基于虛擬仿真平臺(tái)引入綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

吳 寧, 胡 欣, 吳遵秋, 劉 華, 孫見飛

(貴州醫(yī)科大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院, 貴州 貴陽 550025)

基于虛擬仿真平臺(tái)引入綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

吳 寧, 胡 欣, 吳遵秋, 劉 華, 孫見飛

(貴州醫(yī)科大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院, 貴州 貴陽 550025)

以科研項(xiàng)目“雪蓮果汁對(duì)高脂模型大鼠的降脂作用及其機(jī)制探討”為案例,依托虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),讓學(xué)生設(shè)計(jì)相應(yīng)在線虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,實(shí)現(xiàn)科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)實(shí)驗(yàn)。用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開設(shè)綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),易于操作、節(jié)約成本、學(xué)生參與度高,能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,訓(xùn)練其實(shí)驗(yàn)操作技能,增強(qiáng)其科研能力和探索精神。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 虛擬實(shí)驗(yàn)； 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

1 構(gòu)建設(shè)計(jì)性虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的意義

醫(yī)學(xué)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科,實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)貫穿整個(gè)教學(xué)過程,實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)好這門課程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。就目前部分高校醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)開展情況來看,多為經(jīng)典的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),由于實(shí)驗(yàn)周期長、成本高、教學(xué)難度大、實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜等因素,很難在本科生中普遍開展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)[2]。隨著虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展,通過網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境開展此類實(shí)驗(yàn)已逐漸納入實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,并進(jìn)行合理規(guī)劃,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和思維方式，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能，提高了學(xué)生分析問題、解決問題的能力和創(chuàng)新能力。因此,在醫(yī)學(xué)教育中加入虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)有很大的幫助[3]。

目前,虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展得到了國家科技和教育部門的重視,科技部和教育部曾經(jīng)聯(lián)合要求高校建立網(wǎng)上合作研究中心采用先進(jìn)的科技手段建立虛擬實(shí)驗(yàn)室。我國下一代互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的重大研究計(jì)劃也包括了虛擬實(shí)驗(yàn)室、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和系統(tǒng)仿真等相關(guān)內(nèi)容。可以說,虛擬仿真技術(shù)的推廣和虛擬實(shí)驗(yàn)的發(fā)展,是我國高等教育改革尤其是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要內(nèi)容和必然趨勢[4]。

2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路

我校以實(shí)際已完成的科研項(xiàng)目“雪蓮果汁對(duì)高脂模型大鼠的降脂作用及其機(jī)制探討”為例,模擬設(shè)計(jì)性虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)過程,即作為虛擬實(shí)驗(yàn)的研究背景,通過給出相應(yīng)的選題內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)原理、目的以及設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的基本原則等,引導(dǎo)學(xué)生完成本實(shí)驗(yàn),并通過對(duì)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,得出結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新精神。

2.1 明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

首先明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹＝柚摂M平臺(tái),通過具體實(shí)驗(yàn)案例,要求學(xué)生必須熟悉和掌握的知識(shí)點(diǎn)及相關(guān)實(shí)驗(yàn)技能,并將這一理念貫穿于整個(gè)虛擬腳本的設(shè)計(jì)中。以本實(shí)驗(yàn)為例,通過其操作,讓學(xué)生掌握以下技能：

(1) 思維模式的構(gòu)建——學(xué)習(xí)和掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求和基本原則、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析方法；

(2) 造模學(xué)習(xí)——學(xué)習(xí)高脂大鼠模型的造模；

(3) 實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練——掌握血清中甘油三酯、總膽固醇含量測定方法,RNA的提取方法、純度分析、凝膠電泳技術(shù)以及PCR原理和使用方法、蛋白質(zhì)免疫印跡技術(shù)(western blot)等。

2.2 科學(xué)邏輯思維的引導(dǎo)

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)又稱探索性實(shí)驗(yàn),系指采用科學(xué)的邏輯思維配合實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù),對(duì)擬定研究的內(nèi)容(或問題)進(jìn)行的一種有明確目的的探索性研究[5]。

以本實(shí)驗(yàn)為例,首先給出研究對(duì)象的基本信息——雪蓮果的降血脂功效[6-7]以及脂肪代謝相關(guān)知識(shí)——腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)和乙酰輔酶A羧化酶(Acetyl carboxylase ,ACC)的作用[8]，進(jìn)而引發(fā)學(xué)生對(duì)二者之間關(guān)聯(lián)性的思考。

在下一模塊通過讓學(xué)生選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的正確實(shí)施順序,使其掌握實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的基本要素,同時(shí)使學(xué)生掌握科研立題的方法和原則。

2.3 學(xué)習(xí)虛擬實(shí)驗(yàn)操作

2.3.1 高脂模型大鼠的造模和灌胃

高脂飼料飼喂法是最常用的造模方法之一,大鼠自主采食,更接近正常的生活狀態(tài),幾乎無刺激,且與人類高脂血癥形成過程較為相似[9]。通過測定血清總甘油三脂(TG)和測定總膽固醇(TC)含量,比較高脂模型組和空白對(duì)照組血清脂質(zhì)水平,判定造模是否成功,判定造模成功后進(jìn)行分組及灌胃處理。這2個(gè)關(guān)鍵步驟耗時(shí)較長,但通過虛擬實(shí)驗(yàn),能大大節(jié)省時(shí)間。為考察學(xué)生對(duì)對(duì)照原則和重復(fù)原則等一些實(shí)驗(yàn)中基本原則的掌握,在分組時(shí)設(shè)置相關(guān)題目,如實(shí)驗(yàn)分組的設(shè)立、造模實(shí)驗(yàn)分組中大鼠只數(shù)設(shè)計(jì)等。在界面中另設(shè)提示框,當(dāng)學(xué)生選擇錯(cuò)誤時(shí),能提供一定的分析指導(dǎo)。通過本項(xiàng)操作,學(xué)生還可以自主學(xué)習(xí)到動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中一些基本操作手法,如大鼠的捉拿、灌胃、眼眶采血等。

2.3.2 指標(biāo)檢測

此模塊涉及相關(guān)生物化學(xué)和分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)、機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容,以本實(shí)驗(yàn)為例,即是在證明雪蓮果汁確切降脂作用后對(duì)降脂機(jī)制的初步探究。將標(biāo)準(zhǔn)管法測血清TG和TC含量、肝組織RNA的提取等常規(guī)生化實(shí)驗(yàn)引入虛擬平臺(tái)的同時(shí),又引入qPCR、Western blot等耗時(shí)長、成本高、難以在本科生教學(xué)中大規(guī)模開展教學(xué)的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn),檢測AMPK及ACC的表達(dá)及蛋白量,充分訓(xùn)練學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作技能。

此外,由代謝、酶、基因作為切入點(diǎn),可引導(dǎo)學(xué)生對(duì)降脂機(jī)制的思考,從而展開深入的探究。秉承“采用學(xué)生能掌握的實(shí)驗(yàn)方法探究其感興趣的問題”的思想,借助虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成創(chuàng)新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

因此,通過本模塊,學(xué)生能整合自己所學(xué)的機(jī)能學(xué)、生化、形態(tài)學(xué)等相關(guān)知識(shí)探究科學(xué)問題,加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解,又能在短時(shí)間內(nèi),經(jīng)虛擬仿真界面的逐步操作,學(xué)習(xí)平時(shí)不易實(shí)際操作的實(shí)驗(yàn)技能,為以后開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。

2.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析是學(xué)生科研思維和分析能力的綜合體現(xiàn),還要求學(xué)生具備一定的統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí),因此本模塊的設(shè)計(jì)遵循循序漸進(jìn)的原則——由統(tǒng)計(jì)圖表和電泳圖的展示,結(jié)合相關(guān)題目的設(shè)置,讓學(xué)生自行分析,最終得出結(jié)論。考慮到不同層次的學(xué)生能力上的差異,為輔助有困難的學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在界面中設(shè)置相關(guān)提示,闡明實(shí)驗(yàn)結(jié)果要點(diǎn)和統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)點(diǎn)。

3 效果反饋

虛擬實(shí)驗(yàn)雖然建立在一個(gè)虛擬仿真平臺(tái)之上,但注重的是實(shí)驗(yàn)操作的交互性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的仿真性,它的出現(xiàn)將有效緩解實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)、場地、器材等方面普遍面臨的困難和壓力,而且開展網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)“時(shí)、空”的限制,無論是學(xué)生還是教師,都可以自由地、隨時(shí)隨地登錄[10]，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)或研究。

3.1 學(xué)生使用后的評(píng)價(jià)

依托虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),建設(shè)綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,經(jīng)學(xué)生使用學(xué)習(xí)后,有較好的反饋。課后學(xué)生的反饋信息表明,本項(xiàng)虛擬實(shí)驗(yàn)充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。通過認(rèn)真了解選題背景、自主學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)原則、選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)順序、操作虛擬界面等實(shí)驗(yàn)步驟,根據(jù)結(jié)果得出結(jié)論。這一系列較為完整的步驟,不但能促進(jìn)學(xué)生更好地掌握理論知識(shí),鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力,還培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和初步的科研能力，學(xué)生普遍感覺收獲頗豐。

3.2 有利于構(gòu)建形成性評(píng)價(jià)體系

目前,我國部分高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)體系中更注重終結(jié)性評(píng)價(jià)而忽視了形成性評(píng)價(jià)。形成性評(píng)價(jià)有利于及時(shí)反饋教學(xué)效果,提供教學(xué)改進(jìn)意見[11]。本實(shí)驗(yàn)全程有多項(xiàng)指標(biāo)客觀評(píng)價(jià)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)情況,打破以往只重實(shí)驗(yàn)結(jié)果、輕實(shí)驗(yàn)過程的評(píng)價(jià)體系,建立以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力為標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)體系。

3.3 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)用性

對(duì)于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),若只是教師進(jìn)行單一的講解,較為抽象。通過虛擬實(shí)驗(yàn)的完整操作,學(xué)生能了解到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素、實(shí)驗(yàn)運(yùn)作的流程和實(shí)驗(yàn)分析的方法。

在實(shí)驗(yàn)“雪蓮果汁對(duì)高脂模型大鼠的降脂作用及其機(jī)制探討”中,巧妙地將設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來,緩解了因?qū)嶒?yàn)器材和教師人力的短缺使得實(shí)驗(yàn)無法大范圍開展的問題,很大程度上輔助了傳統(tǒng)教學(xué)。

本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用了大量的提示框,在關(guān)鍵操作步驟及難度較大的題目選擇時(shí)可引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。在可視化圖形界面中適量加入實(shí)驗(yàn)說明框,使整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容更加豐滿,實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)操作較為完美的結(jié)合。

同時(shí),本實(shí)驗(yàn)涉及學(xué)科的重要知識(shí),學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及操作的過程中須聯(lián)系相關(guān)的知識(shí)并作深入的分析,才能充分運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)驗(yàn)中的科學(xué)問題。因此,本實(shí)驗(yàn)綜合考察了學(xué)生對(duì)課內(nèi)知識(shí)的掌握程度及分析解決問題的能力。

4 展望

自行開發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)目前在教學(xué)中實(shí)際應(yīng)用得較少；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)供教師上課演示的較多,供學(xué)生實(shí)際操作的少；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)較多,設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)較少；虛擬實(shí)驗(yàn)以作業(yè)方式應(yīng)用的較多,單獨(dú)開設(shè)實(shí)驗(yàn)課程的很少[12]。因而,依托學(xué)校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的資源,構(gòu)建設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新型教學(xué)模式,是對(duì)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效的補(bǔ)充。

4.1 運(yùn)用典型性案例構(gòu)建綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,啟發(fā)科研思維

科研能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程,因?yàn)楹芏啾究粕鷱奈唇佑|過科研,對(duì)他們來說科研是一新鮮事物,學(xué)生從了解科研、在教師指導(dǎo)下完成科研、再到獨(dú)立進(jìn)行科研,需要逐步完成[13]。

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中,用上述的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)案例能作為培養(yǎng)學(xué)生科研思維的“敲門磚”,方便教師教學(xué),使學(xué)生快速入門。雖然實(shí)驗(yàn)的數(shù)量是有限的,但通過這些實(shí)驗(yàn),能為學(xué)生構(gòu)建一種科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S方式,當(dāng)學(xué)生在今后遇到類似問題時(shí),可能找到借鑒的方法,從而達(dá)到舉一反三的效果。

4.2 虛擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合

雖然虛擬實(shí)驗(yàn)具有眾多優(yōu)勢,但畢竟是人機(jī)交互,若要了解學(xué)生的學(xué)習(xí)程度,還是需要一定的交流討論。因此在教學(xué)中可以考慮“線上獨(dú)立完成,線下交流討論”的模式,即：學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自學(xué)以后,可分小組討論,還可考慮用PPT匯報(bào)等方式將其所學(xué)進(jìn)行交流。這樣教師也可從學(xué)生的匯報(bào)中了解到學(xué)生的掌握程度并對(duì)遺漏的知識(shí)進(jìn)行補(bǔ)充講解,充分提高實(shí)驗(yàn)的利用率。

5 結(jié)語

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)可以用來輔助傳統(tǒng)的實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué),借助虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),構(gòu)建綜合性設(shè)計(jì)性虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目模塊,是本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有利補(bǔ)充,是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究思維及創(chuàng)新能力的重要途徑。

References)

[1] 葛巖,楊 雪.虛擬實(shí)驗(yàn)在醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用[J].中國教育技術(shù)裝備，2012(33)：134-135.

[2] 德偉,王子杰,陳雅，等.探討分子生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建要素[J].南京醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2013(2):166-168.

[3] 王寧萍,周婭,王琦，等.設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)在醫(yī)學(xué)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐與探索[J].白求恩軍醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006(4)：45-46.

[4] 嚴(yán)鈺鋒,張惠琴,王見之，等.虛擬實(shí)驗(yàn)在功能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國高等醫(yī)學(xué)教育，2012(12):1-3.

[5] 張暉,尹立紅,浦躍樸,等.環(huán)境衛(wèi)生學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[J].醫(yī)學(xué)教育探索，2006,5(8):713- 715.

[6] 李卓亞.雪蓮果化學(xué)成分及其藥理作用的研究進(jìn)展[J].食品與藥品,2007,9(6):41-43.

[7] Yang Z M,Bu Y Q,He R G. Recent advances on biological effects and safety of fruetooligo-sacchrides[J]. Life SciRes,2004,8(4):122-125.

[8] Hardie D G. AMP-activated protein kinase: the guardian of cardiac energy status [J]. J. Clin. Invest,2004 ,11(4):465-468.

[9] 朱竟赫,趙金明,秦文艷.高脂血癥實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型研究概述[J].實(shí)驗(yàn)動(dòng)物科學(xué),2012,29(2):48-52.

[10] 徐曉麗,姜衛(wèi),韓志敏,等.局部解剖學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程,2013,48(3):414-417.

[11] 聞德亮.醫(yī)學(xué)教育中的形成性評(píng)價(jià)方法[J].高校醫(yī)學(xué)教學(xué)研究,2011,1(1):36-38.

[12] 文福安.虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].中國教育信息化 ,2008(21):37-39.

[13] 李金蓮,楊靜,張慧,等.機(jī)能學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀及對(duì)策研究[J].西北醫(yī)學(xué)教育,2010,18(5):1008-1011.

Introducing comprehensive designing experimental projects based on virtual experimental teaching platform

Wu Ning, Hu Xin, Wu Zunqiu, Liu Hua, Sun Jianfei

(College of Basic Medicine,Guizhou Medical University, Guiyang 550025, China)

Taking the “Effect and Mechanism of Smallanthus Sonchifolius in Lowing Lipid of Hyperlipidemia Rats Models” project as a case, based on the virtual experimental teaching platform, the students design the corresponding online virtual experimental project and transform a scientific research into a teaching experiment so that students could learn by themselves on the virtual experimental teaching platform. Setting up comprehensive designing experiment through the virtual experimental teaching platform can simplify the preparation of experiment,cut down the cost,improve the students’ involvement and learning interests, thus in turn it can train their experimental operative skill and enhance the ability of scientific research as well as the initiative of scientific exploration.

experimental teaching; virtual experiment; designing experiment

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.002

2016-12-02

2014年貴州省本科教學(xué)工程建設(shè)項(xiàng)目支持

吳寧(1974—),女,碩士,副教授,貴州醫(yī)科大學(xué)化學(xué)與生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任,主要從事特色中草藥防治疾病分子機(jī)制的研究.

E-mail：1638210715@qq.com

TP391.9；G642.423

A

1002-4956(2017)4-0006-03