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農業生物學虛擬仿真實驗教學中心管理平臺探析

時間:2016-02-18 來源:未知 作者:小韓 本文字數:2936字

  虛擬仿真實驗教學依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術,構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象,學生在虛擬環境中開展實驗,達到教學大綱所要求的教學效果[1,2].我校農業生物學虛擬仿真實驗教學中心依托省級生物學實驗教學示范中心進行建設,秉持 “農科教結合,虛實互補,綠色共享”的建設理念,將虛擬仿真實驗作為實體實驗的有益補充,突出最新生物學實驗技術在農業上的應用,突破時空局限等限制,學生可以隨時隨地在虛擬環境中開展實驗活動,提高學生的自主學習和實踐能力[3 ~5].

  1 農業生物學虛擬仿真實驗教學中心建設的意義

  生物學類實驗教學具有其特殊性,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、鑒定及形態結構的實驗教學中,由于種類多、分布廣,且生長發育具有很強的季節性,沒有實踐基礎,學生很難掌握,學習起來十分困難。二是受大型儀器數量、操作過程等條件的限制。隨著實驗技術和方法的不斷發展,實驗教學中需使用一些大型儀器設備,如液質聯用儀、激光共聚焦等,這些儀器由于購買成本很高、數量有限、構造和操作復雜,不能做到每個學生都能上機操作,而且學生也很難清晰了解儀器的內部構造及工作原理。三是受教學成本、資源消耗、污染環境等問題的限制。現在大部分生物學實驗都采用了分子生物學手段,如蛋白質組學、細胞生物學、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試劑對實驗材料進行處理,不利于生態環境的保護,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,將虛擬仿真技術引入實驗教學,補充了實體實驗暫不具備的條件,完成了現有教學條件下無法完成的教學功能,為后續專業課程的學習和從事生物學相關工作打下堅實的基礎。【1】

  
  2 農業生物學虛擬仿真實驗教學中心管理平臺

  農業生物學虛擬仿真實驗教學中心是 2014 年初首批獲得教育部批準建設的國家級虛擬仿真實驗教學中心。目前已初步建成農業生物學虛擬仿真實驗教學信息管理平臺和相關虛擬仿真教學資源。管理平臺和虛擬教學資源是由我中心自主設計,委托軟件公司研發。目前,農業生物學虛擬仿真實驗教學中心包含植物學、動物學、微生物學、生物化學與分子生物學、大型儀器虛擬仿真實訓系統五個虛擬仿真實驗教學平臺 ( 圖 1) .各平臺既相互獨立、自成一體,又能貫穿農業生物學實驗技術的整個過程,可根據我校農業與生命科學類各專業的不同要求進行靈活組合[8 ~11].

  2. 1 植物學虛擬仿真實驗平臺

  植物學傳統實驗教學主要存在以下三方面的不足: ①常規植物切片很難切到完整的過程,更觀察不到整個結構變化過程,如植物根和莖的次生生長、花粉粒的萌發等。②受植物物種資源的地理分布和生境特征的制約,學生只能接觸到本地區的有限農業植物資源。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,我們自主獨立開發了植物數字切片系統、天目山植物野外實習虛擬仿真實訓系統、主要植物的三維建模等 ( 圖 2) .首次將虛擬仿真實驗應用于植物結構觀察和植物識別鑒定教學。
  
  2. 2 微生物學虛擬仿真實驗教學平臺

  傳統的微生物學實驗教學存在以下三方面的不足: ①常規制作的標本片只有幾種細菌、真菌、放線菌,難以了解豐富的微生物種質資源。②培養深海嗜熱微生物、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、高壓等極端環境,課堂教學過程中難以實現。③應用微生物學實驗由于耗能大、周期長、設備數量不足,很難完整開展課堂教學和保證每個學生的親自動手操作,難以提高學生實踐技能、分析問題和解決問題的能力[12].

  為了彌補上述的不足,我們建設了微生物學虛擬仿真實驗平臺 ( 圖 3) ,注重微生物學在農業領域的應用,形成基礎微生物學和應用微生物學 2 個模塊、涵蓋 6 個主題的較為完善的實驗教學新體系,體現了多學科綜合與交叉的特征。

  2. 3 生物化學與分子生物學虛擬仿真實驗平臺

  傳統的生物化學和分子生物學實驗教學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實驗內容比較枯燥,操作時間長、強度大。③實驗中使用的部分化學試劑毒性較強,且實驗人數多,導致實驗環境具有潛在的危險性。為了彌補上述的不足,我們建設了生物化學與分子生物學虛擬仿真實驗教學平臺 ( 圖 4) .平臺以各基本實驗為中心,虛擬實驗環境,模擬各種實驗操作流程和外界實驗條件因素,呈現實驗對象、實驗試劑和器材、實驗原理簡介、虛擬仿真實戰操作等方面的綜合,以完成各種預定的實驗目的,從而起到學習生物學相關基本實驗技能的作用[13].
  
  2. 4 動物學虛擬仿真實驗教學平臺

  動物學實驗教學具有很多特殊性,如: ①大型動物的形態結構解剖觀察中,由于個體較大、數量不足,很難獲得較好的教學效果。②動物某一形態建成的動態過程 ( 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) ,學生接觸不到。⑤高等動物的呼吸系統、消化系統、血液消化系統等動態過程,在解剖過程中無法觀察到。

  鑒于以上的特殊性,我們建設了動物學虛擬仿真實驗平臺 ( 圖 5) ,首次將虛擬仿真實驗應用于動物形態結構觀察、天目山野生動物實習教學中,達到系統學習動物學基本技能的目的。

  2. 5 大型儀器虛擬仿真實訓系統

  大型儀器設備是開展前沿生命科學研究的重要工具。近年來,本中心購置了高分辨傅立葉變換軌道阱液質聯用儀、轉盤式激光共聚焦、三重四極桿氣質聯用儀、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人員操作,學生觀看的教學模式。因大型儀器昂貴、數量、操作步驟復雜等客觀原因,學生不可能人手一臺進行實驗訓練,因此往往達不到預期的實驗教學效果。針對目前存在的問題,我們就最為常用且學生不易操作的大型儀器,建設了大型儀器虛擬仿真實訓系統 ( 圖 6) .大型儀器虛擬仿真實訓系統采用虛擬現實技術,對參數設置、實驗流程等進行可視化演示,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果。學生在此虛擬仿真實訓平臺上,可以完整的操作整個實驗儀器,從而達到預期的實驗教學目的。
  
  3 結 語

  自農業生物學虛擬仿真實驗教學中心成立以來,學校和學院給予了高度重視,教務處設立專項建設項目予以支持。在依托原省級示范中心 6 個實驗教學平臺的基礎上,改造建設了 5 個適用于數字化虛擬仿真實驗教學的標準化實驗室,配備設備611 臺 ( 套) ,設備價值 540 萬元。服務于全校農業與生命科學類 9 個學院、25 個專業的近 6000 名本科生,開設生物學各類實驗技術課程28 門,實驗教學人時數達 25 萬。

  為了更好的進行建設,中心制訂了 “農業生物學虛擬仿真實驗教學中心管理制度”,配備專職管理人員負責網絡維護,信息更新,責任到崗。中心網站運行保障的技術支撐是校園網技術部,從根本上保障了中心的高效運行。將農業生物學虛擬仿真實驗教學中心建設成為高水平、高顯示度的綜合虛擬仿真實驗教學中心,為培養創新性人才充分發揮作用.

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