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开启农业生物学的“虚拟时代”

    农业和生命科学是南京农业大学的优势和特色学科,学校约有9个学院开设了生命科学类的25个专业,学校每年要为6000多名本科生开设各类实验课程28门,年均实验教学人时数达25万,需要投入很大的资源。如何应对传统教学过程中时空条件、仪器数量、教学成本、资源消耗、环境污染等方面的制约,成为摆在我校农业生物学教师面前亟待解决的难题。
    农业生物学虚拟仿真实验教学中心的成立,不仅解决了上述难题,打破了传统教学中的各种限制,还提高了学生的自主学习和实践能力。中心秉持“农科教结合,虚实互补,绿色共享”的建设理念,构建了植物学、动物学、微生物学、生物化学与分子生物学、现代生物学技术5个虚拟仿真实验教学平台,吸收现代信息技术手段,改革传统教学方法,学生可以随时随地在虚拟环境中开展实验活动。虚拟仿真实验成为实体实验的有益补充。
虚拟仿真其实很“实在”
    生科院分管教学工作的副院长张炜教授负责中心的全面建设,他这样解释“虚拟仿真”的概念:“‘虚拟仿真’的关键不是‘虚拟’,而是‘仿真’,虚拟仿真中心其实很‘实在’,虚拟仿真不是对教学中心的定位,而是对教学手段的描述,就是说,虚拟仿真是我们在实验教学中采取的一种手段,是用信息技术和网络资源弥补实体教学的不足。”
    “我们平时基本用小白鼠和兔子进行解剖,只有《局部解剖学》才会解剖犬类,而且以老师演示为主,一学期下来,只有五六次解剖机会。”动医院学生潘星岑说,“对于想要成为宠物医生的同学,只有到大五才会开设《小动物外科手术学》。以前师兄师姐只能通过校外实习增加这方面的知识,现在有了动物学3D虚拟仿真解剖系统,在电脑上就可以‘解剖’犬类了。” 
    比起平面的教科书,立体的虚拟系统很“真实”。“这是德国牧羊犬,选中后,可以上下左右旋转它,可以放大、缩小,点击它的皮肤,再点击透明按钮,皮肤透明显示,就看到内部解剖结构了,可以360度真正无死角地观察。”随着她的操作,屏幕上牧羊犬的肌肉、血管清晰可见,“点击一块肌肉,再点击隐藏按钮,这块肌肉就被解剖掉了,可以看到这个位置的更深层次的结构。点击结构,会看到结构的名称,你看,这块叫斜方肌,这块叫背阔肌。也可以单独显示某个结构近距离观察。还可以把其他所有结构透明显示,更好地观察当前解剖结构的位置。” 
    虚拟仿真实验的现阶段目标是弥补实体教学的不足;长远目标则是实现学生的自主学习。实验室做不了的网络上可以做,教学大纲不要求的,课外可以进一步学习,多途径培养,研究型、应用型多方兼顾,让虚拟仿真实验教学成为学生自主学习的第二课堂。 “我们利用的网络资源不是固态的画面、简单的PPT演示,而是互动式的教学,师生互动,人机互动,很多实验的操作都能仿真式地展现,让学生通过人机之间的对话,完成虚拟实验,最终实现学生的自主学习。”
突破时空的限制
    “植物生长变化有一定的周期性,在以往的教学中,很难让学生观察到根、茎、叶、花、果、种子全部完整的植株,但有了虚拟仿真实验,就可以突破时间的限制。”生科院植物生物学系王庆亚教授向记者介绍。 针对植物野外识别受时空制约等困难,中心开设了植物资源识别与鉴定仿真实验,可以延展实习和观察的时空,让学生跨越时空,对典型科的重要植物资源不受季节、地域限制进行辨识。 
     “我们在校园里进行了地毯式的搜寻,几乎踏遍了学校的每一寸土地,记录每个区域有哪些植物并拍照。”生命基地班的姚燊豪同学参与了校园植物数字地图的建设,主要负责划分地域、调查物种、提供照片,“这是件很有意义的事情。以前上实习课的时候,边在校园里观察植物边听老师讲解,难免顾此失彼;而且那么多植物,老师也不可能面面俱到。有了植物数字地图,不但可以对要求掌握的知识查漏补缺,而且我们可以根据兴趣自主学习不要求掌握的植物。” 
    虚拟仿真实验教学的突破时空还有另一层含义:使教学过程在时间和空间上得到延伸。以往只能在特定时间特定地点进行的实验,可以在虚拟环境中反复练习,学生做实验的熟练程度大为提高。生科院植物实验班的学生雷康琦对此深有体会:“以前实验课只能在规定时间到实验室上,既没办法预习也没办法复习,而现在,不管是在宿舍还是图书馆,只要电脑联网,都可以根据自己的时间使用虚拟仿真平台进行学习,感觉实验室就在身边。” 
绿色教学 资源共享
    与实体教学相比,虚拟仿真实验教学节约了教学成本、资源消耗以及师资投入,实现了“绿色教学”:无论开放多少次实验,都无需增加额外投资;操作者可以反复尝试,没有动物、器材和试剂的消耗,大大降低了实验经费;去除了繁杂的实验准备工作,节省了人力。王庆亚说:“虽然没有进行过具体测算,但仅就实验试剂一项而言,节约的费用也是惊人的。”
    虚拟仿真实验教学中心最大的优势和特点是资源共享。“实体资源共享存在一些困难,而虚拟资源一旦形成就可以共享,我们现在初步建成了一些虚拟仿真教学资源,首先会在学校进行辐射,同时进一步向校外辐射。”张炜希望中心的资源可以实现最大化利用。
    以往,学校人文社科类专业的学生开设《生命科学导论》基础课时,安排教学实验是个难题,现在有了虚拟仿真实验教学中心,人文社科类学生可以自主上网模拟实验,提高科学素养,满足学生成长为高素质人才的需要。金融院学生刘晓童体验了交互式虚拟实验:“通过虚拟的形式一样可以观察细胞繁殖与凋亡的鲜活状态,了解显微镜下奇妙的微观世界,书本上的知识一下子活了起来。弥补了我们文科学生没法上实验课的遗憾。”
    目前,中心资源校内开放,通过我校主页上的“校内站点”版块即可进入中心网站,只要注册登录,就可按需浏览。校际间也可免费共享。虽然增加了管理成本,但扩大了中心教学资源的传播范围和辐射途径。
    与著名游戏“虚拟时代”有着共同点的虚拟仿真实验教学中心一经推出,便受到学生的广泛好评。“学习就像‘玩’一样,特别有意思。”生科院大一学生王敬对通过中心进行植物识别乐此不疲。让学生身临其境地漫游于虚拟环境,让学生爱上学习、自主学习,农业生物学的“虚拟时代”已经开启。
本文转载至南京农业大学校报--《开启农业生物学的“虚拟时代”》