常用且学生不易操作的大型仪器,建设了大型仪器虚拟仿真实训系统 ( 图 6) .大型仪器虚拟仿真实训系统采用虚拟现实技术,对参数设置、实验流程等进行可视化演示,完整的模拟了整个实验仪器的操作过程,最终能够模拟出相似的实验结果。学生在此虚拟仿真实训平台上,可以完整的操作整个实验仪器,从而达到预期的实验教学目的。
  
  3 结 语

  自农业生物学虚拟仿真实验教学中心成立以来,学校和学院给予了高度重视,教务处设立专项建设项目予以支持。在依托原省级示范中心 6 个实验教学平台的基础上,改造建设了 5 个适用于数字化虚拟仿真实验教学的标准化实验室,配备设备611 台 ( 套) ,设备价值 540 万元。服务于全校农业与生命科学类 9 个学院、25 个专业的近 6000 名本科生,开设生物学各类实验技术课程28 门,实验教学人时数达 25 万。

  为了更好的进行建设,中心制订了 “农业生物学虚拟仿真实验教学中心管理制度”,配备专职管理人员负责网络维护,信息更新,责任到岗。中心网站运行保障的技术支撑是校园网技术部,从根本上保障了中心的高效运行。将农业生物学虚拟仿真实验教学中心建设成为高水平、高显示度的综合虚拟仿真实验教学中心,为培养创新性人才充分发挥作用.

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