多學科融合分子生物學實驗網絡教學平臺的設計與實現

鄭小堅, 何　俊, 貢成良, 薛仁宇

(1. 蘇州大學 醫學部, 江蘇 蘇州　215123；2. 蘇州大學 計算機科學與技術學院, 江蘇 蘇州　215123)

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計算機技術應用

多學科融合分子生物學實驗網絡教學平臺的設計與實現

鄭小堅1, 何俊2, 貢成良1, 薛仁宇1

(1. 蘇州大學 醫學部, 江蘇 蘇州215123；2. 蘇州大學 計算機科學與技術學院, 江蘇 蘇州215123)

針對蘇州大學分子生物學實驗教學的現狀與問題,闡述了深化實驗教學改革、構建實驗網絡教學平臺的意義和對策。結合課程多學科交叉融合的教學特點,確立適合不同教學對象的階梯式實驗教學新體系；整合現代教學理論和現代信息技術,設計網絡平臺的體系結構、確定技術實現方案,構建了具有可觀賞性、虛擬現實性、交互性以及可擴展性的分子生物學實驗網絡教學創新平臺。

分子生物學實驗； 網絡教學平臺； 實驗教學改革； 多學科融合

21世紀以來,生命科學發展迅速,分子生物學實驗技術已廣泛擴展到生命科學、醫學、農學和材料科學等相關研究領域,成為疾病預防、診斷與治療、新藥研發、生物育種、病蟲害防治和新材料研制等研究的重要手段。分子生物學實驗課的開設,為高校相關專業的本科生和研究生順利進入論文設計和課題實施奠定了基礎。今天,傳統的教學理念、教學內容、教學模式和教學手段已遠不能滿足現代分子生物學實驗教學的需要。筆者結合蘇州大學本科生、研究生的分子生物學實驗教學多學科交叉融合的特點,進行了整合現代教學理論與現代信息技術的分子生物學實驗網絡教學平臺的構建研究。

1　分子生物學實驗教學的現狀及存在問題

自20世紀蘇州大學設立分子生物學實驗課程以來,經過多年的探索與實踐,學校已建立了獨具特色的分子生物學實驗教學體系,有效提高了學生的分子學理論水平和實踐操作技能,并在學生的畢業設計、課題實施、論文質量、就業范圍和工作能力等方面得到充分的體現[1]。隨著多學科交叉培養機制的引入,醫學、生命科學及其交叉學科越來越多的專業要求學生必修分子生物學實驗課程。我校學習分子生物學實驗課程的學生涉及醫、農、理、工(材料科學等)及其交叉學科10多個專業的本科生和近20個專業的研究生。為此,加強分子生物學實驗教學改革,引進現代教育理論與技術,建立功能強大的實驗教學平臺,推進實驗教學質量的全面提高,已成為近階段課程建設的首要任務。

分子生物學實驗教學具有實踐性強、知識結構更新快、教學成本高、步驟繁復耗時等特點,并面臨著以下問題:

(1) 分子生物學學科發展迅速,新理論、新技術發展很快,實驗教學體系需要不斷更新；

(2) 伴隨科研創新和學科建設,開設本課程的專業越來越多,對課程教學的要求復雜化；

(3) 學科的交叉與生源的多元化,學生的實驗基礎、學習能力和綜合素質差異化明顯；

(4) 本科生各課程間、本科生與研究生課程間實驗設置有重復；

(5) 實驗教學資源與學生人數的快速增長不相適應。

此外,實驗課程設置形式多元化,有依附于理論課的傳統設課形式,有獨立設課形式,有作為專業基礎實驗教學模塊的組成部分,也有作為專業課程設計性實驗(實習)和綜合大實驗等。復雜多變的設課形式，對師資、課程安排、實驗內容、授課時數、實驗材料、儀器設備和試劑耗材等有多種不同的要求。

2　構建實驗教學網絡平臺的意義

以多媒體和網絡技術為特征的現代教育技術形成的網絡教學平臺,可以搭建一個虛擬的教學環境,為實驗教學提供技術資源的充分共享,引導學生利用多種媒體資源自主探索與實驗。基于多元化教學方法,設立互助學習教與學的情景,強調學生以自主學習為主、協作學習為輔的方式,實現以學生為主體的新的教學模式。網絡教學平臺軟件系統具有的強大服務功能,為師生在網上開展各種實驗教學活動提供全面的工具支持,其良好的交互功能,可及時、有效地實現師生溝通,提高教學與實踐的效果[2-3]。

借助網絡教學平臺所具有的諸多優勢,基于現代信息技術進行實驗教學內容的優化,確立適合醫學、生命科學及其交叉學科本科生、研究生為教學對象的階梯式“分子生物學實驗”教學新體系；引進國內外先進實驗技術和科研成果,使實驗教學內容更緊貼分子生物學國際研究最前沿,全面提升實踐教學的內涵。在此體系中,師生可遴選實驗內容,自主設計實驗方案,在規范的實驗操作要求下完成實驗教學,滿足不同專業、不同層次學生對實驗課程教學的需求。

數字化、虛擬化的教學環境,突破了時間、空間和設備數量的限制,使實驗教學與理論教學緊密結合。基于網絡技術的實驗教學平臺可選擇性地縮短實驗流程,大大減少分子生物學實驗過程的等待時間,提高教學效率；避免實驗操作中實驗現象或效果不明顯,實驗結果難判斷或與實際不符等問題；豐富的信息資源可彌補實驗指導教材落后的弊端,并能防止設備損壞,降低實驗成本,摒棄生物污染,杜絕實驗傷害[4-6]。

3　分子生物學實驗網絡教學平臺的構建

3.1平臺建設的主要目標與設計原則

針對分子生物學實驗教學中出現的問題,明確構建分子生物學實驗網絡教學平臺所要解決的主要問題是:

(1) 基于現代信息技術環境下實驗教學內容的優化構建,確立適合于多學科交叉融合教學特點,以本科生、研究生為不同教學對象的階梯式分子生物學實驗教學新體系[7-10]；

(2) 整合現代教育技術與分子生物學實驗創新教學模式；

(3) 構建基于多學科融合網絡環境的分子生物學實驗教學綜合平臺,開發網絡多媒體課件,建設現代技術的網絡學習和師生互動單元。

具體目標是:

(1) 以現代教學技術的原理和理論為依據,把現代化的信息技術與傳統教學模式有機結合,實現信息技術與分子生物學實驗整合教學模式下的創新人才的培養目標；

(2) 以任務驅動教學法為指導,明確教學目標,強化對生物應用軟件、在線工具、互聯網信息資源等現代信息技術的學習運用；

(3) 基于建構主義的教學理論,采用多元化教學方法,設立互助學習的教與學情景,以研究生助教參與本科生實驗教學的模式,激發學生的創新思維、培養學生的協作學習和再學習能力；

(4) 本科教學側重點為對基礎理論、規范操作和常規設備使用等的基本訓練和綜合培養；研究生教學注重理論研究、先進技術和現代化設備的開發和應用,強調創新思維和科研能力的綜合培養；

(5) 確立現代教學技術環境下的實驗教學評價體系,積極引導學生重視實驗過程,以個人、小組和師生協作團隊為評價主體,綜合評價實驗教學的效果。

平臺的設計遵循以下原則:以問題為中心驅動學習的教學方式；自主性與互助性相結合的學習過程；情境化的學習環境和多樣化的教學評價；標準化和開放性的教學系統；基礎性與前瞻性并重的教學內容。網絡系統設計注重易用性、可觀賞性、虛擬現實性、交互性、可管理性和可擴展性[11]。

3.2網絡教學平臺系統總體框架

該系統為一個完全基于Web的應用程序,服務器端運行NET FrameWork和IIS,采用ASP.NET和C#作為開發語言,后臺數據庫采用SQL Server 2005。體系結構為三層模式,即表示層、業務邏輯層、數據訪問層(見圖1)。

圖1　分子生物學實驗網絡教學平臺體系結構

綜合運用多種現代信息技術,進行網絡教學平臺的資源編碼和設計,網絡課程應用方式采用B/S(瀏覽器/服務器)模式。管理員的權限是負責站內信息的管理；教師是課程的直接教授者和參與者,應該具有進行學生管理、資料上傳等特定權限。

3.3網絡教學平臺的功能體系

整個B/S架構分子生物學實驗網絡教學平臺由6個功能子系統構成(見圖2)[12]。各系統前臺應實現以下功能:

(1) 課程教學資源:采用分子生物學階梯式實驗教學體系,包含基礎、應用、綜合、設計和創新等各類型實驗所涉及的基礎知識、實驗內容和要求等；

(2) 虛擬實驗室:基于網絡客戶端,具有三維的立體環境,具備可視化的實驗對象,可用鼠標與可視化實驗對象進行交互，即通過應用服務器提供的分子生物學虛擬實驗教學軟件,將常規實驗中的場景、器材和試劑虛擬化,具有形象展示和交互功能；

(3) 多媒體課件:有人機交互的特性,可利用互動性強、仿真度高的課件模擬實驗；具有處理文本、圖形、圖像、動畫、音頻、視頻的綜合能力；采用全新的課堂教學模式(包括授課軟件、智能演示、同步助手)；集演示與模擬于一體的分子生物學實驗教學軟件[13]；

圖2　分子生物學實驗網絡教學平臺的功能結構

(4) 評估與測試:采用ASP.NET技術開發,具有創新實驗設計與審查、題庫管理等功能；

(5) 交流互動:提供新聞公告、站內消息、作業上傳等交互功能,供師生在線交流；

(6) 其他服務和后臺管理:設置有軟件工具等多項服務功能,結合個人喜好等進行個性化設置。教師通過網站后臺管理,實現新聞發布、管理學生信息、調整網站結構等功能[14]。

3.4數據庫概要設計

系統涉及的主要實體及其之間的聯系如圖3所示,其他實體還有課程資源、題庫、簽到允許、簽到、模

塊、選單、角色、權限、基礎表等。

圖3　網絡教學平臺主要實體數據模型

4　結語

分子生物學實驗網絡教學平臺在提高實驗教學的學習效率和管理水平、增強學生的專業知識與實踐技能方面發揮了重要的作用。分子生物學具有實踐性和技術性強、發展迅速的特點,分子生物學實驗教學是進行生命科學研究的基礎,教學質量將影響學生對實驗理論和實驗技術的掌握程度。雖然網絡教學的優勢很多,但仿真實驗無法完全替代真實的實驗操作。因此,不斷完善實驗網絡教學平臺的內涵,充分發揮網絡教學的優勢,引導學生進行自我管理和自我導航,有效利用傳統的實驗教學資源,實現現代教育技術與傳統教學模式的有機結合,是進行分子生物學實驗教學改革、提高實踐教學質量的有效舉措。

References)

[1] 鄭小堅,貢成良,薛仁宇.研究生分子生物學實驗教學體系的創新建設[J].實驗室研究與探索,2012,31(3):146-149.

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[3] 費宇萍,數字醫學實驗教學平臺構建研究[J].河北聯合大學學報:醫學版,2012,14(6):911-912.

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[13] 宋宏濤,張偉.細胞生物學實驗教學網絡課程實例應用[J].中國現代教育裝備,2011(5):131-133.

[14] 張楠,醫學基礎實驗教學中心信息化的建設與成果評價[J].實驗技術與管理,2013,30(6):84-87.

Design and realization of Web-based teaching platform for multi-discipline fusing molecular biological experiments

Zheng Xiaojian1, He Jun2, Gong Chengliang1, Xue Renyu1

(1. Medical College, Soochow University, Suzhou 215123, China；2. School of Computer Science & Technology,Soochow University,Suzhou 215123, China)

In view of current situation and problems of molecular biological experimental teaching in Soochow university, the importance of deepening the reform of experimental teaching and constructing teaching platform of molecular biology experiment network is elaborated on. A new stepped experiment teaching system suitable for different teaching objects has been established combined with teaching characteristics of multi-dicipline’s chiastopic fusion during course practice. Meanwhile, the modern teaching theory and information technology are integrated, and the structure of network platform and technical proposal with innovation for molecular biological experiment network teaching are designed, which has ornamental value, virtual reality, interactivity and expandibility.

molecular biological experiment; network teaching platform; experimental teaching reform; multi-decipline fusion

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.035

2015- 06- 30

江蘇省現代教育技術研究重點課題(2011-R-19928)；蘇州大學重點學科“211工程”建設項目(14317101)

鄭小堅(1962—),女,江蘇無錫,博士,高級實驗師,主要從事生物化學與分子生物學實驗教學和科研工作.

Q71；G643

A

1002-4956(2016)1- 0140- 03