細胞生物學實驗的多媒體互動教學模式探索

張旦旦+蔡燕飛+李會+史勁松

摘要：近年來，隨著教學改革的持續深化和創新教育的不斷推進，實踐教學已成為培養高素質創新型人才的重要環節。細胞生物學實驗是一門實踐性很強的學科，隨著信息技術和現代教育技術的發展，針對細胞生物學實驗教學存在的問題，不斷開展改革和創新。多媒體互動教學系統作為現代實驗室教學的一種新手段，已逐漸被應用至細胞生物學的實驗教學中。本文探討了多媒體互動教學實驗室的架構以及多媒體互動教學模式在細胞生物學實驗教學過程中應用的優勢，這對理工科實踐教學具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：細胞生物學實驗；多媒體互動教學；顯微成像技術

一、研究背景

實驗教學作為實踐教學的主要組成部分，在高等教育中舉足輕重。細胞生物學是當今生命科學的前沿學科之一，近年來發展迅速，且每一項創新性研究成果中都體現了創新性的研究思路、嚴謹的研究策略以及實驗技術方法的科學運用。其中，實驗技術方法是學科研究的基礎。隨著技術產業應用的快速崛起，細胞生物學已滲透到遺傳學、分子生物學和發育生物學等生命科學各分支學科，成為生命科學研究的重要利器。因此，如何在細胞生物學實驗教學過程中將前沿的實驗技術方法以簡單明了的方式傳授給學生，提高學生對現有技術的接受度，進而培養學生獨立思考、深入探索的自主意識和科研創新能力，值得我們深入思考。

傳統的細胞生物學實驗教學僅作為理論教學的補充，不但實驗項目設計單一，技術方法陳舊，而且教學模式單一，部分精細化實驗技術展示度不夠，教師對學生的指導又無法做到面面俱到，導致學生對知識點掌握不到位。近年來，隨著信息技術和現代教育技術的發展，針對細胞生物學實驗教學存在的問題，不斷開展改革和創新，多媒體互動教學系統作為現代實驗室教學的一種新手段，已逐漸被應用至細胞生物學的實驗教學中。該系統基于顯微成像技術，利用網絡傳輸通過計算機將實驗室的學生顯微鏡、教師顯微鏡以及其他網絡化的實驗設備有機聯系在一起，從而構成了師生間的網絡互動和雙向溝通，使師生間討論的內容一目了然，樣本的觀察更方便，彼此交流更直觀、有效。教師和學生的互動交流，可實現構建教師顯微實際操作的“現場直播”與學生獨立操作演示相結合的互動式教學模式，本文就教學模式的實施展開了討論。

二、多媒體互動教學實驗室架構

多媒體互動教學實驗室的基本架構是：將倒置顯微鏡、數字成像系統（CCD）、計算機（圖形采集和處理工作站）、實時錄像系統、網絡交換器、投影儀等儀器設備通過網絡連接和軟件系統有機整合，將圖形、數據等資料選擇性地呈現在學生面前。下文從教師端和學生端分別介紹多媒體互動教學實驗室的架構。

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的實時錄像系統，可將教師在超凈工作臺上的每一步操作如現場直播展現在大屏幕上；同時可以調節錄像焦距，即對部分細節操作進行微距拍攝，并清晰地呈現在學生面前，配合教師對動作要點的講解，提高學生對操作的接受度。由于所有操作均在教室的投影屏幕上展現，可供全班同學（一般為30人）無死角觀看，解決了示教空間局限性的問題，提高了教師的教學效率。教師端的另一組成部分為顯微成像系統，由倒置顯微鏡和1200萬像素的CCD組成。對于培養細胞或組織的觀察均在倒置顯微鏡上進行，教師將制作好的標準化樣品放在教師端顯微鏡上觀察成像，通過CCD將圖像傳輸至教師端主機，并呈現在投影儀上。教師可邊操作顯微鏡，邊根據圖像講解實驗內容，使學生在認識圖像內容的同時學習儀器的操作，包括圖形工作站的操作和圖像資料的后處理。

2.學生端的組成和主要功能

學生端主要為顯微成像系統，由倒置顯微鏡和600萬像素的CCD組成。學生在觀摩、學習教師的操作后，在超凈工作臺上處理實驗樣品，放在學生端顯微鏡上觀察成像，通過CCD將圖像傳輸至學生端主機，進而在圖形工作站上處理圖像，并將最后結果傳輸至教師端主機。

3.學生端和教師端的交互作用

本系統通過網絡交換設備將學生端和教師端聯系在一起，教師可以將操作視頻和標準化圖像傳輸至學生端主機，供學生學習；學生可以將實驗結果傳輸給教師，與教師討論實驗現象。教師可根據圖像質量選擇性地將結果投影至大屏幕，有針對性地講解，也可單獨對作業學生進行講解。對于學生做得較好的結果，教師可以將圖像發送至所有學生端主機，供其他學生學習。

三、多媒體互動教學系統的優勢

1.現場直播，示教效果好

由于細胞生物學實驗大部分操作必須在潔凈空間下進行，且精細化操作較多，而用于該操作的超凈工作臺通常空間較小，即使現在常用的玻璃背板超凈工作臺也只有前后兩部分約2～3米的空間可供學生觀摩學習。由于觀看空間較小，后排學生無法看見超凈工作臺內部。傳統教學方法為達到一定的教學效果，通常選用以下兩種方式解決：一是將演示教學操作放到非潔凈空間進行；二是按小組進行教學，通常這兩種方式需同時使用，即大班演示教學結束后，必須向小組強調潔凈空間下的規范操作以及注意事項，該教學模式無法完整還原整個實驗的規范化操作流程，不僅教師工作量被放大，而且教學效果不佳。多媒體互動教學系統采用的以實時錄像系統為依托的現場直播式示教模式能清晰展示精細化實驗操作，跳出了小班教學的局限性，且教師可邊操作邊細化講解，示教效果好，尤其適用于實驗對象小、操作空間小的實驗，如原代細胞分離培養、細胞傳代培養、96孔板操作等。

2.互動教學，提高教學效率和考核精度

通過多媒體互動教學，我們形成了新的實驗教學體系和考核體系。在實驗過程中，由于教師和學生一直處于互動狀態，即學生可根據教師發送到學生端的示教視頻開展實驗項目，遇到難點可隨時向教師求教；教師可根據學生提交到教師端的實驗結果，隨時進行篩選區別，對部分實驗現象可針對性地引導學生分析該現象產生的原因，并將此作為學生實驗考核成績的一部分。相比傳統課程結束后的實驗報告，該模式對個別實驗現象的分析更具針對性，更利于學生思維能力的培養。在考核機制的約束下，學生參與實驗的態度更加認真，教師可規定實驗結果提交時限，這樣實驗過程中開小差、拖沓等問題可得到有效的控制，教學效率可得到有效提高。

3.全程管理，提高學生參與度

互動教學的過程也是全程管理的過程，即從上課伊始，教師就利用課程相關PPT對實驗原理等背景知識做全面介紹，引領學生進入實驗內容。操作示教進行全程錄像講解，包括顯微鏡的操作和圖像的采集。教師可隨時根據學生提交的圖像數據，推斷實驗過程的問題，并及時與學生溝通。教學過程中學生必須保持注意力高度集中，才能適應課堂的整體節奏，且每一步過程中教師都會根據學生的反應現場提問或解說，將各組的實驗結果展示在投影儀上或發送到所有學生端主機進行實時答疑，通過緊湊精準的管理，使學生在上課過程中進入緊張學習的狀態，這樣學生對實驗的參與度自然得到提高。

四、結論

綜上所述，我院在細胞生物學實驗課程教學過程中不斷改革教學方法和教學模式。多媒體互動教學系統作為我院新引進的教學模式，在提高教師的教學效率和學生的學習積極性上發揮了重要作用，一方面極大地促進了學生對細胞生物學理論知識的理解和掌握，另一方面對學生的研究與創新能力也至關重要。該教學模式培養了學生的獨立思考意識，打破了傳統教學的單一模式，增強了師生之間對于知識點的交流溝通，更生動地展現了實驗效果，吸引學生對細胞生物學實驗的注意力。該模式可推廣應用至其他實驗教學課程，從而提高教學質量，讓學生在每一次實驗中，都能夠帶著問題走進實驗室，按照嚴格的實驗設計完成實驗過程，并用科學的方法分析實驗結果，最終找出問題的答案，親身體驗科學實驗的全過程。

當今社會科學快速發展，教師要通過科學調整實驗內容，改革實驗方法和實驗手段，借助輔助教學手段等方式，探索對學生創新精神的培養，提高學生的自主參與性。另外，教師在實驗教學中要不斷總結經驗，提高自身專業知識和個人素質，培養更多的高水平、高素質人才。

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