非双一流院校生科类专业开设虚拟仿真实验教学必要性的探讨

发布时间：2021-03-12

　　摘要：生命科学是以实验为基础的科学，因此生命科学类(生科类)专业课程设置中实验量非常大。进入21世纪以来，生命科学突飞猛进，实验技术日新月异，新型仪器设备层出不穷。为了紧跟时代发展，高校不得不斥巨资引进仪器设备与人才。但是许多非双一流高校由于办学条件有限，使得仪器设备的缺乏等问题成了生科类专业发展的短板。虚拟仿真实验借助计算机软件模拟仪器设备的运行，让学生与教师摆脱了实验设备的束缚。因此，虚拟仿真实验将让学生紧跟科技发展的潮流，并将促进高校生科类专业的发展。

　　关键词：生命科学;虚拟仿真实验;高校发展

　　为建设世界一流大学和一流学科，国家提出了“双一流”高校的概念。我国建设世界一流大学和一流学科政策，是党中央、国务院作出的重大战略决策。该决策的制定为助推我国建设中国特色、世界一流的大学和学科提供有力支撑[1]。首批双一流建设高校共计137所。这些高校享受了国家的特殊政策，办学经费充裕。但是，根据2019年教育部网站数据显示，全国高等学校共计2956所，因此非双一流高校就多达2800多所，它们构成了中国高等教育的主体。

　　生命科学类专业(简称生科类专业)包括了生物科学、生物技术、生物工程等专业。生科专业是在数学、物理、化学等学科的基础上发展起来的，从诞生之初便被人称为“金字塔尖上的科学”[2]。这个定位就注定了这个学科的发展将会非常“昂贵”。由于生命科学是一门实验科学，所以生科类专业需要开设许多实验，但是由于办学条件的原因，许多非双一流院校在开设实验课程时会有许多的局限。

　　1开展实验课程的局限性

　　开展实验课程教学需要实验场地、仪器设备，以及熟悉仪器原理与实验操作的实验教师。这三方面中的任何一方面出现短板，实验教学都将无法正常开展。

　　1.1实验场地的局限性

　　生科类专业在许多非双一流高校都是小专业，实验室场地有限，没有足够的空间安放实验设备并容纳数量众多的本科生开展实验。比如就生科类的基础课程《细胞生物学》课程而言，其配套的实验课程《细胞生物学实验》要求学生们掌握动物细胞的培养方法。动物细胞的培养实验需要在无菌的细胞培养室内进行操作，而标准的一个动物细胞培养室至少包括一间准备室，一间缓冲室，一间培养室，总共3个房间。但是一个标准的动物细胞培养室只能同时容纳不到10名学生开展实验。如果一个学校生科类专业本科生有几百人，要想学生都学好《细胞生物学实验》这门课程，那么对于动物细胞培养室的需求将相当大。而许多非双一流高校将无法满足实验场地的需求。

　　1.2仪器设备的局限性

　　由于生命科学的发展，生科类专业的实验再也不是认识认识动植物，或者用几百块钱的显微镜观察一下动植物切片那么简单了。比如对于显微镜的使用而言，学生们不仅要学习用几百元的显微镜观察动植物切片，还得学习用价格十几万的荧光显微镜，甚至价格两三百万的电子显微镜或激光共聚焦显微镜来观察细胞结构。这还仅仅是细胞观察方面的实验，整个生科类的实验加起来仪器设备的单价至少几千万，另外还有高昂的维护成本。由于价格的原因，对于非双一流院校来说，仪器设备的局限性显而易见。

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　　1.3实验教师的局限性

　　纵观全球，从上世纪末至今，生命科学领域迅猛发展，该领域的论文数量呈指数级增长。在这种知识大爆炸的背景下，生命科学领域的实验技术也在快速地更新。比如对基因研究而言，由于国内以华大基因研究院为主的基因公司的快速崛起，我国基因研究从分析单个基因的序列，发展到分析生物的整个基因组序列，再发展到分析单个细胞的整个基因组序列。令人惊讶的是，这个过度发生在短短的数年内。实验技术的快速发展让高校手忙脚乱、应接不暇。为了赶上时代发展的脚步，为了高校高层次人才队伍的建设，高校不得不高薪聘请海归或国内名牌大学毕业的博士[3]。这也将为非双一流高校带来财务上的负担。由于办学经费的局限，实验教师的局限性也不可避免。

　　2开展虚拟仿真实验的优势

　　进入本世纪以来，人工智能高速发展，新一代人工智能技术预示着“第四次工业革命”即将到来。2018年，教育部出台《高等学校人工智能创新行动计划》、《教育信息化2.0行动计划》，高校应该积极把握住人工智能发展的机遇，将其与教育深度融合[4]。虚拟仿真实验便是人工智能的产物，虚拟仿真实验是指将整个实验设计成一个软件，学生们可以使用个人电脑通过在线或者单机的方式使用该软件，从而在虚拟的状态先完成实验操作[5]。整个软件里对于实验目的、原理、方法都有详细的阐述。学生可以像玩游戏一样操作虚拟的仪器设备来完成实验。只要学生会基本的电脑操作，虚拟仿真实验便可以开展，因此该类实验具有明显的优势。由于其独特的优势，我国与西方国家都对虚拟仿真实验的开发与应用投入了大量人力物力[6，7]。虚拟仿真实验的应用可以节约实验场所与费用，提高教学效率，并确保学生紧跟时代前沿。

　　2.1节约实验场所

　　本科生通过使用个人电脑在学校宿舍、机房，甚至在家便可完成。这大大减少了学生对实验室的需求，学校可以将有限的实验室进行更加有效的利用。

　　2.2节约仪器购买与维护费用

　　许多涉及昂贵仪器的生科类实验在网上都有相应的在线虚拟仿真实验软件，比如我国依托高等教育电子音像出版社有限公司创立了国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台。该平台上就包含了并不限于生科类专业的各种虚拟仿真实验，并且该平台的使用是免费的。如果教师使用这类平台对本科生进行教学，将大大节约学校购买与维护仪器设备的费用。

　　2.3提高教学效率

　　在实验教学的过程中有一个问题一直很难解决，那就是许多昂贵的仪器设备的操作一次只能让两三个学生上手进行操作。而这类实验如果面向人数众多的本科生势必会导致实验课程进展非常缓慢，严重影响学生学习积极性。另外，如果让大量本科生不停地反复使用仪器设备，会大大缩短仪器设备的使用寿命。如果使用虚拟仿真实验，一名实验教师可以同时面向几十名学生进行教学，大大提高教学效率[8]。

　　2.4紧跟科研前沿

　　生命科学发展突飞猛进，让学生紧跟时代潮流是各个高校不可推卸的责任。当科学界出现了一种新技术后，高校可以立刻针对性地设计虚拟仿真实验软件并及时地进行教学。这免除了购买仪器设备的繁琐而漫长的等待过程，让本科生能学习到学科前沿的技术，从而对学科发展拥有更加敏锐的嗅觉。

　　3总结

　　当今生命科学飞速发展，其实验技术日新月异，许多非双一流高校由于办学规模的原因很难在人力和物力上进行大规模的投入，以达到实验设备、实验技术上紧跟时代的发展。虚拟仿真实验利用互联网与计算机技术完美的解决了这一问题，使得学生更好地紧跟科技的发展。但是虚拟仿真实验也有其局限性，那就是即便在电脑软件上操作上一百次，到真正使用仪器设备的时候依然可能会有各种问题发生。因此，高校生科类实验教学要把握好度，要将传统实验与虚拟仿真实验有机地结合起来，做到虚实结合。相信虚拟仿真实验将会在高校地生科类实验教学中发挥越来越重要地作用。——论文作者：黄洋，靳辉∗