医用物理学实验课程信息化教学实践

张红 占志彪 李光明 刘文军

摘要：针对大型精密仪器在高校本科实验教学中存在的问题，提出了信息化实验教学的实施方案。在新冠疫情背景下，积极响应教育部的号召，贯彻落实“停课不停学”方针，探索并实践了将线上教学支持平台与虚拟仿真实验平台相结合的全方位信息化医用物理学实验课程教学模式，完成了教学进度并保证了教学质量，达到了预期的教学效果。以医用物理学实验课程中的透射电镜实验为例，介绍了该信息化实验课程教学的具体实施方案，为大型精密仪器在本科实验教学中的应用提供参考。

关键词：虚拟仿真;线上教学;透射电镜;医用物理学;实验教学;新冠疫情

中图分类号：G434       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）07-0185-04

Practice of Informatization Teaching of Medical Physics Experimental Curriculum

——Take the Transmission Electron Microscope Experiment as an Example

ZHANG Hong，ZHAN Zhibiao，LI Guangming，LIU Wenjun

（School of Biomedical Engineering，Southern Medical University，Guangzhou  510515，China）

Abstract：Aiming at the problems of large precision instruments in undergraduate experimental teaching in colleges，this paper puts forward the implementation scheme of informatization experimental teaching. Under the background of COVID-19，we respond positively to the call of the Ministry of Education，implement the policy of “classes suspended but learning continues”，explore and practice the teaching mode of all-round informatization medical physics experimental curriculum combining online teaching support platform and virtual reality experimental platform，the teaching progress is completed，the teaching quality is guaranteed，and the expected teaching effect is achieved. Taking the transmission electron microscope experiment in the medical physics experimental curriculum as an example，this paper introduces the specific implementation scheme of the informatization experimental curriculum teaching，which provides reference for the application of large precision instruments in undergraduate experiment teaching.

Keywords：virtual reality;online teaching;transmission electron microscope;medical physics;experimental teaching;COVID-19

收稿日期：2021-02-12

0  引  言

医用物理学是医学和物理学两个学科交叉融合而产生的新学科，其以实验为基础，运用物理学的原理和方法辅助临床诊疗。医用物理学课程理论与实践并重，实验教学是其重要组成部分，旨在培养学生的科学思维方法、实验操作技能和专业综合能力，兼具专业性和应用性，是医科大学生物学、医学、药学等相关本科专业的必修公共基础课。医用物理学是物理学在临床医学中应用成果的具体表现[1]，现代医学的诊疗实践越来越依赖先进分析仪器，因此，掌握先进分析仪器的使用方法是医科大学学生的必备技能。

透射电子显微镜简称透射电镜（Transmission Electron Microscope，TEM），是一种可以在极高的分辨率和放大倍数下观察和研究物质微细结构的精密分析仪器，是在教学和科研中进行样品形貌、物质结构及微区成分分析的有力工具，也是医用物理学实验课程教学中的重要内容。透射电镜在生物学、医学、药学等相关领域的科学研究中发挥着举足轻重的作用[2]。在纳米生物学领域，透射电镜是探究纳米级微观世界不可或缺的技术手段;在临床医学领域，透射电镜可以用于研究疾病的发生机制和致病机理，为临床病理诊断和治疗提供依据;在病原微生物学领域，透射电镜可以用来观察细菌、病毒等的特殊结构[3];在药学领域中，透射电镜可为药品质量的监管提供可靠参考。

1  透射电镜本科实验教学中存在的问题

透射电镜属于大型贵重仪器，其价格昂贵、数量有限、结构精密，并且其样品制备要求高、操作专业性强[4]，如果实验过程中出现误操作极易造成仪器损坏[5]。由于其维修成本高且维修周期长[6]，一旦出现故障将影响相关教学科研工作的正常进行[7]。鉴于透射电镜的特殊性及复杂性，经过专门的培训并考核合格的人员才可以独立上机操作。目前透射电镜主要应用于科研项目[8]，较难调整出仪器的空闲时间来满足常态化的本科实验教学[9]。在本科阶段的实验教学中，学生人数众多，且绝大多数学生都没有经过专门培训，由于透射电镜操作程序复杂烦琐，在出现问题时，学生很难做出正确判断并及时进行矫正[10]。為了保证仪器和师生的安全，即使一些高校开展了透射电镜的本科实验教学，通常也是以指导教师操作讲解为主，学生观摩学习为辅[11]。由于仪器少、学生多、课内学时有限，缺乏实际操作体验导致学生学习理论脱离实践，教学效果不佳[12]。如何在尽量减轻透射电镜的使用压力、降低故障率的前提下，保证其为科研服务的质量，并同时高效地承担本科实验教学任务，对仪器管理者和实验教师来说是一个难题[13]。

2  医用物理学实验课程信息化教学的实施方案

2.1  实施背景

在高校中，大型精密仪器属稀缺资源。近年来，随着本科生越来越多地参与到科技创新和科研项目实践中，其接触大型仪器的需求也日益增多[14]。在这种背景下，寻找合适的教学方式，让学生尽早接触大型仪器，培养具备丰富理论知识和扎实实验技能的专业技术人才是目前实验教学改革的热点研究课题[15]。

2020年2月，新冠肺炎疫情导致国内各高校纷纷延期开学。在疫情防控期间高校如何开展教学工作成为亟待解决的问题。对此，教育部提出“停课不停教、停课不停学”方针，鼓励各高校积极开展在线教学活动，保证教学进度和质量。为贯彻教育部指导意见精神，实验技术管理中心教研室根据现有条件，对医用物理学实验课程内容进行重新梳理，制定出“线上教学+虚拟仿真”的实验教学方案，实行全方位信息化的实验教学模式。

线上教学运用互联网技术将大学课堂转移到网络空间，实现了教学活动的在线化;虚拟仿真通过信息技术模拟真实的实验教学仪器和环境，在虚拟实验平台中实现了仪器设备的可视性和操控性。将这两项技术相结合，引入医用物理学实验课程教学中，改变了传统实验课堂的教学方式，突破了传统实验教学在授课场地和学时方面的局限性，拓展了实验课程的深度与广度[16]，是医用物理学实验课程教学的一次重大革新[17]。

2.2  实施对象

南方医科大学医用物理学理论与实验课程开设在大一下学期，此次信息化实验教学的授课对象为2019级本科生，包括临床医学、基础医学、预防医学、口腔医学、精神医学、法医学、儿科学、麻醉学、药学、中药学、医学实验技术、康复治疗学、医学影像學等15个本科专业，共计1683名学生，授课时间为2019—2020学年春季学期，实验教学10学时。透射电镜实验是医用物理学实验课程中的一节重要内容，教学时长为2学时。本文以透射电镜实验为例进行介绍。

2.3  实施方案

2.3.1  课前预习——线上教学支持平台

医用物理学实验课程教学的课前预习环节通过线上学习完成。线上教学采用南方医科大学爱课教学支持平台。医用物理学实验课程依托该平台搭建了线上教学环境，实现了课程教学资源的共享和协作，拓展了教与学的时间和空间，保证了学生充分的课前准备工作，减少了师生之间的直接接触，为防止疫情向校园传播、守卫师生生命安全和身体健康提供了保障。

爱课教学支持平台是医用物理学实验课程教学的线上入口，授课教师在平台上为学生提供透射电镜实验教学PPT课件、虚拟仿真实验平台使用指南文档、电子版实验报告模板等课程资源，并阐明课程内容、提出课程要求、设置课程作业。学生在实验课正式开始之前的一周内，登录爱课教学支持平台进行实验预习，熟悉实验原理、实验仪器、实验内容、实验步骤等。对于透射电镜实验，学生要了解其发明和发展过程及其应用领域，理解其成像原理与结构，熟悉其基本操作流程与注意事项。学生需要在课前对实验的内容和要求做到心中有数，并且根据指南文档提前熟悉虚拟仿真实验软件环境，为实验的正式开展做充分的准备。

教师通过爱课教学支持平台可以实时监测每位学生的学习进度及课程活动的完成情况，包括浏览次数、访问时长等信息，督促学生学习，保证预习效果。本教研室还建立了腾讯QQ群，实现师生实时对话，进行线上答疑，为学生课程学习提供畅通的反馈与交流渠道。

2.3.2  课中实践——虚拟仿真实验平台

通过虚拟仿真技术构建出的透射电镜实验教学平台，可让学生通过人机交互完成实验过程[18]。学生正式上课时在虚拟仿真平台上完成实验，课程所采用的虚拟仿真实验教学平台是由安徽省科大奥锐科技有限公司开发的《大学物理仿真实验V2.0》。该软件首发于1996年，是国内乃至国际上虚拟仿真实验教学软件的先驱。本教研室早在2005年便引入该软件用于辅助大学物理及医用物理学课程实验教学。

在该平台中，透射电镜虚拟仿真实验软件采用窗口式的图形化界面，如图1所示。界面右上角的缩略图包含了如图2所示的监视器窗口（a）、如图3所示的操作面板窗口（b，c，d，e，f，g）、如图4所示的样品台窗口（l）、荧光屏观察窗口（k）等。

虚拟仿真实验平台可以帮助学生直观的认识透射电镜的结构，包括电子光学系统、真空系统和供电控制系统。除此之外，还可以帮助学生了解透射电镜的主要部件，如电子枪、样品台、记录装置等。

上课时要求学生在虚拟仿真实验软件中完成透射电镜的基本操作流程，包括：开机准备、加高压、照明系统对中、更换样品、样品的观察与记录。学生通过虚拟仿真仪器的操作可以实现完整的仪器实验基本操作流程。

除此之外，虚拟仿真实验可以通过缩短仪器准备所需的等待时长来提高实验效率，从而保障学生在有限的课时内完成整个实验流程，如开机准备步骤中的抽真空计时，实际仪器操作时需等待20分钟，而在虚拟仿真实验中仅模拟等待20秒钟。

照明系统对中步骤是本实验操作的重点和难点，要求学生有足够的耐心，如果调节过程操作不当容易造成样品超出视野范围或失焦的状态而影响结果的观察，此时需要重复对中过程直至在荧光屏窗口内观察到清晰的样品图像，如图5所示。这对学生做实验的韧性是一种良好的考验，可以让学生体验到实验过程中细心与耐心的重要性，磨炼学生的意志。

由此可见，此虚拟仿真实验系统在实验操作流程的把控上做到了详略得当、突出重点。

2.3.3  课后总结——线上教学支持平台与虚拟仿真实验平台结合

学生通过虚拟仿真实验完成透射电镜的基本操作流程，观察并记录下样品图像，课后需要回顾实验过程，总结归纳实验内容，回答思考题，最终提交电子版的实验报告。在课后，学生不仅可以随时通过爱课教学支持平台复习实验内容，而且可以通过虚拟仿真实验平台重复练习实验操作，不断加强对理论知识的理解和对实验技能的掌握。

2.4  实施效果

通过线上教学支持平台课前预习、虚拟仿真实验平台课中实践及课后总结和复习的全方位信息化实验教学模式的学习，学生较好地认识了透射电镜的结构和特点，理解了透射电镜的成像原理，并通过虚拟仿真实验，掌握了仪器的基本操作流程。这种新模式下的实验教学激发了学生浓厚的学习兴趣，全面锻炼了学生的实践操作能力。遇到问题不轻言放弃，并通过不断地探索和试验来寻找问题的解决方法是实验课程对学生的期许，从实验报告中反映的情况来看，学生们的实验过程或顺利或曲折，最终绝大多数学生都按照要求完成了实验，达到了预期的教学效果。

2.5  课程思政建设

针对高校课程思政建设工作，教育部指出课程思政要潜移默化地融入课堂教学，在知识传授和能力培养的过程中实现正确的价值观引导。本教研室认真梳理了透射电镜实验教学内容，深入挖掘了其中的课程思政元素，并将其有机地融入医用物理学实验课程信息化教学中，实现润物无声的育人效果。

在透射电镜的发明和发展中，介绍了德国物理学家恩斯特·鲁斯卡于1932年发明电子显微镜，并因此在1986年获得诺贝尔物理学奖。经过半个世纪的发展，电子显微镜将人类观察微观世界的放大极限从光学显微镜的2000倍扩大到了100万倍。透射电镜的发明也使生物学、医学研究向大分子及更细微结构方向发展。英国科学家亚伦·克鲁格因利用电子显微镜观察到病毒等的结构而获得1982年的诺贝尔化学奖。由此可见，一项新技术的发明开发了科学研究的新方法，并为众多科学领域带来了重要的新发现，这体现了科学研究的延续性和扩展性，启发学生不断探索的科学精神。

在介绍透射电镜的成像原理时，将透射电镜和光学显微镜的光路系统进行对比，结果表明：虽然两者在照明源、聚焦装置、放大倍数、分辨本领和应用领域等方面存在着显著差异，但两者在成像原理方面却是一致的，教导学生进行物理实验时要学会透过现象看本质。

在介绍透射电镜的应用领域时，专门选取由透射电镜拍摄的新冠病毒图像为例，从图像中可以看出，在透射电镜下的新冠病毒呈椭圆形且表面有規则排列的形似皇冠的突起，这也是其名字的由来。研究人员表示，新冠病毒正是依靠这些突起来附着和入侵宿主细胞的，而这些突起也正是研究治疗手段的突破口，让宿主细胞迅速锁定病毒表面棘突蛋白并产生免疫反应成为预防感染的重点研究课题。这一例证紧扣当下医学和时事热点问题，理论紧密联系实际，强化学生记忆，激发学生科学探究的兴趣。

3  结  论

在抵抗新冠肺炎这场没有硝烟的战“疫”中，为确保“停课不停教、不停学”，全国各地高校广泛开展线上教学，利用互联网及虚拟仿真实验平台，指导学生实验。虽然新冠疫情给线下教学按下了“暂停键”，但是却给以虚拟仿真技术为基础的信息化实验教学的实施按下了“快进键”。

本教研室通过爱课教学支持平台与虚拟仿真实验平台的结合，实施了全方位信息化的实验教学模式，弥补了透射电镜在本科实验教学中仪器资源相对紧缺的不足，拓宽并加深了实验教学的内容，培养了学生的学习兴趣。在实验前，线上教学支持平台帮助学生做好实验的预习准备工作，让学生在充分了解实验内容的基础上做好实验，提高实验效率。在实验过程中，虚拟仿真实验平台使学生学习的主体作用得到充分的发挥，学生由传统实验教学的被动接受知识向虚拟仿真实验的主动探索知识转变。在实验后，两个信息化平台的协作还保障了课后复习环节的实施，满足学生对实验重复操作练习的需求，巩固学生理论知识、强化学生实验技能，加深学生对实验的理解。全方位信息化的实验教学模式培养了学生的自主学习能力，锻炼了学生的实验操作技能，提高了学生的综合实践能力，达到了预期的教学目标，明显改善了实验教学的效果，使实验教学突破了课室和课时的局限、在空间和时间上得到延伸，提升了大面积实验教学的质量和水平，保障了新冠疫情下医用物理实验课程教学任务的顺利完成，为今后实验教学的改革发展提供了宝贵经验。

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作者简介：张红（1992—），女，汉族，河南新乡人，助理实验师，硕士，研究方向：生物医学工程;通讯作者：刘文军（1967—），男，汉族，湖南长沙人，副教授，博士，研究方向：生物医学工程。