細(xì)胞生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的構(gòu)建

陶 娟 楊 杰 張 靖

(新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院三全學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)是細(xì)胞生物學(xué)課程體系中不能忽略的實(shí)踐教學(xué)部分，與理論課相輔相成。 細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技能是生物學(xué)類人才必須掌握的基本技能之一，因此，細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)是高等學(xué)校生物學(xué)相關(guān)專業(yè)重要的基礎(chǔ)實(shí)踐課程之一。 伴隨著“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的蓬勃發(fā)展，課堂教學(xué)逐漸呈現(xiàn)信息化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化的發(fā)展趨勢(shì)[1]。將互聯(lián)網(wǎng)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為現(xiàn)在改革的重要課題。 因此，細(xì)胞生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的構(gòu)建具有重要的理論意義和時(shí)代意義。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的概述

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是利用網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬和重現(xiàn)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟的一種實(shí)驗(yàn)操作，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有安全性、仿真性及參與性等特點(diǎn)[2]，能夠解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題，如實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、安全系數(shù)低、受制于倫理學(xué)和經(jīng)費(fèi)高、流失已久的實(shí)驗(yàn)技術(shù)等不易實(shí)操的綜合性實(shí)驗(yàn)等問(wèn)題[3]，并且能夠拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間。 作為對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充和完善，國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的應(yīng)用成效與高等學(xué)校人才培養(yǎng)目標(biāo)和社會(huì)需求之間存在一定的差距，如實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與理論課知識(shí)點(diǎn)結(jié)合得不夠緊密，重點(diǎn)和難點(diǎn)不夠突出，評(píng)價(jià)體系不完善，資源更新速度和共享度有待提高[4]。

2 傳統(tǒng)的細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題

細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是細(xì)胞生物學(xué)教學(xué)體系中比較重要的環(huán)節(jié)，是對(duì)細(xì)胞生物學(xué)理論教學(xué)的補(bǔ)充。通過(guò)細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有利于加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生基本的實(shí)驗(yàn)操作技能，有利于提高學(xué)生的科研素養(yǎng)和解決問(wèn)題的能力。 大量新的細(xì)胞生物學(xué)技術(shù)的出現(xiàn)及相關(guān)知識(shí)和信息的井噴式增長(zhǎng)，促使教學(xué)工作者不斷更新教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法[5-6]。這些改進(jìn)在很大程度上改變了教學(xué)內(nèi)容陳舊、缺乏連貫性及操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但還遠(yuǎn)不能讓學(xué)生跟上技術(shù)快速發(fā)展的步伐。 整體性、連貫性的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)由于受到學(xué)時(shí)和經(jīng)費(fèi)等條件的限制，學(xué)生無(wú)法進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)操作。 學(xué)生不能掌握新技術(shù)、學(xué)習(xí)新方法，極大地影響了學(xué)生對(duì)科學(xué)的探索欲望。因此，設(shè)計(jì)直觀生動(dòng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，突破時(shí)間和空間的限制，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，已成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的方向之一。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的構(gòu)建理念

細(xì)胞生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)要秉承“科學(xué)規(guī)劃、突出重點(diǎn)、資源共享、提高效益、持續(xù)發(fā)展”的指導(dǎo)思想[7]，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)的技術(shù)與方法，培養(yǎng)生物類學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的能力，采用虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，將常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法開(kāi)展的前沿及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，利用虛擬技術(shù)轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，既提高了教師的教學(xué)效率，也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率及實(shí)踐創(chuàng)新能力。

4 細(xì)胞生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式擬構(gòu)建內(nèi)容

我校正處于應(yīng)用型轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，實(shí)驗(yàn)教學(xué)處于全面深化改革的重要時(shí)期，為了提升學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，我們擬采用細(xì)胞生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容形成基礎(chǔ)性和綜合性兩個(gè)層次，共9 個(gè)模塊。本平臺(tái)將為我校生物技術(shù)、生物工程、生物制藥與臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)細(xì)胞生物學(xué)課程的重要學(xué)習(xí)平臺(tái)?，F(xiàn)將細(xì)胞生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的構(gòu)建方案介紹如下。

4.1 基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)

細(xì)胞生物學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真試驗(yàn)將包括顯微鏡的使用，如普通光學(xué)顯微鏡和熒光顯微鏡的使用和應(yīng)用；細(xì)胞制片技術(shù)，如壓片、涂片、徒手切片和冰凍切片；細(xì)胞化學(xué)技術(shù)，如DNA、RNA、酸性蛋白、堿性蛋白、酸性磷酸酶在細(xì)胞中的定位；細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)包括原代培養(yǎng)、傳代培養(yǎng)和細(xì)胞凍存；染色體分析技術(shù)包括染色體標(biāo)本的制備、核型分析。 通過(guò)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)虛擬資源的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅能夠全面了解和掌握細(xì)胞生物學(xué)的基本技術(shù)，而且也是培養(yǎng)基本實(shí)驗(yàn)操作技能和創(chuàng)新性思維能力的需要。

4.2 綜合性實(shí)驗(yàn)

細(xì)胞生物學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真試驗(yàn)包括動(dòng)物細(xì)胞的轉(zhuǎn)染與GFP 的RNA 干擾技術(shù)；細(xì)胞生理活動(dòng)的觀察，如細(xì)胞的自噬、吞噬和細(xì)胞凋亡的研究；藥物對(duì)細(xì)胞遷移與侵襲的影響。由于綜合性實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)周期往往較長(zhǎng)，過(guò)程也比較復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)消耗的比較多，采用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)就可以突破時(shí)間和經(jīng)費(fèi)的限制。 學(xué)生能將孤立的基本技術(shù)有機(jī)的整合，在鞏固基本實(shí)驗(yàn)技能的基礎(chǔ)上提高創(chuàng)新能力。

5 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的幾點(diǎn)思考

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M實(shí)驗(yàn)環(huán)境，將知識(shí)直觀化的呈現(xiàn)，可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，提高教學(xué)效率。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)相結(jié)合，打破客觀條件對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的限制，使學(xué)生對(duì)一些難以開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入了解，作為老師得力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助工具。 但虛擬實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)是有一定的差異，在建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)還需注意以下幾個(gè)方面：

（1） 虛擬實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容設(shè)計(jì)應(yīng)聯(lián)系學(xué)科的發(fā)展前沿。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要與理論教學(xué)的知識(shí)點(diǎn)緊密結(jié)合，以解決教學(xué)中重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，在建設(shè)中還要保證虛擬資源的可持續(xù)性。 除了能夠滿足教學(xué)外，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)還應(yīng)聯(lián)系學(xué)科的前沿動(dòng)態(tài)，以培養(yǎng)拔尖型、復(fù)合型人才，提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

（2）虛擬平臺(tái)交互性和兼容性要強(qiáng)。 平臺(tái)要利用人工智能等信息技術(shù)，增強(qiáng)交互的智慧化、智能化，能夠隨機(jī)隨時(shí)交互，滿足教學(xué)的需要。 完善平臺(tái)的兼容性，降低對(duì)硬件的要求，實(shí)現(xiàn)能夠用手機(jī)隨時(shí)隨地進(jìn)行操作。

（3）完善評(píng)價(jià)體系。 平臺(tái)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)要包括過(guò)程評(píng)價(jià)和結(jié)果評(píng)價(jià)，過(guò)程評(píng)價(jià)和結(jié)果評(píng)價(jià)都包含作業(yè)系統(tǒng)、預(yù)習(xí)系統(tǒng)、線上討論，最后成績(jī)應(yīng)包含這些成績(jī)，系統(tǒng)會(huì)按比例算出最終成績(jī)。