醫學微生物學虛擬網絡實驗教學平臺建設與實踐

應牡英, 黃孝天, 莫 冰, 夏燕華, 趙 力, 龍 飛, 伍亮敬, 羅 軍

(1. 南昌大學 基礎醫學院, 江西 南昌 330006； 2. 南昌大學 基礎醫學實驗中心, 江西 南昌 330006)

醫學微生物學虛擬網絡實驗教學平臺建設與實踐

應牡英1, 黃孝天1, 莫 冰1, 夏燕華1, 趙 力1, 龍 飛2, 伍亮敬1, 羅 軍2

(1. 南昌大學 基礎醫學院, 江西 南昌 330006； 2. 南昌大學 基礎醫學實驗中心, 江西 南昌 330006)

計算機網絡和仿真技術的迅速發展使醫學微生物學實驗教學虛擬網絡化成為可能。南昌大學醫學微生物學課程是省級精品資源共享課以及校級示范性網絡課程。為了進一步豐富醫學微生物學實驗教學形式和教學內容、增強實驗教學的互動性和開放性、培養學生實踐創新能力,利用學校現有的網絡教學平臺,在醫學微生物學省級精品網絡課程基礎上,創建了醫學微生物學實驗教學虛擬網絡平臺。總結了該網絡平臺建設過程中的經驗,對平臺的建設方案、應用模式及教學特點做了相關介紹。

醫學微生物學； 虛擬網絡平臺； 實驗教學

醫學微生物學是一門研究醫學和病原微生物關系的主干基礎課程,是學習臨床各科感染性疾病、超敏反應性疾病以及與病原微生物有關癌癥疾病的必備理論基礎。其課程特點是信息量大、知識點多而分散,重點、難點不易掌握,記憶性知識多而推理性內容少[1-2]。此外,該課程的實驗教學對實驗室環境要求高,預防生物污染或感染難度大。為滿足現代醫學培養高素質醫學人才的教學需求,在現代信息化教學理論指導下,我們把當前的虛擬網絡技術、醫學微生物學實驗教學內容、醫學微生物學創新課題、在線數據庫和生物信息學有機地整合在一起,力求構建一種能把培養學生的實踐創新能力和現代化信息技術及網絡資源相結合的多元化實驗教學體系。

1 醫學微生物學虛擬網絡實驗教學平臺建設意義

可跨越時空障礙的虛擬網絡實驗教學平臺和傳統課堂實驗教學相比，能夠讓學生在學習時間和實驗內容的選擇上擁有更多的靈活性和自主性[3]。同時,虛擬網絡平臺所承載的優美圖片文字、豐富的視頻音頻、逼真的動畫場景以及與國際前沿同步的網絡資源為學生提供了一個多維的學習氛圍,超凡的視聽效果增強了學生學習的趣味性和知識性,可以最大限度地提高學生的學習效率,激發學生的學習潛能。

在計算機網絡和仿真技術迅速發展的今天,現代化的開放式網絡實驗教學無論在內容上、還是在形成上都為傳統課堂實驗教學的空白提供了一個及時有效的補充,順應了當前傳統課堂實驗教學向多元化實驗教學轉變的時代需求。網絡實驗教學平臺是將系統用戶管理、實驗內容管理、虛擬網絡實驗、教學互動、實驗報告管理、考試考核管理、實驗成績管理等各功能單元集成一體的實驗教學系統,能夠滿足傳統實驗教學由實驗室部分向網絡平臺遷移的需求,是高校建立基于網絡的開放式實驗體系的基本組成單位[4-6]。目前國內高校已有的醫學微生物學網絡課程的實驗教學內容,大都為文字和圖片資料介紹,所提供的實驗內容也非常有限,難以滿足培養學生研究創新能力的課程教學需求,缺乏師生互動和學生互助合作模塊，往往是一種單向的信息傳遞[7]。

本網絡實驗教學平臺的建設在滿足本科生醫學微生物學實驗教學的同時,也為研究生的實驗教學和課題研究提供了平臺,增加了網絡資源和數據挖掘模塊,學生在這個平臺可以追蹤與自己課題有關的國際研究最新進展,獲取公共數據庫的數據,并可以下載相關軟件進行分析。

2 醫學微生物學虛擬網絡實驗教學平臺建設目標

本虛擬網絡實驗教學平臺是以南昌大學網絡教學平臺為依托創建的網絡實驗教學平臺模塊。其目的是:

(1) 利用網絡教學的共享性、開放性和自主性,引導學生根據自己的實際情況,突破使用時間和空間上的限制,積極、主動、合理地安排自己的實驗；

(2) 利用可跨越時空障礙的網絡教學平臺超強的人機交互性,引導學生以螞蟻撼大樹的精神,充分、合理地利用自主時間對醫學微生物學各個知識點進行自主探究、自由討論和相互學習；

(3) 利用超凡的視聽效果,最大限度地激發學生的學習興趣和自主能動性,讓身心愉悅貫穿學生的整個實驗學習過程,讓樂趣促進學習,實現學習的游戲化[8]；

(4) 構建以現代化實驗教學技術為手段、結合傳統課堂實驗教學優點、利用網絡虛擬實驗室和學生自主學習為依托的多元化實驗教學體系；

(5) 為探索網絡環境下學校新型醫學微生物學實驗教學改革，奠定部分前期工作基礎。

3 醫學微生物學虛擬網絡實驗教學平臺建設內容

根據醫學微生物學網絡課程理論教學內容,將醫學微生物學實驗教學網絡平臺分為實驗室概況、實驗導學單元、虛擬網絡實驗單元、實驗室開放單元及實驗反饋、評價、交流單元。通過網絡實驗單元、實驗室開放單元、實驗專題討論的交叉關聯和統籌設計,構建出實驗模式多樣、實驗目標明確、實驗內容充分,并與理論課程知識緊密相連的實驗方案,其組織架構如表 1 所示。

表1 醫學微生物學虛擬網絡實驗教學平臺建設內容

3.1 網絡實驗室概況

網絡實驗室概況主要介紹網絡實驗室的基本情況、重要通知、組織構架、實驗指南以及本組課題研究進展及國際動態,讓學生系統地了解病原微生物實驗的教學大綱、授課計劃、時數、特點、教學目標的同時,也讓學生,尤其是研究生能較好地了解本課題組的研究項目及其研究進展,同時也能較好地把握病原微生物國際研究動態。

3.2 網絡實驗導學單元

實驗導學單元是學生對實驗初步認知的重要部分,該單元采用下拉式菜單設計,按照五年制醫學本科專業(臨床、預防、檢驗、影像、麻醉、口腔等)培養方案,將實驗內容分為若干個子欄目,每個子欄目包括實驗內容、多媒體課件、教師教案、教學錄像和軟件應用。其中實驗內容是該單元的重點,包括細菌形態與常用細菌染色法、正常人體皮膚上的細菌分布及空氣中細菌的檢測、細菌感染的檢查方法和防治原則、細菌的特殊結構觀察、致病性細菌形態觀察、致病性球菌的分離培養與鑒定、致病性桿菌的檢測與鑒定、致病性細菌的耐藥性檢測與機制探討、物理消毒與滅菌、真菌形態染色、真菌的培養、病毒的形態學、病毒分離培養及鑒定等,以圖片、文字、視頻、音頻等格式進行存儲,并在彼此之間構成合理的交叉鏈接,在內容上形成有效補充,實驗者能夠選擇與自己每個實驗項目相關的內容,為課程學習和實驗操作奠定基礎。多媒體課件主要是介紹病原微生物學基本操作。教學錄像包括教師實驗視頻錄像和部分基本操作教學錄像。軟件應用主要介紹如何應用生物學軟件,其中配有操作視頻錄像。

3.3 虛擬網絡實驗單元

本單元包括革蘭染色、抗酸染色、致病性菌的分離培養與鑒定以及項目研究等網絡虛擬實驗項目。這些網絡虛擬實驗項目的實現過程如下:

(1) 生成虛擬模型。虛擬模型的生成是構建虛擬實驗最為基礎的一步,一般包括虛擬場景、虛擬儀器以及其他虛擬設施的生成。在病原微生物實驗中最常用的顯微鏡、培養皿、酒精燈、滅菌鍋、接種環等,都需要進行虛擬化的三維構建。另外,為使虛擬實驗更加逼真,需要為每個實驗創造特定的虛擬場景,如接種操作,不僅要動態演示操作過程,還需要將該操作置于超凈臺中,那么超凈臺中各種儀器的擺放位置以及比例協調都是在場景布置中要考慮的。

(2) 動態效果的實現。在生成了虛擬模型的基礎上,運用Flash、3Dmax等軟件將元件、場景、動畫、音頻等進行融合,以現實實驗內容展現在虛擬實驗中,構成一系列的虛擬實驗的原始數據。這些原始數據經過融合處理所得到的網絡虛擬實驗綜合數據還需要經過網絡的方式傳輸到客戶端上。

(3) 動態效果在客戶端上的表現。在將網絡虛擬實驗的融合數據通過網絡傳輸到客戶端上之后,客戶端上的軟件對數據進行再處理,并將場景、動畫以及聲音等信息通過瀏覽器顯示出來,將實驗的場景呈獻給用戶[9]。

在本單元中,學生在虛擬實驗臺上親自動手配置、安裝、連接、調節和使用實驗儀器設備,按照實驗步驟完成典型實驗。虛擬實驗平臺與真實實驗平臺類似,提供一個器材欄,允許學生根據平臺上提供的器材自由搭建任意合理的典型實驗或實驗系統案例。學生通過在虛擬實驗平臺自由搭建實驗模型,可以培養學生自身的實踐創新能力。而典型的真實實驗平臺通常是由有經驗的病原生物學教師精心設計,并要求學生在此基礎上進行實驗,可滿足教師對各層次實驗教學的監管需求。

學生通過虛擬實驗平臺動手操作,對儀器設備功能有了一定的了解,學會了基本實驗操作就可以獨立或分組設計感興趣的實驗項目,經過和指導教師的討論，完善實驗設計、撰寫研究計劃并提交項目申報書后,可以申請實驗室完成實驗。這一部分可以結合實驗室開放單元完成。

3.4 網絡實驗室開放單元

本欄目包括學生實驗預約、學生科技創新項目、學生課題研究、國際視野和相關公共數據庫鏈接及生物信息學軟件下載。

實驗預約欄主要公布開放實驗項目、時間、地點、設備資源狀況和實驗預約等信息,學生可以通過校園網訪問實驗室開放菜單查詢預約結果和更改預約時問。在科技創新欄(主要針對本科生),學生可以結合虛擬網絡實驗單元開展所申報的科技創新項目研究。在課題研究欄(主要針對研究生),研究生可以結合虛擬網絡實驗單元,開展自己的課題研究。在國際視野欄,學生可以追蹤病原微生物研究的國際前沿及最新進展。利用公共數據庫的相互交叉鏈接并結合自己的研究課題,學生可以充分挖掘公共數據,并利用生物信息學軟件結合自己的研究課題進行相關分析。

3.5 網絡實驗反饋、評價、交流單元

本欄目依托學校網絡教學平臺中現有的模塊整合、增添后形成。原有的作業模塊中有“作業模板管理”“作業管理”和“統計分析”欄目,可對學生的實驗報告進行管理；“在線測試模塊”可管理網絡考試考核和實驗成績,增加“在線練習”和“模擬考試”,用于檢驗學生對每個實驗基本知識和操作的理解、掌握程度以及學生的自我檢測,實現對實驗掌握程度的自我評估；“答疑討論模塊”中已開設“課程論壇”“研究論壇”“常見問題”“自動答疑”和“郵件答疑”等欄目,可進行師生互動、生生互動。

4 醫學微生物學虛擬網絡實驗教學平臺的特點

4.1 貫穿“以學生為主體”的教育理念

在使用科技輔助教學的過程中,無論科技如何變化,教育的核心都是學生。在數字化時代的背景下,如何改善學生的學習體驗是個重要問題[10]。本網絡實驗教學平臺堅持“以學生為主體”的現代教育理念,構建了圖、文、動畫等并存的多維學習氛圍,提高學生的學習興趣、激發學生的學習潛能,而且在素材選擇、網站菜單設計、實驗場景創建、實驗內容組織等方面,都是從學生的認知水平和知識儲備出發,遵循認知的基本規律,讓學生在輕松掌握病原生物學基礎理論知識和基本實驗技能的同時,引導學生根據自己的研究興趣,開展自己的項目設計及課題研究。

4.2 滲透“導學式”教學模式

網絡課程的學習特點是自由開放, 學習者完全可以根據自己的實際情況靈活選擇學習時間和學習內容,控制自己的學習進度。由于醫學微生物實驗涉及的知識面廣、實驗操控難度大、實驗現象表現形式多樣,學生很容易受到信息干擾,影響對實驗結果的分析。

在本虛擬網絡實驗教學平臺上設置了導學板塊,并將信息線性呈現,相互之間又能以鏈接方式補充,學生在學習時有的放矢,達到事半功倍的效果。另外學生還可以通過交流單元接受教師的指導,始終在教師的“導”下主動學習,不會因為學習資源的豐富而迷失方向,偏離學習目標,降低學習效率。同時,國際視野讓學生學會隨時追蹤與自己課題研究相關的國際動態,并根據國際研究報道對自己的課題研究做出與之相適應的調整。

4.3 以能力培養為目標

本虛擬網絡實驗教學平臺通過對導航的精心設計,在學生掌握基礎知識和基本技能的同時,培養學生的信息搜集、數據檢索和軟件應用的科研能力。學有余力者還能夠獨立或合作開展自己感興趣的實驗項目,可以獨立或在教師的指導下制訂實驗方案和完成實驗工作。學生不再是被動參與,而是主動參與整個實驗過程的課題選擇和實驗設計,有利于培養學生的自主創新意識和獨立思考能力。通過參與科技創新和課題研究,學生的科研素養可以得到比較全面的訓練,為學生將來的職業生涯和研究工作打下一個良好的科研基礎,奠定一定的學術背景。

4.4 多向互動與反饋

現在很多網絡課程都是單向的信息傳遞,學生或按照教師的設計“直線行走”,或“盲目行走”,學習效果難以保證[11]。本虛擬網絡實驗教學平臺設計了多種互動途徑,通過引入虛擬網絡實驗,創設了一種逼真的虛擬學習空間,使學習者通過人機對話實現交互學習；另外通過嵌入“自動答疑”模塊,讓學生能夠很快找到相關知識點或者教師的針對性解答,實現“人機交互”； 而“課程論壇”“研究論壇”和“郵件答疑”實現了“生生交互”和“師生交互”。教師在此可以了解學生的學習動態,并對學生的提問做出及時反饋。學生之間也可以相互學習交流、幫助和答疑。只有不斷地探索,才能更好地生存。

5 結語

本醫學微生物學虛擬網絡實驗教學平臺已于2012年開始在我校醫學本科生和碩士研究生中試用,并在不斷進行完善中。作為現代開放式教學手段, 多元化的虛擬網絡實驗教學以其獨特的優勢為學生創造了一個個性化的學習環境,不受時間、空間的限制, 一定程度緩解了當前教師少、學生多、學時少、內容多的矛盾,降低了實驗室維護和管理成本,降低了傳統課堂實驗教學課程開設成本。在實施過程中采取網絡課程知識競賽、網絡課程設計大賽、將參與網絡課程互動學習作為平時成績考核指標之一等方式,使學生參與到網絡課程教學的設計和實施環節,實現“線上”和“線下”融為一體[12]。

目前,“醫學微生物學”網絡課程網站訪問量達到8萬人次,課程論壇已有900條發帖記錄,學生討論熱烈。有1 000余名學生完成了課程布置的多次作業。但限于多種影響因素,如人力、物力、財力、時間和能力等,本虛擬網絡實驗教學平臺建設尚存在很多不足,有待在將來的工作中不斷完善。

References)

[1] 王飛. 深化教學改革,提高微生物學實驗教學質量[J].實驗室研究與探索,2011,30(7):94-95,140.

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[4] 王強,李戰春,何才輝.探尋網絡實驗教學新思路[J].實驗室研究與探索,2008,27(6):30-32.

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Construction and practice of virtual network platform for experimental teaching of medical microbiology

Ying Muying1, Huang Xiaotian1, Mo Bing1, Xia Yanhua1, Zhao Li1, Long Fei2, Wu Liangjing1, Luo Jun2

(1. Basic Medical College, Nanchang University, Nanchang 330006,China；2. Experimental Center of Basic Medical Sciences, Nanchang University, Nanchang 330006,China)

The rapid development of computer network technology and virtual simulation makes it possible to construct virtual network platform of experimental teaching of Medical Microbiology. Medical Microbiology courses of Nanchang University are provincial-level excellent resource sharing courses and school-level model of network courses. Based on the network teaching platform in Nanchang University and the provincial-level excellent course of our medical microbiology, the network teaching platform of medical microbiology experiments is set up to further enrich the methods and contents of our experimental teaching, enhance the interaction and the openness of experimental teaching, and cultivate students’ practical and innovative ability. The helpful experience about the platform construction is summarized, and the introduction to its construction scheme, application mode and teaching characteristics is made.

medical microbiology; virtual network platform; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.056

2016-07-25 修改日期：2016-08-22

江西省教學改革重點立項課題(JXJG-12-1-7)

應牡英(1969—),女，江西鄱陽,博士,副教授,主要從事醫學教學科研工作.

E-mail：yingmuying@ncu.edu.cn

R37

: A

: 1002-4956(2016)12-0221-04