高校生物学虚拟仿真实验课程分析与思考

高校生物学虚拟仿真实验课程分析与思考——基于国家虚拟仿真实验教学课程共享平台和中国知网数据分析摘要：虚拟仿真实验课程为生物学实验教学改革和创新型人才培养探索了新模式。本文以“国家虚拟仿真实验教学课程共享平台”生物虚拟仿真实验课程和“中国知网”主题为“生物学虚拟仿真实验”的论文为分析对象。基于获取的数据，从课程概况、建设单位、课程建设、课程应用和研究现状五个方面分析。结果表明，生物学虚拟仿真实验课程数量可观，且一流课程占比较高。建设单位以农林类、综合类、师范类和医学类院校为主，其中农林类院校课程数量最多；建设单位主要分布在东部地区；不同办学层次的高校均有参与，但多数高校生物学虚拟仿真实验建设还处于初步探索阶段。课程建设上，实验课占比高，实习、实训课程相对较少。课程资源利用率高的项目不多，部分实验项目未得到有效利用；实验人次多的项目以综合设计型、探索研究型一流课程为主。文献可视化分析发现，生物学虚拟仿真实验研究热点在课程资源建设与应用两个方面，研究趋势从初期的平台建设到近期的智能应用，不断深入。在未来建设中，应充分发挥虚拟仿真技术特性，搭建高质量、个性化实验操作平台，提高课程广用度，打造高阶性、创新性和挑战度的生物学虚拟仿真实验课程。关键词：生物学；虚拟仿真实验；实验空间；中国知网一、引言虚拟仿真技术是一种基于可计算信息的沉浸式交互技术，用户以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用，从而产生身临其境的感受和体验。虚拟仿真技术与教育融合不仅改变了教与学的方式，而且已经深入影响到教育的理念、文化和生态。目前，国外已有大学相继建成虚拟仿真实验室，比较著名的有美国耶鲁大学利用移动实验室即时性、参与性、泛在性、情境性、愉悦性的优势，师生使用平板电脑就能完成细胞生物学、分子生物学、发育生物学等课程的实验教学。英国开放大学开放科学实验室不仅能够共享实验资源、仪器设备，还能够对现场（异地）实验数据进行真实、严格、科学分析[1]。为加快教育现代化和教育强国建设，推进新时代教育信息化发展，我国教育部2013年印发《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》[2]，通知指出，虚拟仿真实验教学中心建设内容为构建虚拟仿真教学资源、建设教学管理和实验空间。2017年，教育部出台《2017-2020年示范性虚拟仿真实验教学项目建设规划》[3]，其中生物学虚拟仿真项目规划数量高达110项，是数量较高的学科之一。2019年实施本科人才培养“六卓越一拔尖”计划2.0，启动一流本科专业建设“双万计划”和一流课程建设“双万计划”[4]，提出虚拟仿真实验教学一流课程是着力打造的五大一流课程之一。一系列文件的出台，极大地促进了教育教学与信息技术全面融合，我国虚拟仿真实验课程建设迅猛发展。生物学实验是生物教学的重要环节，但因实验操作存在一定不确定性，以及时间、空间、仪器设备、材料药品、从业资格等多方面的限制，会影响生物学实验课程、实习、实训的进度和教学目标达成。而虚拟仿真实验建设任务就是实现真实实验不具备或难以完成的教学功能[2]。因此，近几年高校生物学虚拟仿真实验课程建设如火如荼。然而，2020年新冠疫情爆发以来，多数高校实验实践课需要返校后补课[5]，反映出实验实践教学线上资源还难以完成教学目标。对生物学虚拟仿真实验课程建设实践经验总结，以及虚拟仿真实验如何真正为生物学人才培养目标达成做出贡献等，都需要系统的分析和理性的思考。本文以“国家虚拟仿真实验教学课程共享平台”生物学虚拟仿真实验和“中国知网”主题为“生物学虚拟仿真实验”的论文为分析对象，基于获取的数据，从课程概况、建设单位、课程建设、课程应用和研究现状几个维度进行分析，了解高校生物学虚拟仿真实验建设与研究现状，并对未来生物学虚拟仿真实验建设做出理性思考。二、数据来源与研究方法（一）数据来源虚拟仿真实验数据来自“国家虚拟仿真实验教学课程共享平台”[6]（即“实验空间”），在实验空间“实验中心”中选取生物学虚拟实验项目238项，包括生物科学类、生物工程类全部项目，动物类、植物类、海洋科学类中与生物学相关的实验项目。统计时间为2022年7月7日。论文数据来自中国知网（CNKI）[7]，以“虚拟仿真实验”为主题进行检索，学科选择“生物学”，检索时间为2022年4月18日。对检索结果逐一筛查，去掉重复、非高校生物学研究论文，共筛选出112篇符合条件的论文进行分析。（二）研究方法实验空间生物学虚拟仿真实验数据用Excel软件统计分析。用CiteSpace工具对中国知网检索的论文进行可视化分析。三、结果与分析（一）课程概况实验空间自2017年起，上线的生物学虚拟实验项目238项，占理工类虚拟仿真实验项目总数的12.32%。生物学虚拟仿真实验课程中（图1），国家级一流课程项目85项，占项目总数的35.71%，省级一流课程77项，占项目总数的32.35%。2017-2019年上线的课程数量逐年上升，2021年上线数量有所下降。（二）建设单位1.从建设单位学科类别上可以看出（图2），农林院校数量最多，其次为综合大学、师范院校、医学院校，这4类大学建设的生物学虚拟仿真实验项目达到总数的83%。一方面与院校的专业设置有关，这4类高校生物学及其交叉学科较多。同时，也说明这些院校对虚拟仿真实验项目的重视和投入。2.从建设单位办学层次上来看（图3），“双一流”高校建设数量占47.5%，但中国顶尖大学九校联盟（C9）的项目仅占4.62%，其中，中国科学技术大学最多，为4项，其次为浙江大学，3项，北京大学、南京大学、复旦大学、西安交通大学各1项，清华大学、上海交通大学和哈尔滨工业大学项目数为0。3.从图4可以看出，建设4项及以上生物学虚拟仿真实验课程数的高校有11所，建设3项的有13所，建设2项的有30所，建设1项的有75所，说明多数高校生物学虚拟仿真实验建设还处于初步探索阶段。4.根据我国经济区域划分，分析生物学虚拟仿真实验课程所在区域（图5）。不难看出，建设单位主要集中在东部地区，这不仅是因为东部地区院校对生物学虚拟仿真实验课程在资金、技术、人才等方面有更多的重视和投入，也与国家虚拟仿真实验推荐计划有关。如《教育部办公厅关于开展2017年度示范性虚拟仿真实验教学项目认定工作的通知》[8]，东部地区推荐计划数量最多，占总数的41.1%。（三）课程建设情况1.学科分布从生物学虚拟仿真实验项目学科分布情况可以看出（图6），虚拟仿真项目已基本覆盖生物学基础学科，但各学科的课程数量分布不均。建有20项以上的有4个学科，依次为生物技术、植物学、生态学和动物学；5-20项的学科最多，有8个学科；5项以下的有3个学科。2.课程类型生物学虚拟仿真实验主要针对专业基础课和专业核心课两大方面（图7）。实践项目内容主要有实验课程、实习和实训（图8），其中，针对某一门课或某一实验的实验课程占比最多，达到77.73%。生物学实习是生物实践教学的重要环节,主要有野外综合实践项目和生产实践实习等；实训项目多为实验室安全培训、生物学核心实验技能培训以及企业生产培训。但实习和实训类虚拟仿真实验项目占比较少，分别为15.13%和7.14%。对已有实习项目分析发现，实习项目选题大多立足于高校所在区域生态环境特色，如石河子大学选取新疆荒漠区、厦门大学选取漳江口红树林、泰山学院选取泰山、长治学院选取太行山等。实验类型（图9）主要是综合设计型、基础练习型和研究探索型，其中综合设计型实验项目最多。（四）课程应用情况1.实验人次分析实验教学中，实验人次通常是衡量实验资源使用情况的重要标准之一。通过抓取实验空间数据，238项生物学虚拟仿真实验项目使用人次破万的有15项，低于100人次的项目31项，未操作的项目59项（图9），后两者占项目总数的37.82%。以上数据说明生物学虚拟仿真实验使用率高的项目不多，而且部分项目未得到有效利用。实验课程使用率一方面与虚拟仿真实验本身的质量有关。如实验人次1千次以上的项目共96项，其中国家级一流课程49项、省级一流课程26项，一流课程占比78.13%；从课程类型分析，这96项中综合设计型和研究探索型课程有83项，占86.5%。说明高水平的，设计型、研究型、探索型实验项目更能激发学生学习兴趣。另一方面与实验项目的开放权限有关。2018年发布的《教育部办公厅关于开展2018年国家虚拟仿真实验教学项目认定工作的通知》[9]表明，项目被认定后仅1年内面向高校和社会免费开放，1-3年内免费开放服务内容不少于50%，3年后降至不少于30%，开放权限和收费情况限制了使用频次。此外，还与软件的兼容性有关。实验空间中许多实验操作需要前往其他网站完成，对浏览器也有一定要求，操作繁琐，影响学习积极性。2.实验完成情况分析实验完成率100%的项目有123项（图10），仅占51.68%，说明仅半数实验项目，学生完成了学习任务。通过率80%以上的项目有90项，能够达到课程考核目的；通过率60%以下的有53项，这些课程的教学和考核环节还有待改进和完善。各实验课程完成率、通过率分布不均，也可能与课程开展情况、考核标准等有关。（五）研究现状1.研究热点通过获取和分析中国知网论文关键词，总结生物学虚拟仿真实验当前的研究热点。关键词共现图谱显示（图11），与生物学虚拟仿真实验相关的热点关键词主要有教学改革、课程改革、教学模式、虚实结合、实验平台以及生物学相关基础课程等。不难看出，生物学虚拟仿真实验的研究热点在课程资源建设与应用两个方面。虚拟仿真技术为生物实验教学改革探索了新模式。2.研究趋势通过整理和分析高频关键词，利用CiteSpace软件生成关键词突现可视化图谱（图12），分析生物学虚拟仿真实验研究趋势。图谱显示，不同时段内突现的关键词有教学改革、教学资源、平台建设、课程建设、深度学习、智能评价、应用等。从早期的平台建设到近期的智能评价、深度学习，生物学虚拟仿真实验研究不断深入，体现从资源建设逐步进入智能应用的研究趋势。图11关键词共现图谱图12关键词突现可视化图谱四、结论与讨论（一）生物学虚拟仿真实验建设与研究现状分析通过对实验空间上线的238个生物学虚拟仿真实验项目和中国知网112篇论文分析可知：1.生物学虚拟仿真实验项目数量可观，高质量一流课程占比较高。与其他自然学科相比，生物学除了理论知识传授以外，更侧重于科研实践及动手能力的培养，人才培养计划中实验实践课程较多。2.国内高校参与度较高，尤其是生物学及其交叉学科院校，其中农林类高校建设课程数量最多。农林院校对虚拟仿真实验课程的重视和推进，不仅是对高校“新农科”课程改革的实际推动，也为新农民、新农村建设提供人才和技术储备，进一步推进乡村振兴战略实施。但国内顶尖高校（C9）项目数量不多。3.针对某一门课或某一实验的项目占比高，野外综合实习项目有待进一步开发。4.生物学虚拟仿真实验课程存在“重建设轻应用”现象，实验资源利用率不高。5.高水平的综合设计型、探索研究型一流实验课程有利于激发学生兴趣。6.生物学虚拟仿真实验课程在技术上个性化不足，存在技术路线相似，虚拟仿真技术运用趋同现象。7.生物学虚拟仿真实验研究热点在课程资源建设与应用两个方面，研究趋势从资源建设到智能评价、深度学习，不断深入。8.虚拟仿真实验建设为生物学实验教学改革和创新型人才培养探索了新模式。（二）未来生物学虚拟仿真实验建设的思考虚拟仿真实验教学，有助于提升高校教学水平、提高人才培养质量。在国家重视高水平学术型创新人才和应用型创新人才培养的背景下，要抓住虚拟仿真技术发展的契机，寻求适合的路径，积极推动生物学实验教学改革，为提高学生综合科研能力，培养创新型和应用型人才贡献力量。1.课程层面，以打造高阶性、创新性和挑战度的虚拟仿真实验课为目标。虚拟仿真技术与实验教学深度融合，破解了高校实验、实习、实训中“做不到、做不好、做不了、做不上”的问题[10]，其基本内涵是虚拟仿真实验要充分体现对传统实验的超越[11]。具体表现为，从课程内容上要体现前沿性与时代性，及时将生命科学研究前沿成果引入课程，以适应生命科学快速发展对人才培养的新要求；从实验方式上，增加综合型、研究型、创新型、探索型实验，支持学生自主设计。在实验材料选取、实验仪器组合、实验参数设定等方面允许学生灵活操作，后台系统通过不同的运算方式和推演，呈现出与实验设计相对应的个性化实验结果、实验现象等。让实验课程不只是简单的操作技能训练，更多的是对学生综合性、系统性、创新性科研能力和思维的训练，实现实验课程的高阶性和挑战度。野外实习是生物教学中重要的实践环节，然而，特定的资源与环境等因素制约了生物学野外实习效果。实验空间上野外实习项目不多，说明野外实习虚拟仿真项目还有很大的探索空间。高校如何立足当地区域生态环境特色开发虚拟仿真实习项目，如何将野外实习课程从传统的验证型（即“观察-识别”）转变为集知识传授与探索创新为一体的新型教学模式[12]，都是未来生物学虚拟仿真实验建设值得思考的问题。。2.技术层面，以搭建高质量、个性化实验操作平台为目标。虚拟仿真技术特征包括仿真沉浸感、实时交互性、快速推演性以及仿真可信性几个方面[10]，实验建设应充分发挥虚拟仿真技术特性，搭建高质量实验平台。沉浸式体验既包括人的感官体验，又包括人的认知体验。这就要求虚拟仿真实验呈现的实验环境和实验者的感受应与真实实验一致或高度相近。同时，实验过程与结果的呈现更要与真实实验过程和结果高度一致，要符合客观规律。科学实验“差之毫厘，谬以千里”，因此，生物学虚拟仿真实验投入使用前必须对其科学性、可信性进行评价鉴定。在生物学实验线下教学中，实验仪器设备充足且可组合变化，实验条件可设多种变量，实验结果可观察，学生参与度极高。因此，如何最大限度地提升“交互性”，也是生物学虚拟仿真实验应重视和和解决的问题。要避免单向播放、简单动画，更要丰富实验界面设备与材料，在实验条件、实验操作等方面设置丰富的、简单有趣的交互性操作。此外，实验操作结束后，能够快速的计算和推演实验结果，减少等待时间，也是提升课程质量的重要环节。生物学虚拟仿真实验建设过程中，高校教师团队由于缺乏计算机技术专业背景和管理经验，在实验界面设计开发以及后期维护等方面都需要借助研发企业的力量，虚拟实验开发方式形成了高校教师团队提出实验方案和教学需求、技术公司编程实现的校企共建模式。实验空间上，生物学虚拟仿真实验软件开发公司主要有润尼尔、欧倍尔等。润尼尔的成品清单中高校生物学虚拟仿真实验有92项，但有些实验项目产品型号相同[13]。实验项目