細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的多媒體互動(dòng)教學(xué)模式探索

張旦旦+蔡燕飛+李會(huì)+史勁松

摘要：近年來(lái)，隨著教學(xué)改革的持續(xù)深化和創(chuàng)新教育的不斷推進(jìn)，實(shí)踐教學(xué)已成為培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的重要環(huán)節(jié)。細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，隨著信息技術(shù)和現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題，不斷開(kāi)展改革和創(chuàng)新。多媒體互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)作為現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的一種新手段，已逐漸被應(yīng)用至細(xì)胞生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。本文探討了多媒體互動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的架構(gòu)以及多媒體互動(dòng)教學(xué)模式在細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，這對(duì)理工科實(shí)踐教學(xué)具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)；多媒體互動(dòng)教學(xué)；顯微成像技術(shù)

一、研究背景

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為實(shí)踐教學(xué)的主要組成部分，在高等教育中舉足輕重。細(xì)胞生物學(xué)是當(dāng)今生命科學(xué)的前沿學(xué)科之一，近年來(lái)發(fā)展迅速，且每一項(xiàng)創(chuàng)新性研究成果中都體現(xiàn)了創(chuàng)新性的研究思路、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯坎呗砸约皩?shí)驗(yàn)技術(shù)方法的科學(xué)運(yùn)用。其中，實(shí)驗(yàn)技術(shù)方法是學(xué)科研究的基礎(chǔ)。隨著技術(shù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的快速崛起，細(xì)胞生物學(xué)已滲透到遺傳學(xué)、分子生物學(xué)和發(fā)育生物學(xué)等生命科學(xué)各分支學(xué)科，成為生命科學(xué)研究的重要利器。因此，如何在細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中將前沿的實(shí)驗(yàn)技術(shù)方法以簡(jiǎn)單明了的方式傳授給學(xué)生，提高學(xué)生對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的接受度，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、深入探索的自主意識(shí)和科研創(chuàng)新能力，值得我們深入思考。

傳統(tǒng)的細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅作為理論教學(xué)的補(bǔ)充，不但實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)單一，技術(shù)方法陳舊，而且教學(xué)模式單一，部分精細(xì)化實(shí)驗(yàn)技術(shù)展示度不夠，教師對(duì)學(xué)生的指導(dǎo)又無(wú)法做到面面俱到，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)掌握不到位。近年來(lái)，隨著信息技術(shù)和現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題，不斷開(kāi)展改革和創(chuàng)新，多媒體互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)作為現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的一種新手段，已逐漸被應(yīng)用至細(xì)胞生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。該系統(tǒng)基于顯微成像技術(shù)，利用網(wǎng)絡(luò)傳輸通過(guò)計(jì)算機(jī)將實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生顯微鏡、教師顯微鏡以及其他網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有機(jī)聯(lián)系在一起，從而構(gòu)成了師生間的網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)和雙向溝通，使師生間討論的內(nèi)容一目了然，樣本的觀察更方便，彼此交流更直觀、有效。教師和學(xué)生的互動(dòng)交流，可實(shí)現(xiàn)構(gòu)建教師顯微實(shí)際操作的“現(xiàn)場(chǎng)直播”與學(xué)生獨(dú)立操作演示相結(jié)合的互動(dòng)式教學(xué)模式，本文就教學(xué)模式的實(shí)施展開(kāi)了討論。

二、多媒體互動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)

多媒體互動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的基本架構(gòu)是：將倒置顯微鏡、數(shù)字成像系統(tǒng)（CCD）、計(jì)算機(jī)（圖形采集和處理工作站）、實(shí)時(shí)錄像系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)交換器、投影儀等儀器設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接和軟件系統(tǒng)有機(jī)整合，將圖形、數(shù)據(jù)等資料選擇性地呈現(xiàn)在學(xué)生面前。下文從教師端和學(xué)生端分別介紹多媒體互動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的架構(gòu)。

1.教師端的組成和主要功能

教師端主要由兩部分組成：一是安裝于超凈工作臺(tái)的實(shí)時(shí)錄像系統(tǒng)，可將教師在超凈工作臺(tái)上的每一步操作如現(xiàn)場(chǎng)直播展現(xiàn)在大屏幕上；同時(shí)可以調(diào)節(jié)錄像焦距，即對(duì)部分細(xì)節(jié)操作進(jìn)行微距拍攝，并清晰地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，配合教師對(duì)動(dòng)作要點(diǎn)的講解，提高學(xué)生對(duì)操作的接受度。由于所有操作均在教室的投影屏幕上展現(xiàn)，可供全班同學(xué)（一般為30人）無(wú)死角觀看，解決了示教空間局限性的問(wèn)題，提高了教師的教學(xué)效率。教師端的另一組成部分為顯微成像系統(tǒng)，由倒置顯微鏡和1200萬(wàn)像素的CCD組成。對(duì)于培養(yǎng)細(xì)胞或組織的觀察均在倒置顯微鏡上進(jìn)行，教師將制作好的標(biāo)準(zhǔn)化樣品放在教師端顯微鏡上觀察成像，通過(guò)CCD將圖像傳輸至教師端主機(jī)，并呈現(xiàn)在投影儀上。教師可邊操作顯微鏡，邊根據(jù)圖像講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使學(xué)生在認(rèn)識(shí)圖像內(nèi)容的同時(shí)學(xué)習(xí)儀器的操作，包括圖形工作站的操作和圖像資料的后處理。

2.學(xué)生端的組成和主要功能

學(xué)生端主要為顯微成像系統(tǒng)，由倒置顯微鏡和600萬(wàn)像素的CCD組成。學(xué)生在觀摩、學(xué)習(xí)教師的操作后，在超凈工作臺(tái)上處理實(shí)驗(yàn)樣品，放在學(xué)生端顯微鏡上觀察成像，通過(guò)CCD將圖像傳輸至學(xué)生端主機(jī)，進(jìn)而在圖形工作站上處理圖像，并將最后結(jié)果傳輸至教師端主機(jī)。

3.學(xué)生端和教師端的交互作用

本系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備將學(xué)生端和教師端聯(lián)系在一起，教師可以將操作視頻和標(biāo)準(zhǔn)化圖像傳輸至學(xué)生端主機(jī)，供學(xué)生學(xué)習(xí)；學(xué)生可以將實(shí)驗(yàn)結(jié)果傳輸給教師，與教師討論實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。教師可根據(jù)圖像質(zhì)量選擇性地將結(jié)果投影至大屏幕，有針對(duì)性地講解，也可單獨(dú)對(duì)作業(yè)學(xué)生進(jìn)行講解。對(duì)于學(xué)生做得較好的結(jié)果，教師可以將圖像發(fā)送至所有學(xué)生端主機(jī)，供其他學(xué)生學(xué)習(xí)。

三、多媒體互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

1.現(xiàn)場(chǎng)直播，示教效果好

由于細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)大部分操作必須在潔凈空間下進(jìn)行，且精細(xì)化操作較多，而用于該操作的超凈工作臺(tái)通常空間較小，即使現(xiàn)在常用的玻璃背板超凈工作臺(tái)也只有前后兩部分約2～3米的空間可供學(xué)生觀摩學(xué)習(xí)。由于觀看空間較小，后排學(xué)生無(wú)法看見(jiàn)超凈工作臺(tái)內(nèi)部。傳統(tǒng)教學(xué)方法為達(dá)到一定的教學(xué)效果，通常選用以下兩種方式解決：一是將演示教學(xué)操作放到非潔凈空間進(jìn)行；二是按小組進(jìn)行教學(xué)，通常這兩種方式需同時(shí)使用，即大班演示教學(xué)結(jié)束后，必須向小組強(qiáng)調(diào)潔凈空間下的規(guī)范操作以及注意事項(xiàng)，該教學(xué)模式無(wú)法完整還原整個(gè)實(shí)驗(yàn)的規(guī)范化操作流程，不僅教師工作量被放大，而且教學(xué)效果不佳。多媒體互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)采用的以實(shí)時(shí)錄像系統(tǒng)為依托的現(xiàn)場(chǎng)直播式示教模式能清晰展示精細(xì)化實(shí)驗(yàn)操作，跳出了小班教學(xué)的局限性，且教師可邊操作邊細(xì)化講解，示教效果好，尤其適用于實(shí)驗(yàn)對(duì)象小、操作空間小的實(shí)驗(yàn)，如原代細(xì)胞分離培養(yǎng)、細(xì)胞傳代培養(yǎng)、96孔板操作等。

2.互動(dòng)教學(xué)，提高教學(xué)效率和考核精度

通過(guò)多媒體互動(dòng)教學(xué)，我們形成了新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和考核體系。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于教師和學(xué)生一直處于互動(dòng)狀態(tài)，即學(xué)生可根據(jù)教師發(fā)送到學(xué)生端的示教視頻開(kāi)展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，遇到難點(diǎn)可隨時(shí)向教師求教；教師可根據(jù)學(xué)生提交到教師端的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，隨時(shí)進(jìn)行篩選區(qū)別，對(duì)部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可針對(duì)性地引導(dǎo)學(xué)生分析該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，并將此作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)考核成績(jī)的一部分。相比傳統(tǒng)課程結(jié)束后的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，該模式對(duì)個(gè)別實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析更具針對(duì)性，更利于學(xué)生思維能力的培養(yǎng)。在考核機(jī)制的約束下，學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的態(tài)度更加認(rèn)真，教師可規(guī)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果提交時(shí)限，這樣實(shí)驗(yàn)過(guò)程中開(kāi)小差、拖沓等問(wèn)題可得到有效的控制，教學(xué)效率可得到有效提高。

3.全程管理，提高學(xué)生參與度

互動(dòng)教學(xué)的過(guò)程也是全程管理的過(guò)程，即從上課伊始，教師就利用課程相關(guān)PPT對(duì)實(shí)驗(yàn)原理等背景知識(shí)做全面介紹，引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。操作示教進(jìn)行全程錄像講解，包括顯微鏡的操作和圖像的采集。教師可隨時(shí)根據(jù)學(xué)生提交的圖像數(shù)據(jù)，推斷實(shí)驗(yàn)過(guò)程的問(wèn)題，并及時(shí)與學(xué)生溝通。教學(xué)過(guò)程中學(xué)生必須保持注意力高度集中，才能適應(yīng)課堂的整體節(jié)奏，且每一步過(guò)程中教師都會(huì)根據(jù)學(xué)生的反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)提問(wèn)或解說(shuō)，將各組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示在投影儀上或發(fā)送到所有學(xué)生端主機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)答疑，通過(guò)緊湊精準(zhǔn)的管理，使學(xué)生在上課過(guò)程中進(jìn)入緊張學(xué)習(xí)的狀態(tài)，這樣學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的參與度自然得到提高。

四、結(jié)論

綜上所述，我院在細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)過(guò)程中不斷改革教學(xué)方法和教學(xué)模式。多媒體互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)作為我院新引進(jìn)的教學(xué)模式，在提高教師的教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性上發(fā)揮了重要作用，一方面極大地促進(jìn)了學(xué)生對(duì)細(xì)胞生物學(xué)理論知識(shí)的理解和掌握，另一方面對(duì)學(xué)生的研究與創(chuàng)新能力也至關(guān)重要。該教學(xué)模式培養(yǎng)了學(xué)生的獨(dú)立思考意識(shí)，打破了傳統(tǒng)教學(xué)的單一模式，增強(qiáng)了師生之間對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的交流溝通，更生動(dòng)地展現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)效果，吸引學(xué)生對(duì)細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的注意力。該模式可推廣應(yīng)用至其他實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，從而提高教學(xué)質(zhì)量，讓學(xué)生在每一次實(shí)驗(yàn)中，都能夠帶著問(wèn)題走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，按照嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并用科學(xué)的方法分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最終找出問(wèn)題的答案，親身體驗(yàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程。

當(dāng)今社會(huì)科學(xué)快速發(fā)展，教師要通過(guò)科學(xué)調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，改革實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)手段，借助輔助教學(xué)手段等方式，探索對(duì)學(xué)生創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，提高學(xué)生的自主參與性。另外，教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提高自身專業(yè)知識(shí)和個(gè)人素質(zhì)，培養(yǎng)更多的高水平、高素質(zhì)人才。

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