基于柔性虛擬仿真技術的智慧實驗教學平臺建設

白 云，金文聞，朱圓敏，吳元喜，盧群偉，余龍江，劉亞豐

（華中科技大學 生命科學與技術學院，武漢 430074）

進入信息時代和智能時代，創新型社會發展需要大量的個性化、創新型人才，更強調人才的差異化、多樣性和創造性[1]。以培養知識型、技能型人才為目標的傳統教育體系難以支撐這一需要，未來教育必將是架構在互聯網上的新教育，即“互聯網+”教育[1-2]，或引領教育信息化創新發展，形成智慧教育[3]。這就要求轉變教育理念，在教學內容、手段、方法等環節變革，構建信息技術支撐下的以學生發展為中心的人才培養新體系，以適應新時期人才培養需求。

實驗教學是培養學生創新思維、分析能力、解決問題能力的重要途徑。生命學科是以實驗為主的學科，因此實驗教學對人才培養的重要性更加凸顯。華中科技大學生命科學與技術學院在“十三五規劃”期間，積極推進“互聯網+”教育，注重信息技術與實驗教學的深度融合，通過名師、前輩教師教學經驗傳承，通過科教融合、校企合作開發一系列實驗技術模塊，構建了基于柔性設計虛擬仿真系統的智慧實驗教學平臺，讓學生接觸到寶貴的學習經驗、先進的技術、個性化的學習內容和豐富的教學資源，為虛實融合、自主設計、研究型實驗教學模式創造了更加開放的、個性化的實驗教學環境和更加豐富的實驗教學設計資源[4-5]。

1 建設目標與建設定位

以社會需求與人才培養目標為導向，以為學生發展為中心，將柔性設計理念融入虛擬仿真系統，構建開放式柔性設計虛擬仿真系統，體現綜合設計與學科交叉特色，創建技術融合的學習環境。通過優化實體環境、網絡條件及教學管理，實現師生互動、人機互動，為教師進行教學設計提供方便快捷的教學資源和智能解決方案，為學生創造自主學習、自主設計、自主實踐的智能友好環境，使學生獲得個性化學習服務和發展體驗。

通過建設基于柔性設計虛擬仿真系統的智慧實驗教學平臺，建成國內一流的實驗實踐教學條件和育人環境，打造實踐創新中心，即智慧學習中心，實現教育多樣性、個性化培養，全面提升學生的創新思維與實踐能力。

2 智慧實驗教學平臺總體架構

虛擬仿真實驗受硬件條件影響小，更易實現各類教學資源的優化與共享，使教學資源跨區域服務多個專業、多個學校成為可能[6]。以資源共享與綜合效益為原則，打破實驗課程和實驗室之間的壁壘，按實驗技術分類建設基礎實驗教學平臺，按照學科建設專業綜合研究實驗平臺，打造開放共享、自主設計的柔性設計虛擬仿真系統，按照虛實融合、自主設計、研究型實驗教學模式[4]的要求，優化專業實驗內容，合理配置實驗室資源，促進實驗教學和實驗室資源整合。

柔性設計虛擬仿真系統是構成智慧實驗教學平臺的核心，也是實現開放、自主、高效、虛實融合、線上線下互補，全面提升學生創新思維與實踐能力的關鍵所在。智慧實驗教學平臺包括柔性設計虛擬仿真系統、實體實驗教學平臺、實驗教學管理系統和實驗室管理系統。智慧實驗教學平臺架構如圖1 所示。

圖1 智慧實驗教學平臺總體架構圖

3 柔性設計虛擬仿真系統特征與優勢

虛擬仿真系統的柔性設計是基于實驗項目開放設計策略，針對目前虛擬仿真實驗項目建設中存在的若干問題，如模型重復建設、流程單一、參數固定不變、項目更新困難、學生不可自主設計實驗方案等，以模塊化技術單元為基礎構建技術庫，開發以可持續發展為特征的開放性平臺框架。通過柔性設計構建具有靈活多樣、多方互動、開放自主的設計環境，增強實驗過程體驗，讓學生可嘗試采用不同方案解決問題，實現大型綜合實驗項目和生產性工廠的自主設計與可行性論證。柔性設計虛擬仿真系統包括三維仿真技術模塊子系統（操作與演示）、實驗方案設計與操作子系統（柔性設計）、虛擬仿真工廠設計與操作子系統（柔性設計）、智慧學習與智能評價子系統（包括技術庫、案例庫、知識庫等）、應用管理及信息推送子系統。如圖2 所示是我們開發的基因工程抗體藥物虛擬仿真項目，它包含實驗方案設計（圖2（a））、仿真操作（圖2（b））、工廠設計等功能（圖2（c））。柔性設計虛擬仿真系統的特征與優點包括以下3 個方面。

圖2 基因工程抗體藥物虛擬仿真項目

1）系統架構是基于技術模塊、實驗方案設計原則、生物學原理與研究技術相關性來布局，按照邏輯關系編寫仿真控制軟件程序，構建出開放性自由設計平臺，突出創新人才培養過程中技能訓練、科學研究與創新設計需求。系統設計與配置充分考慮生命學科人才培養計劃的技能訓練和科學研究的方案設計要求，參考中國學術文獻總庫相關文獻資料，以生物科學、生物技術、生物工程、生物制藥、生物醫學工程、生物信息等專業的技能訓練和科研素質培養需求制定，也可自主創建和加載模塊化技術應用到其他相關專業領域。

2）柔性設計虛擬仿真系統的基礎是技術庫，技術庫含有大量單元操作的實驗技術模塊，既能獨立用于操作技能訓練，又適用于設計各種實驗方案流程。實驗技術模塊可隨時更新、擴充、重組，方便設計任意實驗方案。實驗技術模塊分實驗室級和工業生產級2 種規格，工業生產級技術模塊可用于設計工廠和生產車間，形成可瀏覽、可操作、可評價的生產實習環境。

3）師生可以根據實驗原理或研究主題任意設計實驗方案，包括實驗流程設計、實驗參數設計，從多角度審視自己設計的實驗方案，分析比較各種實驗設計方案的預期結果，實驗設計過程更加直觀，在實踐研究過程實施之前，就能夠更加全面地了解和比較各種實驗設計方案的優缺點，易于開展各種實驗設計方案的可行性論證，再結合實體實驗室條件，選擇符合實際的實驗方案實施，有效保證實驗的成功率和研究水平。

4 柔性設計虛擬仿真系統的資源建設

綜合設計與創新思維訓練是拔尖創新型人才培養的關鍵環節，要落實虛實融合、自主設計、研究型實驗教學模式的實施，需要在柔性設計虛擬仿真系統中配置一系列相配套的教學資源，即教學資源庫。按照實用性強、通用性好、使用頻率高的原則，構建了模塊化技術庫、案例庫、知識庫、問題庫、文獻庫等，促進學生自主學習、主動實踐，開展各種實驗設計、工廠設計與虛擬仿真操作。

1）技術庫對于柔性設計虛擬仿真系統來說，核心教學資源是技術庫，技術庫中的模塊化單元首先必須滿足技能訓練、綜合設計、不同實驗調用、多種樣品（參數）分析測定、實驗參數設置及智能化管理。因此，技術資源庫建設首先要進行有序分類和高效整合，從而實現教學資源的高效利用。如高壓液相色譜技術是生命科學研究中常用的分析儀器，種類繁多，構建虛擬仿真技術單元時，首先是要分解設備，構建基礎單元，如面板與按鍵、進樣裝置（手動或自動）、泵類型（單或雙、活塞往復泵或隔膜往復泵）、色譜柱類型、檢測器（多種）等部件，再根據需要組裝成各種高中低端高壓液相色譜，從而用于不同實驗中樣品分析。通過查閱文獻，收集和了解不同樣品的處理方式、色譜柱的選擇、實驗條件參數和對應實驗數據與實驗結果之間的邏輯關系，再通過相關軟件仿真與數據庫實現任意樣品的測試與分析。

2）案例庫合理使用生成性的教學資源案例庫并采用情境化的教學方式，能激發學生學習興趣，提高學生學習滿意度，彌合理論與實踐的鴻溝，更好地實現專業發展[7]。實驗教學案例是基于柔性設計虛擬仿真系統創建的基礎實驗和綜合設計實驗?；A實驗有兩種案例形式，一是以實驗項目為載體，如糖、蛋白質、核酸的測定，主要體現知識、技能的學習，這是傳統實驗教學的典型案例，通常與理論課程學習高度相關。二是以實驗技術為載體，如分光光度技術，主要體現技能、知識、應用，學習和訓練過程不受理論課程教學和時間的限制，學生根據興趣與需求來學習。綜合設計實驗通常體現知識、技能的綜合應用，如生物大分子分離純化與鑒定虛擬仿真綜合設計實驗和單克隆抗體藥物中試生產虛擬仿真綜合設計實驗。這些項目案例的創建需要教師閱讀大量文獻，收集樣品與產品對應的工藝條件和實驗結果，合理使用技術庫中的模塊化單元技術。在設計實驗流程時，要盡可能延長相關知識鏈和技能鏈，通過目標任務導向，形成系統性知識。通過創建新的技術模塊實現創新研究，構建新的案例。

3）知識庫涉及各種實驗技術原理、方法、注意事項、與實驗相關的理論知識等，是考察內容的主要來源。知識點展現形式分為客觀題、主觀題兩類，分別配有具體解析，在系統后臺可配置到任何實驗技術和實驗項目中，作為學生思考學習或考核的內容，這是師生設計實驗和創建實驗案例以及對實驗設計智能評判的基礎。知識庫的建設是以最小知識點為基礎，多以客觀題形式展現，包括填空、選擇、判斷等，利用一類或多個客觀題內容設計主觀題，便于智能評判。如關于蛋白質性質和分離技術可以編輯成一系列客觀題，以這些客觀題為基礎就可以設計主觀題“怎樣利用鹽析方法分離牛奶中的蛋白質？”，其答案就在客觀題中。

4）問題庫是知識庫的另一種形式，主要是針對實驗方案設計過程中學生需要掌握的知識或未接觸過的內容，或經驗性較強的內容，或軟件操作碰到的問題而設計的問題。教師可以用多種信息化手段向學生推送信息，力求較短時間，如1～3 min 看懂問題，使較困難的知識點或難以表達的問題變得通俗易懂，包括配音、短文、圖解、動畫、小視頻（類似抖音）等。

5）文獻庫使學生可以自由下載學習資料：科技文獻、教材、文檔、圖片、課件、視頻、微課堂等。

5 智慧實驗教學平臺應用

智慧實驗教學平臺包括柔性設計虛擬仿真系統、實體實驗教學平臺、實驗教學管理系統和實驗室管理系統，各個系統如何協作運行推進學生自主學習和主動實踐如圖3 所示。它體現出以學生發展為中心，以信息化技術為支撐，注重師生互動和過程管理，使教學管理與學生評價更科學，既調動學生學習的主動性、積極性，也提高教師的工作熱情和教學水平，取得良好的應用效果[8]。根據數字化時代專業人才培養目標和教師面臨的新挑戰，只有構建技術融合的學習環境和各類教學資源，教師才能施展智能高效的教學方法，學生才能最大限度獲得個性化學習和發展體驗?；谌嵝栽O計虛擬仿真系統的智慧實驗教學平臺為智慧實驗教學提供了良好的條件與環境、豐富的教學資源、功能強大的虛擬仿真系統、友好的信息化管理系統、游戲般的學習探究模式，寓教于樂，能調動學生的學習興趣和積極性，讓其獨自面對問題來解決問題。如圖4 所示為師生使用該系統進行學習和互動的情況。

圖3 智慧實驗教學平臺應用流程

圖4 師生使用系統進行互動和學習情況

6 結束語

改變傳統教學模式，將教學個人行為變為集體行為，實現智慧教學，需要廣大教師共同努力創建豐富的各種類型教學資源[9]，完善優化教學計劃和教學大綱，不斷推進配套機制與制度建設。隨著信息化技術的發展、教學硬件與軟件的互補融合，將徹底改變傳統實驗教學模式，虛實融合、自主設計、開放研究型實驗教學模式將成為高等教育的主流[10-13]。