數碼顯微互動教學系統在高校生物實驗教學中的應用與創新

文章編號：1671-489X（2025）06-0089-05""DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.06.089

0 引言

數碼顯微互動教學系統創立于21世紀初，是生物實驗教學邁向網絡信息時代的一項重要創新。近二十年來，該系統不僅在高校中得到廣泛使用，還在條件較好的中學生物教育中得到普遍應用，其教學效果得到廣泛認可[1-4]。該系統由顯微鏡系統、圖像拍照處理系統、語音問答系統和網絡系統組成，通過局域網實現師生之間和學生之間的雙向或多向互動。與傳統教學模式相比，應用該系統可顯著提高教學效率。借助軟件，實驗過程和結果實現可視化，師生之間、學生之間可以實時討論和交流，這不僅方便了教師指導，也極大地提高了學生的學習效率，使實驗操作時間更加充裕，增強了學生在教學過程中的獲得感。這種新型教學系統對提升教學效率和實驗教學信息化水平具有顯著的推動作用，其互動性、共享性和高效性是傳統教學模式難以比擬的[5-8]。

生命科學學院實驗教學中心（以下簡稱中心）在多年使用商業版數碼顯微互動教學系統的過程中，針對該系統的軟硬件特點和生物實驗教學的實際問題，開展了一系列改革實踐。本文將詳細闡述中心自主設計的數碼顯微互動教學系統的建立、應用與更新，旨在為國內其他高校的生物實驗教學改革提供參考。

1應用商業版數碼顯微互動教學系統硬件和軟件問題分析

自2007年起，中心為滿足實驗教學改革的需求，建立了數碼顯微互動教室。在建設初期，引入商業版數碼顯微互動軟件，并在原有的46臺顯微鏡上加裝軟件配套的CCD攝像頭，同時為每臺顯微鏡配備電腦，從而搭建起數碼顯微互動教學系統。在隨后的七年時間里，該系統被廣泛應用于普通生物學實驗、微生物學實驗、細胞生物學實驗和遺傳學實驗等課程中。在長期使用過程中發現，盡管商業版軟硬件系統為教學帶來了諸多便利，但也暴露出以下一些問題。

1.1 硬件方面

商業版配套的CCD攝像頭像素較低，且并非與顯微鏡一體化設計的設備，在使用中存在諸多問題，例如接觸不良、信號傳遞受阻和攝像頭損壞等。這些問題導致教師在教學過程中需要花費大量時間調試設備，嚴重影響教學效率。因此，迫切需要一種信號穩定、像素較高且能與顯微鏡完美配套的CCD設備，以更好地滿足教學需求。

1.2 軟件方面

1）軟件升級問題：商業版軟件無法與電腦系統同步進行自動更新，這給系統的維護和使用帶來諸多不便。

2）簽到功能缺失：商業版軟件未設置人機對應關系，缺少簽到功能，無法準確記錄學生的出勤情況。

3）監控轉播功能缺陷：在監控轉播功能中，僅能顯示是哪臺電腦正在進行相關實驗操作，無法顯示具體的學生信息，這影響了實驗課的互動性。

4）課件分發功能受限：課件分發功能僅限于課堂內使用，缺乏外網下載功能。學生若想在課前獲取課件進行預習，需建立實驗QQ群，由教師將課件上傳至群內供學生下載。然而，群內消息繁多，學生查找課件十分麻煩。

5）作業提交功能缺陷：商業版軟件的作業提交功能僅適用于當堂提交報告的模式，沒有課后上傳功能。學生只能使用U盤將實驗原始數據拷貝回去再傳給教師。使用U盤不僅存在實驗室電腦中毒的安全隱患，而且課后無法甄別圖片等原始數據是否為學生本人親自采集。實驗課操作時間通常較長，課后完成并上傳作業是實際教學需求，實驗報告的傳輸問題已成為數碼顯微互動教學系統亟須解決的問題。

6）實驗報告管理煩瑣：使用商業版軟件時，只能手動對實驗報告進行分類管理。存放學生端傳來的原始數據或實驗報告的文件夾需要教師手動添加，并進行有效關聯，否則，所有學生的作業都會上傳到同一個文件夾，在分組較多的情況下，查看作業是否交齊變得十分困難。此外，每次實驗結束后，教師或助教還需手動統計學生是否都提交了原始數據或實驗報告。如果學生忘記在文件名上添加姓名，查找起來就更加煩瑣。

7）成績查看功能缺失：商業版軟件未設置實驗報告成績查看功能，學生查看單次成績只能通過申請查看教師記錄的原始成績統計表，信息化程度不高。

8）設備管理不便：商業版軟件采用非實名制登錄設備，這給實驗設備的管理帶來不便。學生不規范使用顯微鏡和電腦設備的情況時有發生，如不關電腦、不關顯微鏡、顯微鏡使用后不復位、油鏡使用后不擦拭等。要解決這些問題，需要事先手動登記好座位信息，與使用者姓名對應起來。如果學生因設備故障更換設備，又未進行變更記錄，就很難追蹤到使用者本人。

2數碼顯微互動教學系統的升級

為促進實驗教學質量提升，中心決定對數碼顯微互動教學系統的軟硬件進行全面升級，構建新型數碼顯微互動教學系統。

2.1 硬件升級更新

數碼顯微互動教學系統的硬件主要包括顯微鏡（或體視鏡）、具備拍攝功能的CCD和電腦。中心重新購置了41臺集電腦與CCD功能于一體的新型顯微鏡，完成了硬件設備的整體更新，如圖1和圖2所示。

2.2 自主設計數碼顯微互動軟件替代原有商業版軟件

新購置的顯微鏡自帶CCD設備，并配備有電腦端操作的拍照軟件。在此基礎上，只需設計一款獨立的互動軟件，即可使其與任何自帶拍照功能的顯微鏡實現無縫組合使用。該設計項目于2014年正式立項，并從學校教務處獲得相應的經費支持，與學校廣泛使用的在線課堂筆記系統同步開發。經過數年的反復修改與嚴格測試，全新的數碼顯微互動軟件Eclass1.0于2019年正式上線投入使用，如圖3和表1所示。該軟件具備以下創新功能。

1）登錄賬號功能。一人一賬號，賬號即是學號，密碼自行設定，數據與學校教務系統對接，登錄的賬號能直接在教師端顯示學生姓名，并記錄其登錄的計算機編號、登錄和登出時間以及在線人數，即使學生中途更換儀器設備也會被記錄。這一功能不僅實現了實名簽到，而且在儀器設備的實名制管理方面取得了重大突破，以前儀器不規范使用追溯到個人比較困難，現在只要登錄教師端軟件查看即可。

2）課堂小測驗功能。之前商業版軟件沒有這項功能，教師不得不借助其他設備完成實驗預習情況測試，現在將這項功能直接整合到顯微互動軟件中，讓教學更加便利。

3）學生分組功能。新的軟件系統與學校教務處的選課學生數據實現對接，在服務器端根據選課情況和上課時間對學生名單進行精準的課堂分配。因此，學生在實驗室提交原始數據和課后提交實驗報告時，數據會自動歸入相應的課堂號下。教師登錄自己的賬號后，可以輕松掌握每個課堂下學生實驗報告的統計情況，這為學生實驗報告管理奠定了堅實的基礎。學生提交實驗原始數據和實驗報告時，系統會把它們自動匹配到相應的課堂號下，并且學生只有選擇相應的實驗項目后才能進行提交。這一機制有效杜絕了學生選錯課堂、將作業交到其他課堂的情況。教師可以根據分組課堂的提交情況，及時通知遲交或忘交作業的學生。

4）安全便捷的作業（實驗報告）管理系統。Eclass的網絡架構突破了傳統學生機和教師機局域網的限制，其數據傳輸通過學校服務器完成，許多重要數據資源均存儲于服務器上。學生只有通過實驗室內單機版軟件Eclass登錄作業管理網頁時，才能看到“原始數據”這一選項；而在實驗室外登錄作業管理網頁時，該選項則不存在。這樣可以有效防止學生互相抄襲。學生提交作業后，教師端可以將整個班級的作業進行打包下載，同時根據課堂表現等記錄為每個學生評定成績。學生可以登錄個人賬號查詢成績。每個課堂還有相應的作業提交統計，完全滿足了中心目前的作業管理需求。

2.3數碼顯微互動軟件Eclass的迭代優化

新型數碼顯微互動教學系統自投入使用以來，歷經兩年時間，已應用于八個實驗科目。在使用過程中發現部分功能仍有待完善。為此，中心在廣泛征求使用教師的意見和建議后，于2022年對該軟件進行了升級優化，增加數據同步信息提示和定時提醒管理員數據端口更新、課程章節數據自動繼承、學生分組變更、使用學校統一身份賬戶登錄系統和找回密碼等功能，讓系統功能更加人性化。

3新型數碼顯微互動教學系統在實驗教學中的應用

新型數碼顯微互動教學系統上線后，中心向有需求的各個實驗科目都進行了推廣，包括普通生物學實驗、微生物學實驗、遺傳學實驗、細胞生物學實驗、醫學遺傳學實驗、病原微生物學實驗、醫學病理學及醫學組織胚胎學實驗等課程。下面以使用該系統較多的普通生物學實驗為例，探討新型數碼顯微互動教學系統在該實驗課程中的應用。

3.1普通生物學傳統實驗教學中存在的問題

中心的普通生物學實驗自2007年起便開始使用商業版數碼顯微互動教學系統。傳統教學模式為：教師在課堂上講授實驗內容，隨后學生自行制作臨時切片進行觀察或觀察永久切片，教師針對有疑問的學生進行個別指導，學生最后繪制手繪圖并標注來完成實驗報告。教師批改的均為紙質版實驗報告。在這種模式下，繪畫技能較高的學生在實驗報告成績上占據明顯優勢，而優秀的制片結果卻無法有效保存。

3.2使用新型數碼顯微互動教學系統的實踐效果

新型數碼顯微互動教學系統投入使用后，教師端的廣播教學功能新增了鎖屏功能，能夠讓學生在上課時專心聽講。講課結束后，教師還可通過及時進行小測試檢驗學生的學習和預習情況。上課時，教師可將課件通過教師端分發給每位學生，也可將課件上傳至服務器的課件中心，供學生隨時下載。學生在課堂上采集的圖片原始資料，通過課堂內的Eclass作業管理功能上傳。學生課后需認真規范地完成報告，并在規定時間內登錄網頁版作業管理系統提交作業。在此過程中，原始圖片數據的采集必須在課堂上完成并上傳，擅自使用他人圖片的行為會被系統查出，從而有效避免了抄襲現象的發生。

在實驗過程中，學生可以在制片的基礎上拍照保存真實的實驗結果，并利用教師端的監控轉播功能將優秀的實驗結果分享給全班學生。實名制分享極大地鼓勵了操作優秀的學生；而制片不理想的學生也可以通過系統交流平臺與教師和同學共同探討解決方案。這種互動操作不僅提高了教師的輔導效率，還促進了學生間的交流，同時激發了學生的學習興趣。以往，學生制作徒手切片只能看到自己的結果，好壞全憑教師判定，學生的學習積極性不高，這主要是因為評價機制的缺失。準確合理的評價能夠幫助學生明確努力的方向，了解學習目標的實現程度，喚起新的認知需要和成就需要[9-10]。現在，新型數碼顯微互動教學系統能夠提供實時的清晰圖像進行對比，激發學生對高質量實驗結果的追求。

新型數碼顯微互動教學系統還提升了實驗室電腦設備和數據管理的安全性。電腦維護是實驗室管理者的重要工作之一，電腦故障會直接影響教學進程，這也是許多使用商業版數碼顯微互動教學系統的兄弟院校較為棘手的問題[11-12]。對此，中心為每臺電腦都安裝了還原軟件，有效避免了因病毒造成的設備故障[13]。同時，數據的傳輸和存儲通過校內服務器進行，學生課后可登錄校園網址下載和訪問數據，無需通過教師機來收集數據資料，從而保證了數據的安全性。使用至今，未出現因中毒導致的學生機或教師機故障，這表明該管理措施和軟件提升功能確實保障了教學穩定[14-15]。

3.3新型數碼顯微互動教學系統的應用評價

為調查新型數碼顯微互動教學系統與商業版系統相比在使用效果上是否有顯著提升，中心統計了教師和學生對新系統的使用評價，特別對2019年應用過新老系統的班級進行了調查。學生對新系統大多持肯定態度。同時，使用過兩個系統的教師也反映，與商業版系統相比，自主設計的新型數碼顯微互動教學系統功能更為完善，使用起來更加便捷，能夠更好地服務于課堂教學。

4結束語

新型數碼顯微互動教學系統是生命科學學院實驗教學中心在多年使用商業版軟硬件的基礎上，根據實際教學需求進行的創新。該系統沿用了商業版系統實用性強的功能模塊，去除了不實用的部分，并新增了許多重要且實用的功能。這一創新成果作為安徽省重大教學改革項目的子項目—“課堂互動在線筆記教學系統開發”立項，并在結題時被評為優秀。在系統使用兩年后，結合師生的使用評價，中心進一步申請了安徽省教學研究項目“基于數碼顯微互動教學系統在生物課堂教學中應用的探索與實踐”，對新系統的軟件進行升級優化。經過迭代后的新系統，展現出更加人性化的設計，使用起來更加便捷。

將信息技術有效融入實驗教學，是數碼顯微互動教學系統升級的重要推動力[16-17]。中心將繼續積極探索實驗教學手段的改革創新。

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