細胞生物學虛擬仿真實驗教學模式的構建

陶 娟 楊 杰 張 靖

(新鄉醫學院三全學院，河南 新鄉 453003)

0 引言

細胞生物學實驗是細胞生物學課程體系中不能忽略的實踐教學部分，與理論課相輔相成。 細胞生物學實驗技能是生物學類人才必須掌握的基本技能之一，因此，細胞生物學實驗是高等學校生物學相關專業重要的基礎實踐課程之一。 伴隨著“互聯網+教育”的蓬勃發展，課堂教學逐漸呈現信息化、網絡化、虛擬化的發展趨勢[1]。將互聯網融入實驗教學中，利用網絡技術創建虛擬仿真實驗來輔助實驗教學已成為現在改革的重要課題。 因此，細胞生物學虛擬仿真實驗教學模式的構建具有重要的理論意義和時代意義。

1 虛擬仿真實驗的概述

虛擬仿真實驗是利用網絡和計算機技術模擬和重現真實的實驗內容和步驟的一種實驗操作，與傳統實驗相比，虛擬仿真實驗具有安全性、仿真性及參與性等特點[2]，能夠解決傳統實驗中存在的問題，如實驗時間長、安全系數低、受制于倫理學和經費高、流失已久的實驗技術等不易實操的綜合性實驗等問題[3]，并且能夠拓展實驗教學內容的廣度和深度，延伸實驗教學的時間和空間。 作為對傳統實驗教學的補充和完善，國家虛擬仿真實驗教學項目的應用成效與高等學校人才培養目標和社會需求之間存在一定的差距，如實驗項目的設計與理論課知識點結合得不夠緊密，重點和難點不夠突出，評價體系不完善，資源更新速度和共享度有待提高[4]。

2 傳統的細胞生物學實驗教學中存在的問題

細胞生物學實驗教學是細胞生物學教學體系中比較重要的環節，是對細胞生物學理論教學的補充。通過細胞生物學實驗教學，有利于加深學生對基礎理論知識的理解，培養學生基本的實驗操作技能，有利于提高學生的科研素養和解決問題的能力。 大量新的細胞生物學技術的出現及相關知識和信息的井噴式增長，促使教學工作者不斷更新教學內容和教學方法[5-6]。這些改進在很大程度上改變了教學內容陳舊、缺乏連貫性及操作簡單等特點，但還遠不能讓學生跟上技術快速發展的步伐。 整體性、連貫性的綜合設計性實驗由于受到學時和經費等條件的限制，學生無法進行這些實驗操作。 學生不能掌握新技術、學習新方法，極大地影響了學生對科學的探索欲望。因此，設計直觀生動的虛擬仿真實驗，突破時間和空間的限制，提高學生的創新能力，已成為實驗教學改革的方向之一。

3 虛擬仿真實驗教學模式的構建理念

細胞生物學虛擬仿真實驗的建設要秉承“科學規劃、突出重點、資源共享、提高效益、持續發展”的指導思想[7]，創新實驗教學的技術與方法，培養生物類學生創新創業的能力，采用虛實結合的實驗教學模式，將常規實驗教學無法開展的前沿及創新實驗內容，利用虛擬技術轉化為虛擬仿真實驗教學資源，既提高了教師的教學效率，也提高了學生的學習效率及實踐創新能力。

4 細胞生物學虛擬仿真實驗教學模式擬構建內容

我校正處于應用型轉型發展的關鍵時期，實驗教學處于全面深化改革的重要時期，為了提升學生的實踐和創新能力，我們擬采用細胞生物學虛擬仿真實驗教學平臺，實驗內容形成基礎性和綜合性兩個層次，共9 個模塊。本平臺將為我校生物技術、生物工程、生物制藥與臨床醫學專業學生學習細胞生物學課程的重要學習平臺。現將細胞生物學虛擬仿真實驗教學模式的構建方案介紹如下。

4.1 基礎性實驗

細胞生物學基礎實驗的虛擬仿真試驗將包括顯微鏡的使用，如普通光學顯微鏡和熒光顯微鏡的使用和應用；細胞制片技術，如壓片、涂片、徒手切片和冰凍切片；細胞化學技術，如DNA、RNA、酸性蛋白、堿性蛋白、酸性磷酸酶在細胞中的定位；細胞培養技術包括原代培養、傳代培養和細胞凍存；染色體分析技術包括染色體標本的制備、核型分析。 通過基礎實驗虛擬資源的學習，學生不僅能夠全面了解和掌握細胞生物學的基本技術，而且也是培養基本實驗操作技能和創新性思維能力的需要。

4.2 綜合性實驗

細胞生物學綜合性實驗的虛擬仿真試驗包括動物細胞的轉染與GFP 的RNA 干擾技術；細胞生理活動的觀察，如細胞的自噬、吞噬和細胞凋亡的研究；藥物對細胞遷移與侵襲的影響。由于綜合性實驗的實驗周期往往較長，過程也比較復雜，實驗經費消耗的比較多，采用虛擬實驗平臺就可以突破時間和經費的限制。 學生能將孤立的基本技術有機的整合，在鞏固基本實驗技能的基礎上提高創新能力。

5 虛擬仿真實驗教學模式的幾點思考

虛擬仿真實驗模擬實驗環境，將知識直觀化的呈現，可以調動學生的積極性和主動性，提高教學效率。虛擬仿真實驗與實際的實驗課堂教學相結合，打破客觀條件對實驗教學的限制，使學生對一些難以開展的實驗進行深入了解，作為老師得力的實驗教學的輔助工具。 但虛擬實驗與現實實驗是有一定的差異，在建設虛擬實驗時還需注意以下幾個方面：

（1） 虛擬實驗的內容設計應聯系學科的發展前沿。 實驗內容要與理論教學的知識點緊密結合，以解決教學中重點和難點問題，在建設中還要保證虛擬資源的可持續性。 除了能夠滿足教學外，實驗內容設計還應聯系學科的前沿動態，以培養拔尖型、復合型人才，提高人才培養的質量。

（2）虛擬平臺交互性和兼容性要強。 平臺要利用人工智能等信息技術，增強交互的智慧化、智能化，能夠隨機隨時交互，滿足教學的需要。 完善平臺的兼容性，降低對硬件的要求，實現能夠用手機隨時隨地進行操作。

（3）完善評價體系。 平臺的評價系統要包括過程評價和結果評價，過程評價和結果評價都包含作業系統、預習系統、線上討論，最后成績應包含這些成績，系統會按比例算出最終成績。