虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是指將虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫與信息學(xué)、網(wǎng)絡(luò)通信、實(shí)時(shí)仿真等技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室和環(huán)境的數(shù)字化與虛擬化，為實(shí)驗(yàn)課程提供全新的教學(xué)科研環(huán)境和虛擬場所。

       武漢虛擬仿真是原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要補(bǔ)充和拓展，能有效完善生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和提升實(shí)踐人才的培養(yǎng)，為線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，是信息化時(shí)代高等教育發(fā)展的重要內(nèi)容之一。

1　生物學(xué)虛擬仿真技術(shù)平臺(tái)

　　生物學(xué)武漢虛擬仿真技術(shù)平臺(tái)主要包括安全教育模塊、儀器設(shè)備模塊、實(shí)驗(yàn)技術(shù)模塊等。我們的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)具有自己的特色和優(yōu)勢，既有基礎(chǔ)訓(xùn)練如安全教育模塊及儀器設(shè)備模塊，又有能力提升模塊如實(shí)驗(yàn)技術(shù)模塊及科研創(chuàng)新模塊，還有拓展訓(xùn)練模塊如野外實(shí)習(xí)模塊等，系統(tǒng)全面，循序漸進(jìn)，層層深入。通過安全教育模塊，學(xué)生主要了解實(shí)驗(yàn)室日常要求和規(guī)范、常用危險(xiǎn)化學(xué)試劑的使用、廢棄物分類及處置、實(shí)驗(yàn)室日常安全防護(hù)措施、個(gè)人安全防護(hù)及意外事故處理方法、生物安全管理、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物操作及安全等方面的內(nèi)容。

       學(xué)生學(xué)完后可以進(jìn)行線上測試以檢測自身學(xué)習(xí)情況，提高生物安全意識(shí)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室管理和個(gè)人防護(hù)，降低實(shí)驗(yàn)過程中水、火、電、毒、腐等安全風(fēng)險(xiǎn)，確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安全性。在儀器設(shè)備模塊，學(xué)生可以反復(fù)虛擬操作練習(xí)實(shí)驗(yàn)室里大型儀器設(shè)備如高速冷凍離心機(jī)，常用設(shè)備如超凈工作臺(tái)、酸度計(jì)、天平、恒溫?fù)u床等，掌握這些儀器設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)組成、操作方法、操作要點(diǎn)等，利用考核測試系統(tǒng)檢測自己的學(xué)習(xí)效果。這樣學(xué)生對常用儀器設(shè)備有了全面直觀的認(rèn)識(shí)和了解，增加了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的趣味性，保證了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的完整性和實(shí)效性。在實(shí)驗(yàn)技術(shù)模塊，學(xué)生可以不受時(shí)空限制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)掌握常用電泳技術(shù)、蛋白質(zhì)分離純化及核酸研究技術(shù)、無菌操作技術(shù)、固體平板制作、接種、平板劃線等技術(shù)原理、步驟、主要要點(diǎn)及注意事項(xiàng)等。結(jié)合線下實(shí)際操作，學(xué)生熟練綜合運(yùn)用各項(xiàng)技術(shù)，降低了實(shí)驗(yàn)器材及試劑等的消耗，保證了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的持續(xù)性。

2　虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

2.1　在生物化學(xué)與分子生物學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中的應(yīng)用

　　實(shí)驗(yàn)課程是生物學(xué)專業(yè)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、提高實(shí)踐能力的必不可少的環(huán)節(jié)。武漢虛擬仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用在生物學(xué)專業(yè)的多門實(shí)驗(yàn)課程中，采用混合式教學(xué)方式。首先，將建設(shè)好的生化分子虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如分子篩層析、瓊脂糖凝膠電泳、多克隆抗體制備及其效價(jià)檢測等嵌入生物化學(xué)與分子生物學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，采用翻轉(zhuǎn)課堂的形式開展線上線下混合式教學(xué)，將相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)和教學(xué)資源放在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)和SPOC平臺(tái)，以供學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

       課前，學(xué)生登錄平臺(tái)認(rèn)真觀看錄制好的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻，在SPOC論壇和線上討論群積極回答問題，參與課堂互動(dòng)討論。其次，學(xué)生進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，通過虛擬操作的方式反復(fù)操作練習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)步驟，掌握關(guān)鍵操作要點(diǎn)，完成實(shí)驗(yàn)過程。

       最后，在線下課堂教學(xué)中學(xué)生進(jìn)行實(shí)體實(shí)驗(yàn)操作，課后學(xué)生可以再次進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。特別是對于分子篩層析這樣耗時(shí)、精細(xì)、復(fù)雜的綜合性實(shí)驗(yàn)，需要裝柱、平衡、上樣、洗雜、洗脫、再生、平衡等多個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟，利用虛擬仿真技術(shù)讓學(xué)生有了可視化的沉浸式的虛擬操作練習(xí)，對這些實(shí)驗(yàn)技術(shù)有了全面的理解和掌握，減少其在線下實(shí)體實(shí)驗(yàn)中總是反復(fù)重裝層析柱等操作，提高了線下實(shí)驗(yàn)的課堂效率和實(shí)驗(yàn)成功率。虛擬操作配合微信群答疑互動(dòng)，結(jié)合線下實(shí)際操作，虛實(shí)結(jié)合的新穎實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高了學(xué)習(xí)效率和教學(xué)質(zhì)量。

2.2　在其他實(shí)驗(yàn)課程中的應(yīng)用

　　筆者將革蘭氏染色技術(shù)和微生物接種技術(shù)等用于微生物實(shí)驗(yàn)課程，利用武漢虛擬仿真技術(shù)展示細(xì)菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)和細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)變化，并提供學(xué)生可反復(fù)練習(xí)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作流程。將果蠅唾腺染色體標(biāo)本制作虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)用在發(fā)育生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中，徒手切片技術(shù)應(yīng)用在植物生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中，家兔心血管系統(tǒng)操作模型、家兔腦皮層定位、蛙心心電圖測定等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)用在生理學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中，細(xì)胞原代培養(yǎng)及傳代培養(yǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)用在細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中。將森林群落物質(zhì)多樣性測定、植物識(shí)別、植被的垂直分布、鳥類多樣性調(diào)查等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目用于普通生物學(xué)實(shí)驗(yàn)和野外實(shí)習(xí)。這些項(xiàng)目極大地增強(qiáng)了課程內(nèi)容的多樣性、趣味性和可視化，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性，拓寬了學(xué)生視野。

2.3　在生物實(shí)驗(yàn)儀器中的應(yīng)用

　　利用生物學(xué)實(shí)驗(yàn)相關(guān)儀器如已建設(shè)完成的3D高速冷凍離心機(jī)、3D高壓滅菌鍋、2D天平、酸度計(jì)、超凈工作臺(tái)、臺(tái)式離心機(jī)、移液器等進(jìn)行虛擬仿真，讓學(xué)生了解其基本結(jié)構(gòu)、操作原理、使用方法、注意事項(xiàng)，并用于多門實(shí)驗(yàn)課程，如生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)、分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)、發(fā)育生物學(xué)實(shí)驗(yàn)、微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)等。線上教學(xué)中，學(xué)生能夠模擬練習(xí)儀器操作，通過生動(dòng)形象的展示更深刻地理解和掌握儀器正確的使用方法與技巧、操作規(guī)程及其注意事項(xiàng)等，為線下實(shí)體實(shí)驗(yàn)操作節(jié)省了時(shí)間，提升了課堂效率，減少了因線下實(shí)驗(yàn)操作不當(dāng)而引起對儀器的損耗。

3　虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源應(yīng)用成效

　　調(diào)查結(jié)果顯示，學(xué)生對線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源整體比較滿意，絕大部分學(xué)生認(rèn)為虛擬視頻制作質(zhì)量高，虛擬操作難度合適，愿意在線上進(jìn)行虛擬操作練習(xí)和實(shí)踐。特別是虛擬操作可增強(qiáng)學(xué)生對大型精密儀器的實(shí)景模擬體驗(yàn)，能夠加強(qiáng)其對儀器設(shè)備關(guān)鍵操作方法和步驟的理解。其中，83%的學(xué)生認(rèn)為進(jìn)行虛擬操作練習(xí)后對實(shí)驗(yàn)操作有幫助和提高，90%的學(xué)生認(rèn)為虛擬操作有助于加深對實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)的理解，84%的學(xué)生認(rèn)為對提高線下實(shí)驗(yàn)成功率有幫助。因此，生物化學(xué)與分子生物學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中嵌入武漢虛擬仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和線下實(shí)驗(yàn)操作有積極的促進(jìn)作用。學(xué)生普遍認(rèn)為，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以在線上反復(fù)操作練習(xí)，對于提高自學(xué)能力、實(shí)踐動(dòng)手能力、解決實(shí)際問題能力都有正向的促進(jìn)作用，特別是虛實(shí)結(jié)合的混合式教學(xué)方式帶來了不一樣的體驗(yàn)和幸福感。但同時(shí)線上虛擬操作與實(shí)際操作畢竟不同，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)仍有待改進(jìn)與提高，如需進(jìn)一步豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提升學(xué)生的沉浸感，擴(kuò)大虛擬操作范圍，提高拓展性。

4　結(jié)語

　　借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)共享虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、虛擬操作儀器設(shè)備，不受時(shí)間和地域的限制，使虛擬仿真與實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作相互補(bǔ)充，促進(jìn)虛擬仿真技術(shù)與生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的深度融合，有利于探索虛實(shí)互補(bǔ)的新穎實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。通過武漢虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和形式，解決了疫情防控期間無法開展實(shí)體實(shí)驗(yàn)的難題，拓展了實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，取得了良好的教學(xué)效果。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和線上教學(xué)的持續(xù)深入開展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將在科研、教學(xué)等方面發(fā)揮更重要的作用。