獨立學院生物工程專業虛擬仿真實踐教學體系的建設與研究

謝愛娣

（湖北工業大學工程技術學院，湖北 武漢）

一 引言

2019年8月28日,教育部高教司吳巖司長在《嚴起來 難起來 實起來 忙起來 把本科教育質量實實在在提起來》的報告中，明確提出要精準把握高等教育發展大勢，超前識變、積極應變、主動求變；強調高等教育要通過一系列行動，把本科教育質量實實在在提起來。吳巖司長指出，虛擬仿真實驗課程建設已經闖出一條新路，網上做實驗、虛擬做真實驗破解了“做不了、做不好、做不到、做不上”的難題。2021年11月27日，在全國慕課教育創新大會暨高校在線開放課程聯盟聯席會上吳巖司長做了題為《抓好新基建 邁向高質量——大力推動慕課與在線教學創新發展》的主旨報告。他指出，慕課與在線教學要謀大局，聚焦高質量發展目標，以新一代信息技術推動教育質量提升。要識變局，充分認識當前在線教學呈現出的地位不斷提高、技術迭代升級、資源加速共享、管理日益完善的四個變化。讓國家一流在線課程共享實起來，把技術用起來，充分共建共享，構建時時、處處、人人皆可學的教育生態。這些都為獨立學院開展實踐教學，提升應用型人才培養質量指明了路徑。

二 國家虛擬實驗平臺建設現狀

2017年，在高校實驗教學改革及實驗教學項目信息化建設的基礎上，教育部著力部署開展國家級虛擬仿真實驗教學項目的建設工作，計劃在2017-2020年認定涵蓋60個專業類的1000門國家虛擬仿真實驗教學項目[1]。2019年，教育部發布《關于一流本科課程建設的實施意見》（教高〔2019〕8號），正式將國家虛擬仿真實驗教學項目建設列入一流本科課程建設。經過這幾年的建設，實驗空間平臺已經上線3000多門虛擬仿真實驗課程，全部面向社會免費開放，其中被認定為“國家虛擬仿真實驗教學一流課程”的項目達到728門，它們覆蓋了41個專業類，255個專業[2]。

三 獨立學院的人才培養目標、現狀及困境

湖北工業大學工程技術學院，是2002年由湖北工業大學舉辦，經國家教育部批準獨立設置的全日制普通高等學校。學院明確提出辦“應用型大學”的辦學定位，秉持“育人為本、質量立校、產教融合、特色發展”的辦學理念，鍛鑄“明德明志 力新力行”的校訓精神，以培養本科層次的高素質應用型人才為主，積極推進“4321”人才培養模式，構建“專業核心+職業核心”的雙核心能力人才培養體系，探索發展產教融合和創新創業教育特色的辦學新路。學院的生物工程專業旨在培養德、智、體、美、勞全面發展，掌握生物工程產品生產的基本理論，具備生物學與工程學方面的基本技能，具備較高職業素養與較強生物工程應用技術實踐能力，能從事生物工程產品的生產、工藝設計、生產管理、技術創新研究、產品開發、分析檢測及質量監控等工作，具有創新精神和發展潛力的高素質應用型人才。生物工程專業采用“理論+實踐+科研+競賽”多維協同育人模式，圍繞專業特色，專注學生實踐及綜合能力的培養。生物工程專業被列為湖北省普通高等學校戰略性新興（支柱）產業人才培養計劃專業、學院優勢專業及轉型試點專業，并與武漢新華揚生物股份有限公司共建省級實習實訓基地，共享湖北工業大學的師資和實驗室資源。學院自建有生物制品研究所，產品分析測試實驗室、發酵實驗室，現有3個虛擬仿真實驗室：青霉素發酵仿真實驗室、大型儀器分析仿真實驗室、化工原理仿真實驗室。生物工程專業利用產品分析測試實驗室、發酵實驗室開展專業實驗、實訓及學生課外科研活動，完成了《葡萄酒釀造實訓》《專業技能培訓》等課程的教學，開展《膳食功能小食品研發》《液態法白酒釀造工藝研究》《發酵法生產白酒風味物質》《超低度白酒生產工藝研究》《板栗醬油》《功能性桑葉茶》等創新項目的研究。然而，與一流高校、公辦院校相比，獨立學院普遍存在起步晚，底子薄，經費短缺，場地硬件設施不足等問題，在一流課程建設中顯得心有余而力不足。

四 獨立學院學生實踐能力培養的解決方案

（一） 能實不虛，虛實結合

實驗室是高等學校開展實驗教學和科學研究的重要場所。實驗室的建設是高?；窘ㄔO的重要內容，直接關乎人才培養質量，它不僅是學生應用型能力培養的重要基地和重要平臺保障，而且能凸顯高校的實踐教學特色、人才培養的特點，同時直接反映出教學質量水平。當前高等院校普遍面臨招生人數大幅增加，導致實驗場地不足，難以新建擴建實驗室來適應專業發展需求。實驗教學的發展由于實驗教學經費緊張，實驗設備臺套數不匹配、更新滯后等問題舉步維艱。

現代化信息技術的飛速發展極大地促進了高等教育教學的改革。高校實驗教學模式呈現出多元化發展。虛擬仿真實驗是一種基于Web技術、虛擬現實技術（VR）構建的開放式網絡化的教學系統，它將學科專業知識及其應用技術與信息化技術進行深度融合，已經成為高等教育信息化建設以及實驗教學創新發展的重要內容[3]。隨著信息化技術的不斷進步，虛擬仿真技術越發成熟，虛擬仿真實驗已經廣泛應用于各種科學研究，并且成為高校實驗教學極為重要的組成部分。我國教育部從信息化教育的戰略高度充分肯定了虛擬仿真實驗教學的重要地位和作用。虛擬實驗教學是應用型人才培養的重要手段。相較于傳統的實驗教學模式，虛擬仿真實驗教學具有成本低、開放性、共享性、安全性、生動性、直觀性和可再現性等特點，有利于高校實驗教學模式的改革，為高校實驗教學瓶頸的突破提供了新的解決方案[4-6]。虛擬實驗教學已經成為高校學生應用型能力培養的重要補充，“能實不虛，虛實結合”的實驗教學模式得到了廣泛應用[7-8]。

（二） 自建和共享結合

近年來，我國虛擬仿真實驗教學中心的建設已經取得了令人矚目的成績，目前已有300 個國家級虛擬仿真實驗教學中心獲批（主要集中在部屬高校、“985”“211”等重點高校），國家虛擬仿真實驗教學中心聚集了先進的教學資源，建設了完善的平臺和管理體系，覆蓋的學科方向涉及各門各類，為我國高校實驗教學的信息化建設打下堅實的基礎。相比之下，地方高校、民辦高校、獨立學院的實驗教學相對落后，由于建設經費緊張、硬件條件不足、高素質人才引進困難、專業特色及優勢不突出等問題，在虛擬仿真實驗教學中心的建設上發展滯后。盡管很多學校早已開始積極探索信息化技術在實踐教學模式改革中的應用，取得了一些研究成果，但從全局來看，我國高校實踐教學的信息化技術改革創新與研究仍然處于初級階段，各高校需要進行深入的研究，積極探索適應當前信息化環境下的實踐教學模式。

國家級平臺——實驗空間是一個資源寶庫，匯集了全國最優質的虛擬仿真實驗項目。作為獨立學院，以自建和共享結合的方式，結合專業人才培養特色和學生學情，充分使用國家實驗空間一流課程優勢資源，以及企業優質虛擬仿真實驗資源等資源寶庫，創新實踐教學體系的構建，助力提升學生應用型能力的培養。

（三） 專業必修與專業選修結合

圍繞生物工程專業人才培養目標，立足湖北省地方經濟和行業優勢，與生物工程相關企業共同構筑校企合作育人平臺，依據行業標準和崗位用人需求制定專業人才培養方案，設置課程體系與教學內容，重點培養學生系統掌握發酵工程、酶工程、康養食品的專業理論知識，通過課程實驗教學、校內專業技能實訓、校外企業實習三級實踐教學內容，全程著力提升學生實踐應用能力，突出培養學生在生物工程產品的生產、工藝設計、生產管理、新技術研究、新產品開發、分析檢測及質量監控等方面的應用技能。構建專業必修與專業選修課程的虛擬仿真實驗教學兩個層次的實踐教學體系，全過程強化學生實踐技能的培養。

（四） 課內實驗與課外拓展相結合

課內實驗學時有限，開設的實驗項目有限，無法完全覆蓋專業知識面，對于學生專業技能的全面培養是不夠的，因此，引入國家實驗空間一流課程優勢資源、企業優質虛擬仿真實驗資源，給學生提供充足的虛擬仿真實驗資源，學生根據個人興趣愛好和能力，結合行業熱點，開展實驗技能課外拓展訓練，全面提升應用型人才培養質量。

五 生物工程專業虛擬仿真實踐教學體系的建設

本著“能實不虛，虛實結合”的原則，構建課內實驗、實訓實習、課外拓展的“三級”實踐教學模塊，充分共享國家優質資源，全面兼顧專業必修與選修課程，建設生物工程專業虛擬仿真實踐教學體系，為學生提供更多的實驗實習機會，培養學生的動手操作能力與創新能力，有助于提升學生的專業技能與綜合素質。在生物工程領域，虛擬仿真實驗能充分發揮其獨特的優勢，成為真實實驗教學不可替代的有益補充。生物工程專業的綜合實驗實習通常需要多種大型儀器設備，實驗實習周期長、工作量大、操作復雜，具有一定的危險性，學時長、知識連續性強，真實實驗難以短時間內一次完成，虛擬仿真實驗正好解決了學生實踐學習中“易看難動手”的棘手難題。虛擬仿真實驗的應用能滿足每個學生的個性化需求，讓學生能虛擬操作真實實驗中無法操作的實踐環節，如觀察設備內部構造、進行設備拆裝及組合等，極大地提高了學生專業探索研究的興趣，同時經濟有效地鍛煉了學生的實踐動手能力。

六 虛擬仿真實踐教學體系的應用及成效

以企業實習模塊為例，學生開展真實企業實習之前，按照老師下達的實習任務及實習指導書，注冊登錄“實驗空間”，進入指定的一流課程實驗項目，完成老師布置的實驗任務，對即將參與的實習企業的產品有所認識，了解其工廠布置、車間布置、相關設備、生產工藝流程、生產技術操作等，達到預習的目的。然后赴企業參觀實習及頂崗實習，在實習過程中及實習結束后，再次進行虛擬仿真實驗操作和理論知識學習鞏固，達到強化認知，牢固掌握工藝原理、操作技術的目的。有了虛擬實驗的基礎，學生在真實實習過程中能有的放矢地自主學習。與以前傳統實習教學相比,學生進入工廠更加自信、上手更快，平時表現更加積極,綜合應用能力顯著提升，考核成績顯著提高。

圖1 生物工程專業虛擬仿真實踐教學體系

圖2 虛實結合開展生物工程專業企業實習

我院生物工程專業學生的創新意識不斷增強，創新成果不斷涌現，在各類賽事中取得了優異成績，近3年有60余人次在國家級、省級競賽獲得一等獎，二等獎，三等獎，學生以第一作者發表核心論文4篇，發明專利4項。

圖3 虛實結合實踐教學流程

（一） 為理論教學服務

理論知識來源于實踐的總結，是經過實踐驗證的真理，同時理論又能指導實踐，并且在實踐中不斷發展、更新。通過虛實結合的實踐體系的構建和應用，生物工程專業實踐教學為學生掌握生物學的本質，探索生命蘊藏的奧秘提供了重要支撐。

（二） 為實踐教學服務

針對實體實驗中不可及、不可逆的環節，真實實驗“做不了、做不好、做不到、做不上”的難題，虛擬實驗的出現突破了這一瓶頸。虛擬實驗突破高危實驗環境制約，學生可隨時隨地隨需開展個性化自主學習，使無法在傳統課堂上完成的實驗教學能夠完成。通過國家實驗空間虛擬實驗平臺的免費開放共享，為全國高校節約了實驗成本，彌補了實體教學的不足。通過線上線下結合，課內課外結合，以虛促實，開啟了實驗教學新模式。

虛擬實驗情境真實，交互性強，學生像玩游戲一樣進行沉浸式的實驗學習。其實驗設計合理，呈現手段豐富，能突顯關鍵操作的細節。虛擬實驗通常設有教學模式，演示模式和考核模式，有配套的理論及核心操作的習題，以及在線幫助和討論區，便于開展問題式、探究式、討論式學習，通過科學優化的教學策略與技術措施促進學習目標的達成。

（三） 為學科競賽服務

在各種學科競賽中，虛擬實驗也展示出了巨大的優勢。自新冠肺炎疫情爆發以來，高校的學科競賽也經常受疫情防控需要而停辦或延期。如2021年全國大學生化工原理實驗競賽、湖北省大學生生物實驗技能競賽都分別采用虛擬仿真實驗作為競賽的一部分，考核各高校學生的實驗技能水平。

（四） 為課外拓展服務

虛擬仿真實驗兼具學科前沿性、專業性和技術實用性，不僅能提升實驗教學的水平和層次，還加深了學生對生命科學前沿性技術的掌握，在學生實踐創新能力和科學素養的提升方面貢獻尤為突出。

七 結語

生物工程是快速發展的高科技主要領域之一，是一門涉及基因工程、蛋白質工程、細胞工程、酶工程、發酵工程和生物分離工程等多學科的工程技術學科。學生通過系統學習生物學相關理論知識，掌握相應的實驗技能，熟悉生物產品生產工藝及其控制過程，能在生物產業及相關領域一線從事生物工程產品生產、工藝設計、生產管理、新技術研究、新產品開發、分析檢測及質量監控等工作，成為具有創新精神和發展潛力的高素質應用型人才。為實現獨立學院生物工程專業的人才培養目標，充分認清當前教育教學的深刻變化和發展趨勢，以學生為中心，本著“能實不虛，虛實結合”的原則，構建課內實驗、實訓實習、課外拓展的“三級”實踐教學模塊，充分共享國家優質資源，全面兼顧專業必修與選修課程，建設適合應用型人才培養的生物工程專業虛擬仿真實踐教學體系，強化培養學生的專業技能、實踐操作能力，提升學生創新能力，把本科教育質量實實在在提起來。