現代信息技術與生物學實踐教學深度融合探索

摘" 要：現代信息技術在生物學實踐教學中得到廣泛的應用，有直觀展示知識內容、虛擬仿真實驗、師生推拉式互動等，在激發學生的學習興趣、培養創新能力等方面發揮作用。通過現代信息技術與實踐教學的融合可以優化實踐教學內容、創新實踐教學形式，破解傳統實踐教學中的難題，培養學生實踐能力與創新精神。

關鍵詞：現代信息技術；實踐教學；生物學；互聯網+；虛擬仿真

中圖分類號：G642" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2024）25-0107-04

Abstract： Modern information techniques （MIT） have been widely applied in practical biology teaching. By intuitional presentation of knowledge， virtual simulation experiments， or \"push-pull\" activities etc.， MIT has helped to arouse students' enthusiasm， and played roles in training innovation ability. The fusion of MIT and practical teaching can optimize teaching content， innovate the mode of practical teaching， crack the issues in traditional practical teaching， culture students' ability to practice and pioneering spirit.

Keywords： modern information techniques; practical teaching; biology; Internet +; virtual reality

目前，高校卓越人才培養離不開教育教學的改革，而科教深度融合已成為教學改革和人才培養的必然趨勢，在高校“科”“教”的全方位和多維度的改革建設中，最核心的應是一流人才團隊，再結合學科、平臺一體化的系統建設，全面統籌推進、不斷完善“科”“教”的管理手段和硬件、軟件的基礎，真正實現科教的深度融合，并發揮其優勢[1]。在信息技術飛速發展的當今社會，各行業都在不斷地探索研究將信息技術與行業相結合，移動互聯網、新媒體也已經融入了高校學生的生活之中，利用信息技術可以突破傳統課堂教學的局限，大大增加了課堂教學的直觀性、靈活性、趣味性及課堂容量。現代信息技術在教育領域被應用為認知工具、探究工具、溝通工具和實操演練工具等[2]，通過發揮現代信息技術的優勢，在一定程度上可以促進課堂“教”與“學”效率的提升，可以把一些復雜的概念以虛擬化的方式呈現在學生面前，促進知識能力的轉換，強化理論和實踐之間的聯系。搭建互動渠道，在互動中認識創新創業的重要性，使教學任務目標與知識體系更好地滲透融合，提升學習動力。

隨著科技的發展，我國現代教育教學模式已經變得多樣化和高效化，如微課、慕課、網絡課堂等。傳統填鴨式教學模式、“一言堂”的教學模式等都逐漸被人機互動、翻轉課堂等雙向教育模式所取代，師生之間不再是單純的“教”與“學”關系，而是隨著現代科學技術與教育教學的深度融合向“1+1＞2”的方向轉變，如師生之間的相互學習、相互合作、相互進步和相互監督等。

目前，生物學是發展最快、 影響人類生活最廣的自然科學學科之一，生物學研究方法的不斷翻新，也促進了生物學實踐教學的不斷改革。實踐環節是生物學教學中的重要組成部分，如何緊跟科學發展前沿，向學生傳授先進的實驗技術和理論、培養學生主動獲取知識和技術的能力，是生物學實踐課程建設和改革的關鍵。現代信息技術的發展，可以有效地與實踐教學深度融合，從而改變固有的教學模式，提升實踐課程的品質，增強學生主動學習的動力。

一" 將現代信息技術與生物學實踐教學體系進行融合

生物學實踐教學是研究生命活動及規律必不可少的教學環節，傳統的教學中主要存在的問題有學生主動性不強，不喜歡動手，參與度不高，眼高手低對實驗不感興趣；缺乏科研思維訓練，不會設計實驗，理論知識不會在實驗中應用，對問題不知道該從哪個角度思考；缺乏對結果的分析能力，不會對比分析，對圖、表處理不規范，不會用科學的語言描述；最新技術很難在教學中實現，硬件條件不夠、技術上存在難點不容易實現，實驗的連貫性在教學中容易間斷。針對以上問題，通過信息化技術與生物學實踐教學的深度融合，使學生變被動為主動，增強學生自主性學習、探究性學習、協作性學習和情境性學習等可持續的實踐教學。

因此，我們將實體課堂定為第一課堂，利用現代信息技術開展第二課堂，學生預習、復習和考核等。設置實驗技術和虛擬實驗，通過視頻課程講解實驗原理、方法、應用及相關的前沿技術，學生根據課程內容及文獻介紹，每個組設計出自己組的實驗方案并上傳到在線課程中進行討論。教師通過在線課程對學生的實驗方案進行指導，完善后在線下進行具體的實驗操作。學生完成實驗后需要在線上傳實驗報告和論文，教師會及時反饋實驗報告的意見，對于優秀的內容或特別差的內容，教師也會不記名地發到討論區，讓學生討論交流，教師對學生反映的問題會定時跟蹤（圖1）。

二" 擺脫時空限制，緊跟時代步伐，將現代信息技術與實踐途徑進行融合

生物技術的快速發展帶來了許多新的實驗技術，在實驗教學中更好地傳授這些新技術，讓學生不僅掌握技術的原理與方法，還能在操作和應用過程中提高分析問題和解決問題的能力，從而提高創新能力。然而，在實踐教學環節中還存在抽象的原理、無法直接操作的實驗內容等，因此利用現代信息技術與實踐教學的融合可以實現生物類學生實踐能力培養的快速有效途徑。我們在基因工程原理與技術實驗中，利用Flash技術，將實驗內容相關的圖形、文字、圖像等通過動畫兼游戲的形式融為一體，有效地提高學生理解抽象實驗原理和掌握繁瑣實驗步驟的能力。利用學習通網絡平臺，將該實驗內容上傳到相關的課程中，學生可以在網上進行操作演練，如果學生忘記了如何操作，可以點擊幫助按鈕，在幫助中會提示接下來如何操作。通過實踐，使學生能夠在有限的時間里順利地完成實驗內容，并能掌握實驗操作技巧，提高了學生的動手能力。

有一些探究式的實驗由于客觀因素不能滿足，現代信息技術恰好可以通過呈現方式的及時性、細節可放大性、數據的快速處理等特點很好地解決一些探究式的實驗內容。如在“基因編輯及原生質體的瞬時轉化”實驗中，基因編輯部分可以利用網絡在線數據庫資源對基因序列進行操作，在https：//phytozomc-next.jgi.doe.gov/網站中確定基因序列，在http：//gsds.gao-lab.Org/中對內含子進行分析，將拿到的結果與CDS和基因組去比對，查看是否在外顯子上，如在則可作為備選。學生通過互聯網對實驗內容進行分析，查找文獻資料、技術視頻等信息，并運用計算機軟件對數據進行處理等方式，使其對生物學及相關技術的理解更加透徹。

三" 虛擬現實，突破難點，將現代信息技術與實踐環境進行融合

目前常用的一些信息技術平臺如超星、智慧樹等，學生可以通過智能手機與電腦實現“互聯網+”與教學的融合，教師利用這些平臺建設網絡在線課程，將課程資源及學習互動等上傳到平臺上，為學生營造出超越傳統的全新學習環境，如網絡學習、移動學習、虛擬學習等。利用計算機等多種技術手段，建設傳統實驗中不能完成的實驗內容，或者是傳統實驗中各種儀器的使用方法，從而營造出與現實相同的實驗環境[3]。

利用“互聯網+”、虛擬實驗、人機交互等技術，將虛實結合、能實不虛、相互補充及以虛促實的建設理念和危險實驗安全化、昂貴實驗經濟化、抽象實驗形象化的建設思路融入到實踐教學中。保證了實驗的真實性，節約了實踐教學成本，降低了實驗中的危險系數，提高了教學質量。以學生為主，問題導向，任務驅動的教學模式，教給學生方法，在線學習提供數字化實驗資源，全面促進學生自主學習、自主實驗、自主創新。

如在“激光共聚焦虛擬仿真實驗”中（圖2），利用“線上+線下混合式”的教學方法，首先對學生引導，使他明白虛擬實驗的目的和操作等，調動學生的學習興趣，促使學生進一步深入研究、探索，實現對學生創新能力的培養。學生在此學習過程中可以掌握實驗原理、操作技能、注意事項等，再結合線下教師的講解和對有條件的儀器或生產環境等進行參觀，虛實結合地培養學生創新能力。線上線下混合還可以滿足每個同學的不同需求，激發學生學習和創新的動力。

在線上線下混合教學過程中，還能夠增加學生學習的主動性，課前預習，提前了解自己需要在課上學習的內容，標注重點，提高學習效率，養成良好的學習習慣，激發學生的創造性和主動性。在線上線下混合教學中，教師還可以引導學生針對課程內容在網上討論，拓寬課程知識面，開闊學生的眼界。

四" 數字資源，整體考量，將現代信息技術與教學資源進行融合

隨著互聯網、云計算、大數據、物聯網和人工智能等技術的發展，教育行業已進入數字化轉型期[4]。可以利用現代信息技術建設數字化教學資源，例如在植物或昆蟲實驗中，自己拍照，或者對互聯網上已有的相關圖片進行搜索和查詢，對國內外制作的分辨率高、特征突出的精美的植物或昆蟲等圖片進行收集，建設數字化圖片庫作為教學資源，使學生通過計算機和網絡進行學習。對一些實踐中抽象難度大的實驗，也可以通過錄制視頻等方式建設實踐教學視頻資源，通過拓展學生的時間和空間達到提高教學效率的目的。

將信息技術與教學資源融合，可以實現個性化教學和因材施教。生命科學學院已經建立了植物學、細胞生物學、基因工程和分子生物學等在線開放課程資源。數字化教學資源可以使學生在學習過程中通過回放功能加深知識的掌握，方便不能及時掌握學習內容的學生。但對于基礎好的學生可以開展自選實驗來深入學習。通過數字化實踐教學資源的建設，為學生營造一個絕佳的實驗學習環境，也更有利于建立良好的師生關系[5]。

以細胞生物學實驗為例，累計頁面瀏覽量為581 992次，累計選課人數為718人，累計互動次數2 000次。在課程資源建設中，共建設授課視頻39個，視頻總時長298分鐘，非視頻資源59個，課程資料189個，課程公告231次。為學生隨時學習和師生交流提供了資源和平臺。

五" 加強管理平臺和信息化條件建設，營造數字化的實驗和學習環境

目前，我們利用超星網站搭建了生物學實踐相關的課程教學和管理平臺，如細胞生物學實驗、基因工程實驗和細胞工程實驗等，并涵蓋了Flash和3D的虛擬仿真實驗，具備信息發布、互動交流、教學管理、成績評定和考試等多項功能，可以在Windows、Linux等操作系統下的PC機、平板電腦或手機上運行，支持學生任意時間、任意地點進行實驗學習。目前東北林業大學也實現了校園無線網絡全覆蓋，為學生創建了“時時能學習，處處能學習”的網絡環境。我們利用超星網站將實踐課程建成數字化課程，實現教學資源和教學管理、教師輔導、學生自主學習等“一體化”管理服務平臺，使教學空間由課內向課外、課內外結合等教學形式轉變。超星的學習通APP具有多種功能，學生在無線校園網環境下，能夠滿足隨時、隨地的“移動學習”要求，為生物學實驗教學與現代技術的融合提供了良好的軟硬件條件和信息化環境。

如在章節測驗中（圖3），可以隨時檢測學生的學習效果，60分以下的有5人，60—79分的25人，80分以上的81人，這樣就能及時發現學生的不足之處，在課堂授課時可以重點講解學生難以理解的知識點，同時也能發現哪些同學沒有完成，可以直接聯系該同學督促其盡快完成，起到教師對學生學習的推拉作用，逐漸讓學生習慣自主學習。

六" 現代信息技術與生物學實踐教學深度融合的應用價值

利用現在信息技術可以將實踐內容更直觀、真實地呈現給學生，可以給學生最準確的認知和身臨其境的感受，對于知識目標和情感目標的達成裨益良多[6]。以現代技術輔助教學，呈現知識內容，激發學習興趣，培養學生創新精神，同時要求教師提高教學技能，轉變教學觀念，將教學模式與現代學生的需求緊密結合起來，激發學生思考，豐富課程教學資源。

利用現代信息技術優化課程教學內容，梳理匯總龐大的教學知識體系，明確學習重點難點，提高課程學習效率，有利于夯實學生知識基礎；有利于改革創新教學方式，增添課堂教學的趣味性，起到事半功倍的教學效果；有利于深入教學實踐活動，可以提升學生的動手操作能力，培養兼具理論知識與實踐能力的新時代人才[7]。

使用現代技術網絡輔助教學已經成為當今教育發展的趨勢，對于提高優質教學資源的利用率，促進教育事業的發展，實現人才培養目標等起著重要的作用。隨著高校一流在線課程的影響力不斷增強和課程資源規模不斷擴大，學生對高水平一流在線課程的共享需求也越來越迫切。在線開放課程是以學生為主體的學習平臺，利用現代信息技術搭建“推拉式”課程為學生提供內容豐富的網絡自學平臺， 其高度整合的資源信息取代了枯燥乏味的理論說教。學生利用自主學習平臺不僅可以隨時隨地地對課程的課件、視頻、習題等進行預習和復習，還可以進行個性化學習和同學之間的協作學習，通過在線的方式來討論學習，提高學習的效率，完成教師所布置的任務，能夠大幅度提升自主學習能力[8]。

在傳統的教育教學實踐中，教學主體為教師，教師向學生傳授知識，而學生處于被動狀態，被動地接受知識，往往受老師思維的影響較深，不利于學生思維的擴展。利用現代信息技術結合“以學生為中心”的教學理念，建設利于學生自主學習的平臺，在學生的學習過程中實現推拉式的引導，幫助學生樹立自主學習思維、積極主動學習意識，養成主動學習的習慣，對學生實現終身學習的能力奠定一定的基礎。課程建設中主要包含課件、圖片、教學視頻、音頻和參考資料等內容，學生可以根據自身需求選擇適合自己的學習資源達到學習的目的。同時教師也可以活躍學習氛圍，提高學生的學習興趣，也可以加強師生互動。通過在線課程平臺，學生可以提交課程作業、積極參與課程討論，發表自己的觀點和提出各類問題，這促進了師生的互動與交流（圖4），解決了課堂時間的限制，強化和提高了學生對專業知識學習的主動性和對問題的思考。

目前，現代化信息技術推動了我國教育信息化的發展，不斷涌現出“微課”“雨課堂”“翻轉課堂”及“超星學習通”等新型教學模式。學生在學習通上能夠隨時隨地在線學習、做作業、課程討論、小組討論、做筆記、進行考試和查詢成績。網絡時代的信息技術，大大拓展了學生和老師交流的深度與廣度，無論身在何處，只要有網絡，教師就可以與學生建立起聯系，教師可以采用多種教學模式，將教學內容實時、生動、全面地傳授給學生，不再局限于課堂和講臺中。多種形式的現代信息技術與教學的深度融合下，學生成為了教學的主人翁，教師成為了教學資源的提供者、組織者和評價者，使教師和學生都能輕松、系統化地“教”和“學”，實現卓越人才培養中“科”“教”深度融合的優勢。

參考文獻：

[1] 趙長祿.以科教協同平臺推動教育科技人才工作深度融合[N].中國教育報，2023-3-6.

[2] 趙輝.現代信息技術提升大學生雙創核心素養研究[J].淮南職業技術學院學報，2022，22（2）：96-98.

[3] 楊珺，汪曉慶，潘獻柱，等．虛擬仿真技術在病理學實驗教學中的應用探討[J]．科技視界，2019，13（30）：204-205．

[4] 蔣之煒，楊敏，李宣.后網課時代高校設計學科教師數字化線上教學能力提升研究[J].湖北開放職業學院學報，2022，35（22）：135-137.

[5] 劉艷，朱瑞新，錢潔，等.數字化生物信息實踐教學平臺的構建和實踐[J].實驗室研究與探索，2014，33（5）：209-212，230.

[6] 袁洪升，王棋，劉玲玲.基于數字化技術的中國古建筑構造類課程教學改革研究[J].廊坊師范學院學報（自然科學版），2023，23（1）：103-106.

[7] 楊永.現代信息技術在高校人才培養中的應用探討——以植物育種人才為例[J].植物遺傳資源學報，2023，24（2）：584.

[8] 景天忠，孟昭軍，吳韶平，等.應用超星學習通搭建“推拉式”自主學習平臺——以“昆蟲世界與人類社會”為例[J].中國多媒體與網絡教學學報（上旬刊），2021（6）：20-22.

基金項目：教育部產學合作協同育人項目“林木雜交育種及快速繁殖技術虛擬仿真實驗”（202002046007）；黑龍江省高等教育學會高等教育研究課題“基于互聯網視域下農林院校立德樹人的策略與實踐”（23GJYBB008）；東北林業大學教學改革項目“現代信息技術與生物學實踐教學深度融合的探索”（DGY2022-29）、“互聯網+環境下高校院系教學管理中信息管理效能提升策略研究”（DGY2020-53）

第一作者簡介：齊鳳慧（1976-），女，漢族，北京人，博士，高級工程師。研究方向為林木遺傳改良與逆境分子生物學。