農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心管理平臺探析

1、農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心管理平臺探析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果1,2.我校農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心依托省級生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心進(jìn)行建設(shè)，秉持 農(nóng)科教結(jié)合，虛實(shí)互補(bǔ)，綠色共享;的建設(shè)理念，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為實(shí)體實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充，突出最新生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，突破時空局限等限制，學(xué)生可以隨時隨地在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)活動，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力3 5.1 農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的意義生物學(xué)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有其特殊性，主要面臨以下

2、3 個方面的難題： 一是受實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時間、空間條件的限制。如在動植物物種資源的分類、鑒定及形態(tài)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于種類多、分布廣，且生長發(fā)育具有很強(qiáng)的季節(jié)性，沒有實(shí)踐基礎(chǔ)，學(xué)生很難掌握，學(xué)習(xí)起來十分困難。二是受大型儀器數(shù)量、操作過程等條件的限制。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法的不斷發(fā)展，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中需使用一些大型儀器設(shè)備，如液質(zhì)聯(lián)用儀、激光共聚焦等，這些儀器由于購買成本很高、數(shù)量有限、構(gòu)造和操作復(fù)雜，不能做到每個學(xué)生都能上機(jī)操作，而且學(xué)生也很難清晰了解儀器的內(nèi)部構(gòu)造及工作原理。三是受教學(xué)成本、資源消耗、污染環(huán)境等問題的限制?，F(xiàn)在大部分生物學(xué)實(shí)驗(yàn)都采用了分子生物學(xué)手段，如蛋白質(zhì)組學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、基因工程等實(shí)

3、驗(yàn)，具有高要求、高危害、高消耗的特點(diǎn)6,7.另外，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)材料需要是新鮮的植物或活體動物，在實(shí)驗(yàn)過程中還需使用有毒的化學(xué)試劑對實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行處理，不利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，且材料難取，同時還面臨檢疫和廢棄物處理等問題。面臨以上種種困難，將虛擬仿真技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，補(bǔ)充了實(shí)體實(shí)驗(yàn)暫不具備的條件，完成了現(xiàn)有教學(xué)條件下無法完成的教學(xué)功能，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和從事生物學(xué)相關(guān)工作打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。2 農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心管理平臺農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心是 2014 年初首批獲得教育部批準(zhǔn)建設(shè)的國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。目前已初步建成農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息管理平臺和相關(guān)虛擬仿真

4、教學(xué)資源。管理平臺和虛擬教學(xué)資源是由我中心自主設(shè)計，委托軟件公司研發(fā)。目前，農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心包含植物學(xué)、動物學(xué)、微生物學(xué)、生物化學(xué)與分子生物學(xué)、大型儀器虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)五個虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺 （ 圖 1） .各平臺既相互獨(dú)立、自成一體，又能貫穿農(nóng)業(yè)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的整個過程，可根據(jù)我校農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)類各專業(yè)的不同要求進(jìn)行靈活組合8 11.2. 1 植物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺植物學(xué)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要存在以下三方面的不足： 常規(guī)植物切片很難切到完整的過程，更觀察不到整個結(jié)構(gòu)變化過程，如植物根和莖的次生生長、花粉粒的萌發(fā)等。受植物物種資源的地理分布和生境特征的制約，學(xué)生只能接觸到本地區(qū)的有限

5、農(nóng)業(yè)植物資源。植物花、果、種子等繁殖器官的特征在植物分科識別過程中具有重要鑒別價值，但因?yàn)橹参锘ü谳^短，有時無法在實(shí)習(xí)或平時觀察中看到。為了彌補(bǔ)上述的不足，我們自主獨(dú)立開發(fā)了植物數(shù)字切片系統(tǒng)、天目山植物野外實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、主要植物的三維建模等 （ 圖 2） .首次將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于植物結(jié)構(gòu)觀察和植物識別鑒定教學(xué)。2. 2 微生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺傳統(tǒng)的微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在以下三方面的不足： 常規(guī)制作的標(biāo)本片只有幾種細(xì)菌、真菌、放線菌，難以了解豐富的微生物種質(zhì)資源。培養(yǎng)深海嗜熱微生物、水稻根際厭氧氨氧化古菌等一些極端微生物，需要模擬高熱、高壓等極端環(huán)境，課堂教學(xué)過程中難以實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用

6、微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)由于耗能大、周期長、設(shè)備數(shù)量不足，很難完整開展課堂教學(xué)和保證每個學(xué)生的親自動手操作，難以提高學(xué)生實(shí)踐技能、分析問題和解決問題的能力12.為了彌補(bǔ)上述的不足，我們建設(shè)了微生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺 （ 圖 3） ,注重微生物學(xué)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，形成基礎(chǔ)微生物學(xué)和應(yīng)用微生物學(xué) 2 個模塊、涵蓋 6 個主題的較為完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系，體現(xiàn)了多學(xué)科綜合與交叉的特征。2. 3 生物化學(xué)與分子生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺傳統(tǒng)的生物化學(xué)和分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在以下三方面不足： 實(shí)驗(yàn)對象非常微觀，實(shí)驗(yàn)操作的基本技能要求高。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比較枯燥，操作時間長、強(qiáng)度大。實(shí)驗(yàn)中使用的部分化學(xué)試劑毒性較強(qiáng)，且實(shí)驗(yàn)人數(shù)多，

7、導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)環(huán)境具有潛在的危險性。為了彌補(bǔ)上述的不足，我們建設(shè)了生物化學(xué)與分子生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺 （ 圖 4） .平臺以各基本實(shí)驗(yàn)為中心，虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，模擬各種實(shí)驗(yàn)操作流程和外界實(shí)驗(yàn)條件因素，呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)對象、實(shí)驗(yàn)試劑和器材、實(shí)驗(yàn)原理簡介、虛擬仿真實(shí)戰(zhàn)操作等方面的綜合，以完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，從而起到學(xué)習(xí)生物學(xué)相關(guān)基本實(shí)驗(yàn)技能的作用13.2. 4 動物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺動物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有很多特殊性，如： 大型動物的形態(tài)結(jié)構(gòu)解剖觀察中，由于個體較大、數(shù)量不足，很難獲得較好的教學(xué)效果。動物某一形態(tài)建成的動態(tài)過程 （ 如脊椎動物牙齒的更新等） 也很難觀察到。某些實(shí)驗(yàn)動物存在安全疾病的隱患，如犬

8、類存在狂犬病菌。一些帶有危險性、稀有的動物資源 （ 如老虎、獅子等） ,學(xué)生接觸不到。高等動物的呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、血液消化系統(tǒng)等動態(tài)過程，在解剖過程中無法觀察到。鑒于以上的特殊性，我們建設(shè)了動物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺 （ 圖 5） ,首次將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于動物形態(tài)結(jié)構(gòu)觀察、天目山野生動物實(shí)習(xí)教學(xué)中，達(dá)到系統(tǒng)學(xué)習(xí)動物學(xué)基本技能的目的。2. 5 大型儀器虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)大型儀器設(shè)備是開展前沿生命科學(xué)研究的重要工具。近年來，本中心購置了高分辨傅立葉變換軌道阱液質(zhì)聯(lián)用儀、轉(zhuǎn)盤式激光共聚焦、三重四極桿氣質(zhì)聯(lián)用儀、透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡等40 多臺 （ 套） 大型精密儀器。目前，大型高值儀器均采用

9、專業(yè)人員操作，學(xué)生觀看的教學(xué)模式。因大型儀器昂貴、數(shù)量、操作步驟復(fù)雜等客觀原因，學(xué)生不可能人手一臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，因此往往達(dá)不到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。針對目前存在的問題，我們就最為常用且學(xué)生不易操作的大型儀器，建設(shè)了大型儀器虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng) （ 圖 6） .大型儀器虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對參數(shù)設(shè)置、實(shí)驗(yàn)流程等進(jìn)行可視化演示，完整的模擬了整個實(shí)驗(yàn)儀器的操作過程，最終能夠模擬出相似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。學(xué)生在此虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺上，可以完整的操作整個實(shí)驗(yàn)儀器，從而達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。3 結(jié) 語自農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心成立以來，學(xué)校和學(xué)院給予了高度重視，教務(wù)處設(shè)立專項建設(shè)項目予以支持。在依托原省級示范中心 6 個實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的基礎(chǔ)上，改造建設(shè)了 5 個適用于數(shù)字化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)室，配備設(shè)備611 臺 （ 套） ,設(shè)備價值 540 萬元。服務(wù)于全校農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)類 9 個學(xué)院、25 個專業(yè)的近 6000 名本科生，開設(shè)生物學(xué)各類實(shí)驗(yàn)技術(shù)課程28 門，實(shí)驗(yàn)教學(xué)人時數(shù)達(dá) 25 萬。為了更好的