PBL結合虛擬仿真實驗教學助推研究型人才培養

鄭菲菲 李莉娟 陳孝煊 袁軍法 湯蓉

摘?要：為了解決本科實驗室缺乏超速離心機和透射電鏡等大型設備的問題，開發了水生動物病毒的分離純化及形態觀察虛擬仿真實驗，應用于水產微生物實驗教學，是實體實驗教學的有益補充，拓展水產微生物學實驗教學內容的廣度和深度。教學方法上以學生為中心，問題為抓手，教師為引導，采用PBL法輔助虛擬仿真實驗的教學模式，不僅讓學生掌握了研究病毒的重要方法，還激發了學生學習興趣，培養了學生主動學習、積極思考并獨立分析解決問題和創新的能力，提升了學生的綜合科研素養，有助于水產專業研究型人才培養。

關鍵詞：PBL法;水生動物病毒分離純化;虛擬仿真實驗教學;研究型人才

中圖分類號：G642.41??文獻標識碼：A

隨著科學家對病毒領域研究的不斷深入，病毒的分離純化在生命科學相關專業應用非常廣泛，是一種非常重要和常用的技術[1]，由于本科實驗室沒有超速離心機、透射電鏡等這些昂貴的大型設備，無法開展這類實驗課，在很大程度上限制了本科生實驗課教學的拓展，不利于學生科研素質的全面提升和研究型人才的培養。

隨著科技的發展和進步，虛擬仿真技術的出現為解決這些問題提供了新的思路[23]。近年來，虛擬仿真技術已經應用于很多領域并取得了豐碩的成果[45]。為了拓展水產微生物學實驗教學內容的廣度和深度，提高學生的科研能力，本著“能實不虛、以虛補實、以虛促實”的原則，我們開發了水生動物病毒的分離純化及形態觀察虛擬仿真項目，為學生打開了一扇通向病毒世界的大門。以問題為基礎（problem?based?learning，PBL）的PBL教學法以學生為主體，教師為輔對學生進行引導，在生物科學類課程應用并取得良好的教學效果，可以鍛煉學生主動學習、積極思考并獨立分析解決問題及創新的能力[67]。因此，我們采用了PBL教學法輔助虛擬仿真實驗教學，提高科研綜合素養，促進研究型人才培養。

一、虛擬仿真實驗的建設

多年來，由于受到大型儀器設備缺乏等客觀因素的影響，學生對病毒的了解只能停留在書本的理論知識和抽象的想象，難以激發學生的學習熱情，另外也學不到目前病毒研究中最常用的技術方法。因此，我院根據水產微生物學教學大綱開發水生動物病毒的分離純化及形態觀察虛擬仿真實驗，使學生可以身臨其境般進行虛擬操作實踐。

虛擬仿真實驗是一個4模塊3模式的模塊化系統，教學模式中學生既可以根據講解和提示來進行相應的實驗操作，也可以只看視頻，視頻播放過程中可隨時暫停，將關鍵動作重復播放，可加深對操作流程細節的記憶和理解以便熟悉和掌握整個實驗流程。

練習模式則是學生在完成教學模式學習后，為進一步熟悉整個實驗操作流程進行的自主訓練，學生可以自主操作，挑選自己不熟練的步驟反復練習。

考試模式也是虛擬仿真實驗中學生可以自主操作的部分。學生必須掌握了實驗材料的準備、試劑的配制、儀器設備的使用方法、實驗步驟和注意事項等相關知識才能進入該模式。這個模式中則沒有任何講解和提示，學生只有正確完成了當前實驗操作才可進入下一步操作直到實驗結束，在操作過程中系統會對學生的操作進行評分，考核學生對整體實驗的掌握情況。

二、PBL法結合虛擬仿真實驗教學模式

教學過程中以學生為中心，以問題為導向貫穿整個教學過程與4模塊3模式融會貫通，教學模式思維導圖如圖1所示，在教學中將理論知識與虛擬仿真實驗操作有機結合;遵循三講三不講和三布置三不布置原則;分為課前、課內和課后三步驟，自主學習、小組討論、精講點撥和鞏固檢測四環節。

課前充分利用多媒體資源，將實驗內容所涉及的教學資源及課前思考題等電子資料上傳至中心平臺，學生可隨時隨地登陸平臺提前自主預習四模塊中的實驗目的、實驗原理和實驗概況并思考老師提出的問題;課中老師先多維度講解與病毒相關的人物故事和案例報道等，然后提出啟發式問題導入，接著學生帶著疑問在實驗操作模塊中的教學模式進行自主學習尋找答案并發現新的問題，分小組討論問題后進行匯報，老師針對重難點及易混易錯點進行講解和點撥，學生再帶著答案重新在實驗操作模塊中的練習模式進行虛擬實驗操作加以鞏固，隨后在實驗操作模塊中的考試模式檢測對實驗的掌握程度;課后布置探究性、拓展性和啟發思維的思考題，達到使理論知識在實驗操作中鞏固，實驗技能在理論指導中強化提升的目的。

三、PBL法結合虛擬仿真實驗教學效果

該虛擬仿真實驗項目2019年建成，應用2年均獲得師生的認可和廣泛好評。建成后，在水產養殖和水族科學與技術兩個專業7個大三班級上課中應用，上課結束后發放問卷調查學生的使用情況，收到有效調查問卷207份。

經統計發現在上此次課之前有98.07%的同學都體驗過虛擬仿真實驗，因此本次調查問卷極具參考價值。有92.75%的同學認為虛擬仿真實驗相對傳統實驗有諸多優勢，具體優勢的支持率如表1所示。并且通過虛擬仿真實驗的學習學生可以完成教學的要求，在上本次課之前67%的學生不知道病毒的形態如何，83.1%的學生不知道怎樣分離純化病毒，但是在完成虛擬仿真實驗后，學生不僅掌握了這些基本的知識和方法，81.6%的學生對實驗課也更有興趣了。通過虛擬仿真實驗的學習，如果以后要進行實際操作，75.4%的學生認為能迅速熟悉實驗器材及方法，在遇到困難時75.8%的學生可以回憶起虛擬仿真的體驗以解決問題，知識記憶模糊的同學還可以隨時隨地登錄系統進行重新學習。通過虛擬仿真的方式學習該技術，不僅僅對實際操作有幫助，而且還可以提高學生的綜合能力，更是為學生打開了一扇通向病毒微觀世界的大門，87.4%的學生認為此虛擬仿真實驗的學習其以后的發展有深遠的影響（如下表所示）。

采用虛擬仿真的實驗教學方式，學生可以不受時空限制自主安排學習，達到實驗要求，掌握實驗技術。對2020年的使用情況進行統計發現，除了上課的時間，每個學生平均學習3.13次，最多達到10次，并且經過反復訓練和學習每個班級的考核成績均達到97分以上并比平時成績大幅提升（如圖2所示），達到了強化學習效果和增強學習主觀能動性的目的。