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農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心管理平臺探析論文
虛擬仿真實驗教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實驗，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)虛擬仿真實驗教學(xué)中心依托省級生物學(xué)實驗教學(xué)示范中心進(jìn)行建設(shè)，秉持 “農(nóng)科教結(jié)合，虛實互補，綠色共享”的建設(shè)理念，將虛擬仿真實驗作為實體實驗的有益補充，突出最新生物學(xué)實驗技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，突破時空局限等限制，學(xué)生可以隨時隨地在虛擬環(huán)境中開展實驗活動，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實踐能力[3 ~5].
1 農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)的意義
生物學(xué)類實驗教學(xué)具有其特殊性，主要面臨以下 3 個方面的難題： 一是受實驗教學(xué)的時間、空間條件的限制。如在動植物物種資源的分類、鑒定及形態(tài)結(jié)構(gòu)的實驗教學(xué)中，由于種類多、分布廣，且生長發(fā)育具有很強的季節(jié)性，沒有實踐基礎(chǔ)，學(xué)生很難掌握，學(xué)習(xí)起來十分困難。二是受大型儀器數(shù)量、操作過程等條件的限制。隨著實驗技術(shù)和方法的不斷發(fā)展，實驗教學(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，不能做到每個學(xué)生都能上機操作，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)境等問題的限制。現(xiàn)在大部分生物學(xué)實驗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)、基因工程等實驗，具有高要求、高危害、高消耗的特點[6,7].另外，生物學(xué)實驗的實驗材料需要是新鮮的植物或活體動物，在實驗過程中還需使用有毒的化學(xué)試劑對實驗材料進(jìn)行處理，不利于生態(tài)環(huán)境的保護，且材料難取，同時還面臨檢疫和廢棄物處理等問題。
面臨以上種種困難，將虛擬仿真技術(shù)引入實驗教學(xué)，補充了實體實驗暫不具備的條件，完成了現(xiàn)有教學(xué)條件下無法完成的教學(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)工作打下堅實的基礎(chǔ)。
2 農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心管理平臺
農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心是 2014 年初首批獲得教育部批準(zhǔn)建設(shè)的國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心。目前已初步建成農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)信息管理平臺和相關(guān)虛擬仿真教學(xué)資源。管理平臺和虛擬教學(xué)資源是由我中心自主設(shè)計，委托軟件公司研發(fā)。目前，農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心包含植物學(xué)、動物學(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訓(xùn)系統(tǒng)五個虛擬仿真實驗教學(xué)平臺 （ 圖 1） .各平臺既相互獨立、自成一體，又能貫穿農(nóng)業(yè)生物學(xué)實驗技術(shù)的整個過程，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)虛擬仿真實驗平臺
植物學(xué)傳統(tǒng)實驗教學(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程，更觀察不到整個結(jié)構(gòu)變化過程，如植物根和莖的次生生長、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別過程中具有重要鑒別價值，但因為植物花果期較短，有時無法在實習(xí)或平時觀察中看到。
為了彌補上述的不足，我們自主獨立開發(fā)了植物數(shù)字切片系統(tǒng)、天目山植物野外實習(xí)虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)、主要植物的三維建模等 （ 圖 2） .首次將虛擬仿真實驗應(yīng)用于植物結(jié)構(gòu)觀察和植物識別鑒定教學(xué)。
2. 2 微生物學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺
傳統(tǒng)的微生物學(xué)實驗教學(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)過程中難以實現(xiàn)。③應(yīng)用微生物學(xué)實驗由于耗能大、周期長、設(shè)備數(shù)量不足，很難完整開展課堂教學(xué)和保證每個學(xué)生的親自動手操作，難以提高學(xué)生實踐技能、分析問題和解決問題的能力[12].
為了彌補上述的不足，我們建設(shè)了微生物學(xué)虛擬仿真實驗平臺 （ 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 個模塊、涵蓋 6 個主題的較為完善的實驗教學(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)虛擬仿真實驗平臺
傳統(tǒng)的生物化學(xué)和分子生物學(xué)實驗教學(xué)存在以下三方面不足： ①實驗對象非常微觀，實驗操作的基本技能要求高。②實驗內(nèi)容比較枯燥，操作時間長、強度大。③實驗中使用的部分化學(xué)試劑毒性較強，且實驗人數(shù)多，導(dǎo)致實驗環(huán)境具有潛在的危險性。為了彌補上述的不足，我們建設(shè)了生物化學(xué)與分子生物學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺 （ 圖 4） .平臺以各基本實驗為中心，虛擬實驗環(huán)境，模擬各種實驗操作流程和外界實驗條件因素，呈現(xiàn)實驗對象、實驗試劑和器材、實驗原理簡介、虛擬仿真實戰(zhàn)操作等方面的綜合，以完成各種預(yù)定的實驗?zāi)康�，從而起到學(xué)習(xí)生物學(xué)相關(guān)基本實驗技能的作用[13].
2. 4 動物學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺
動物學(xué)實驗教學(xué)具有很多特殊性，如： ①大型動物的形態(tài)結(jié)構(gòu)解剖觀察中，由于個體較大、數(shù)量不足，很難獲得較好的教學(xué)效果。②動物某一形態(tài)建成的動態(tài)過程 （ 如脊椎動物牙齒的更新等） 也很難觀察到。③某些實驗動物存在安全疾病的隱患，如犬類存在狂犬病菌。④一些帶有危險性、稀有的動物資源 （ 如老虎、獅子等） ,學(xué)生接觸不到。⑤高等動物的呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、血液消化系統(tǒng)等動態(tài)過程，在解剖過程中無法觀察到。
鑒于以上的特殊性，我們建設(shè)了動物學(xué)虛擬仿真實驗平臺 （ 圖 5） ,首次將虛擬仿真實驗應(yīng)用于動物形態(tài)結(jié)構(gòu)觀察、天目山野生動物實習(xí)教學(xué)中，達(dá)到系統(tǒng)學(xué)習(xí)動物學(xué)基本技能的目的。
2. 5 大型儀器虛擬仿真實訓(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，本中心購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 （ 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)生不可能人手一臺進(jìn)行實驗訓(xùn)練，因此往往達(dá)不到預(yù)期的實驗教學(xué)效果。針對目前存在的問題，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訓(xùn)系統(tǒng) （ 圖 6） .大型儀器虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，對參數(shù)設(shè)置、實驗流程等進(jìn)行可視化演示，完整的模擬了整個實驗儀器的操作過程，最終能夠模擬出相似的實驗結(jié)果。學(xué)生在此虛擬仿真實訓(xùn)平臺上，可以完整的操作整個實驗儀器，從而達(dá)到預(yù)期的實驗教學(xué)目的。
3 結(jié) 語
自農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心成立以來，學(xué)校和學(xué)院給予了高度重視，教務(wù)處設(shè)立專項建設(shè)項目予以支持。在依托原省級示范中心 6 個實驗教學(xué)平臺的基礎(chǔ)上，改造建設(shè)了 5 個適用于數(shù)字化虛擬仿真實驗教學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)化實驗室，配備設(shè)備611 臺 （ 套） ,設(shè)備價值 540 萬元。服務(wù)于全校農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)類 9 個學(xué)院、25 個專業(yè)的近 6000 名本科生，開設(shè)生物學(xué)各類實驗技術(shù)課程28 門，實驗教學(xué)人時數(shù)達(dá) 25 萬。
為了更好的進(jìn)行建設(shè)，中心制訂了 “農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實驗教學(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，信息更新，責(zé)任到崗。中心網(wǎng)站運行保障的技術(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行。將農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)成為高水平、高顯示度的綜合虛擬仿真實驗教學(xué)中心，為培養(yǎng)創(chuàng)新性人才充分發(fā)揮作用.
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