细胞生物学虚拟仿真实验教学模式的构建

陶 娟 杨 杰 张 靖

(新乡医学院三全学院，河南 新乡 453003)

0 引言

细胞生物学实验是细胞生物学课程体系中不能忽略的实践教学部分，与理论课相辅相成。 细胞生物学实验技能是生物学类人才必须掌握的基本技能之一，因此，细胞生物学实验是高等学校生物学相关专业重要的基础实践课程之一。 伴随着“互联网+教育”的蓬勃发展，课堂教学逐渐呈现信息化、网络化、虚拟化的发展趋势[1]。将互联网融入实验教学中，利用网络技术创建虚拟仿真实验来辅助实验教学已成为现在改革的重要课题。 因此，细胞生物学虚拟仿真实验教学模式的构建具有重要的理论意义和时代意义。

1 虚拟仿真实验的概述

虚拟仿真实验是利用网络和计算机技术模拟和重现真实的实验内容和步骤的一种实验操作，与传统实验相比，虚拟仿真实验具有安全性、仿真性及参与性等特点[2]，能够解决传统实验中存在的问题，如实验时间长、安全系数低、受制于伦理学和经费高、流失已久的实验技术等不易实操的综合性实验等问题[3]，并且能够拓展实验教学内容的广度和深度，延伸实验教学的时间和空间。 作为对传统实验教学的补充和完善，国家虚拟仿真实验教学项目的应用成效与高等学校人才培养目标和社会需求之间存在一定的差距，如实验项目的设计与理论课知识点结合得不够紧密，重点和难点不够突出，评价体系不完善，资源更新速度和共享度有待提高[4]。

2 传统的细胞生物学实验教学中存在的问题

细胞生物学实验教学是细胞生物学教学体系中比较重要的环节，是对细胞生物学理论教学的补充。通过细胞生物学实验教学，有利于加深学生对基础理论知识的理解，培养学生基本的实验操作技能，有利于提高学生的科研素养和解决问题的能力。 大量新的细胞生物学技术的出现及相关知识和信息的井喷式增长，促使教学工作者不断更新教学内容和教学方法[5-6]。这些改进在很大程度上改变了教学内容陈旧、缺乏连贯性及操作简单等特点，但还远不能让学生跟上技术快速发展的步伐。 整体性、连贯性的综合设计性实验由于受到学时和经费等条件的限制，学生无法进行这些实验操作。 学生不能掌握新技术、学习新方法，极大地影响了学生对科学的探索欲望。因此，设计直观生动的虚拟仿真实验，突破时间和空间的限制，提高学生的创新能力，已成为实验教学改革的方向之一。

3 虚拟仿真实验教学模式的构建理念

细胞生物学虚拟仿真实验的建设要秉承“科学规划、突出重点、资源共享、提高效益、持续发展”的指导思想[7]，创新实验教学的技术与方法，培养生物类学生创新创业的能力，采用虚实结合的实验教学模式，将常规实验教学无法开展的前沿及创新实验内容，利用虚拟技术转化为虚拟仿真实验教学资源，既提高了教师的教学效率，也提高了学生的学习效率及实践创新能力。

4 细胞生物学虚拟仿真实验教学模式拟构建内容

我校正处于应用型转型发展的关键时期，实验教学处于全面深化改革的重要时期，为了提升学生的实践和创新能力，我们拟采用细胞生物学虚拟仿真实验教学平台，实验内容形成基础性和综合性两个层次，共9 个模块。本平台将为我校生物技术、生物工程、生物制药与临床医学专业学生学习细胞生物学课程的重要学习平台。现将细胞生物学虚拟仿真实验教学模式的构建方案介绍如下。

4.1 基础性实验

细胞生物学基础实验的虚拟仿真试验将包括显微镜的使用，如普通光学显微镜和荧光显微镜的使用和应用；细胞制片技术，如压片、涂片、徒手切片和冰冻切片；细胞化学技术，如DNA、RNA、酸性蛋白、碱性蛋白、酸性磷酸酶在细胞中的定位；细胞培养技术包括原代培养、传代培养和细胞冻存；染色体分析技术包括染色体标本的制备、核型分析。 通过基础实验虚拟资源的学习，学生不仅能够全面了解和掌握细胞生物学的基本技术，而且也是培养基本实验操作技能和创新性思维能力的需要。

4.2 综合性实验

细胞生物学综合性实验的虚拟仿真试验包括动物细胞的转染与GFP 的RNA 干扰技术；细胞生理活动的观察，如细胞的自噬、吞噬和细胞凋亡的研究；药物对细胞迁移与侵袭的影响。由于综合性实验的实验周期往往较长，过程也比较复杂，实验经费消耗的比较多，采用虚拟实验平台就可以突破时间和经费的限制。 学生能将孤立的基本技术有机的整合，在巩固基本实验技能的基础上提高创新能力。

5 虚拟仿真实验教学模式的几点思考

虚拟仿真实验模拟实验环境，将知识直观化的呈现，可以调动学生的积极性和主动性，提高教学效率。虚拟仿真实验与实际的实验课堂教学相结合，打破客观条件对实验教学的限制，使学生对一些难以开展的实验进行深入了解，作为老师得力的实验教学的辅助工具。 但虚拟实验与现实实验是有一定的差异，在建设虚拟实验时还需注意以下几个方面：

（1） 虚拟实验的内容设计应联系学科的发展前沿。 实验内容要与理论教学的知识点紧密结合，以解决教学中重点和难点问题，在建设中还要保证虚拟资源的可持续性。 除了能够满足教学外，实验内容设计还应联系学科的前沿动态，以培养拔尖型、复合型人才，提高人才培养的质量。

（2）虚拟平台交互性和兼容性要强。 平台要利用人工智能等信息技术，增强交互的智慧化、智能化，能够随机随时交互，满足教学的需要。 完善平台的兼容性，降低对硬件的要求，实现能够用手机随时随地进行操作。

（3）完善评价体系。 平台的评价系统要包括过程评价和结果评价，过程评价和结果评价都包含作业系统、预习系统、线上讨论，最后成绩应包含这些成绩，系统会按比例算出最终成绩。