【第五篇】论文题目：3D虚拟技术在生物化学实验教学中的应用探讨
摘要：生物化学实验教学是基础医学学生科研素质培训的基础。随着生物化学和分子生物学技术的迅猛发展, 实验设备和耗材的成本也大幅提高。目前, 我国高校医学本科生生物化学实验教学普遍存在内容更新慢、资源相对短缺等问题。为了提高生物化学实验课的教学质量, 自行设计和制作了可在线使用的生物化学虚拟实验的教学软件。学生可通过远程操作, 自学并虚拟实践复杂的生物化学实验过程。此虚拟实验教学软件可帮助本科学生开拓视野, 是传统生物化学线下实验教学的有利补充。
关键词：生物化学; 教学方法; 实验教学; 教学软件;
生物化学实验是综合类高校以及医学院校的多个专业学生必修的一门专业基础课程。生物化学实验课一方面是生物化学理论课的实践部分, 可帮助学生对生物化学的基本概念和过程进行理解;另一方面也具有相对独立的理论体系和操作流程, 是培养医学生科研素质的基础课程[1]。因此, 生物化学实验课的课程设计以及学习效果对医学生的科研素质的培养至关重要。
1 生物化学实验教学目前存在的问题
尽管生物化学实验课在整个医学生的教学体系中占有举足轻重的地位, 但是, 目前我国很多高校本科生的生物化学实验的教学实践却普遍面临着多重因素的严峻挑战[2]。这种挑战主要体现在:①生物化学实验课内容的更新速度赶不上生物技术的迅猛发展, 存在着相对的滞后性。这种滞后性的存在是因为我国的医学生的培养规模巨大, 而现在的生物化学的设备、试剂普遍非常昂贵, 教学场地和经费的限制导致了很多已经在研究性实验室中普遍应用的技术无法引入本科生的实验教学中[3]。②随着实验设备的精密程度以及先进性的增加, 反而会降低学生亲自动手操作的机会, 所以许多本科生课程为了增加学生动手能力, 宁愿选择传统的实验方法, 导致本科阶段的学习与实际研究脱节[3,4]。③由于许多生物化学实验耗时较长, 且操作时间不连续, 课时数的限制也影响了综合性整合式生物化学实验内容的广泛使用[3,4]。
2 生物化学实验教学中3D虚拟技术的具体应用
为了适应现代化的生物化学实验教学的需求, 解决目前教学中存在的这些矛盾, 我们教学小组尝试利用虚拟现实技术整合网络资源, 开发设计以3D虚拟技术的生物化学实验教学软件, 以作为本科生生物化学线下实验的有利补充。下面, 笔者以OB/OB肥胖型小鼠与正常小鼠的肝蛋白组双向荧光差异表达谱分析实验为例, 介绍在线实验教学软件的设计、制作以及初步应用的基本情况。
2.1 实验内容选择的原则
由于虚拟实验不需要考虑实验的技术和设备的成本, 因此我们实验设计的原则为:①选择实验室科学研究中正在使用的最先进的技术, 可以使学生能够得到比较真实的科研训练。例如, OB/OB肥胖型小鼠与正常小鼠的肝蛋白组双向荧光差异表达谱分析就是学习的目前蛋白组学的荧光二向电泳技术。利用Alpha LISA技术检测人血清肿瘤标志物甲胎蛋白 (AFP) 的含量就是目前PE公司最先进的Alpha LISA技术。这些技术虽然已经在研究工作中得到了应用, 但是成本耗费巨大, 许多高校没有在本科生中进行这些实验的必需设备和充足的教学经费。因此, 我们希望充分利用虚拟技术的优势, 将这类实验引入在线的虚拟实验中, 以开拓学生的视野。②选择整合型、开发型的综合实验。仍以OB/OB肥胖型小鼠与正常小鼠的脑蛋白组双向荧光差异表达谱分析为例, 本实验共包括了样本制备、蛋白浓度测定、SDS-PAGE电泳、等电聚焦电泳以及荧光扫描和银染染色五大部分。虽然每个部分都是一个相对独立的实验技术, 但我们将其进行整合作为一个综合实验, 有着明确的实验目的, 可以培养学生以问题为导向的科研思路。
2.2 软件的框架设计
本教学软件分为两大部门:第一部分为完整的文字实验方案部分, 包含实验目的、实验原理以及实验步骤等, 学生可以通过文字部分的自学, 把握整个实验的目的和方案;第二部分是实验的操作界面。本部分采取分模块、分步骤的形式, 这样学生既可以从头开始整个综合性的实验操作, 也可以选择进行单项实验的操作。例如, 蛋白浓度测定、SDS-PAGE电泳等版块就是将传统教材中的单一实验进行了融合, 学生也可以利用这些版块对实验课的内容进行复习和熟悉。
2.3 软件界面和操作的设计原则
①软件采用第一人称视角仿真设计。软件出现的设备、试剂等全部参照实验室原物仿真设计, 保证了学生较好的体验感。尤其值得一提的是, 所有设备的操作界面都是接触式设置。例如等电聚焦电泳仪的电压和电泳时间的设置, 全部采用和仪器相同的接触式按钮设置的方式, 可以帮助学生真实模拟大型精密仪器的使用方法。②实验的操作版本有含操作提示和不含操作提示两种方式, 以适应不同程度学生的使用需求。如果研究生和高年级学生在使用此软件时, 建议他们使用不含操作提示的模式, 这样所有的仪器设备、移液器、试剂均需自行根据标准的“实验步骤”来选择和进行, 难度较大, 但是学生的自主性更强。对于没有实验室经验的低年级学生, 则可以打开操作提示, 在操作提示的帮助下完成整个实验。
2.4 探索性的原则在整个软件中的体现
在软件设计中我们设计了一些计算和操作的“问题”环节, 启发学生的主动性和兴趣。比如, 在荧光标记蛋白样品时, 我们只在实验步骤中指出“需要标记100μg”的蛋白样品, 但是具体需要的样品体积则需要学生根据前一部分蛋白定量的实验结果计算出的蛋白样品的浓度, 然后进行换算才能得出。如果学生加入的体积不对, 则会提示学生重新计算。另外, 设备的设置也是如此, 参数设置的错误后, 系统会显示整个实验失败。这些环节的引入发挥了操作者的主动性, 避免了传统教学中有些学生只当操作工、不动脑筋的缺点。
2.5 在线远程操作的形式
软件采用网页的形式, 学生可以在授权登录后, 在任意地点直接联网进行操作, 非常方便, 实现远程操作。由于虚拟实验没有耗材成本, 我们拟在本软件开发成熟后, 将此软件无偿地对中西部实验硬件条件较差的医学院校的学生开放, 给他们提供远程学习先进生物化学实验技术的机会, 促进我国整体的生物化学实验教学质量。
2.6 软件的初步应用情况
该软件在第一版推出后, 我们首先在少量研究生中进行了试用。研究生对这类教学软件的反馈较好, 认为虚拟实验形式较新颖, 是一个自学新技术和新实验的非常好的平台。但是, 也有学生反馈用电脑操作一个复杂实验, 时间较长, 建议分成小实验来进行。根据这些意见和建议, 我们将复杂的综合实验进行了板块化分割, 学生可自行选择综合实验模式还是小实验模式。目前我们正在临床5年制的学生中进行初步的实践, 其反馈情况将在开放一学期后进行收集统计。
综上所述, 借助信息科学的迅猛发展, 我们自行设计并制作了虚拟生物化学实验教学软件, 以期能够开拓医学生的科研视野, 提高医学生的科研素质。该教学改革项目目前取得了一定的效果。特别要强调的是, 虚拟实验并不是也不可能取代线下的实验教学。虚拟实验通过发挥其远程、无耗材成本、互动性和自主性强等特点, 可以成为生物化学实验线下教学的有利补充, 促进生物化学实验教学更好地发展。
参考文献
[1]ADAMS DJ.Current trends in laboratory class teaching in university bioscience programmes[J].Biosci Educ E, 2009, 13 (1) :1-14.
[2]秦建, 李苹, 杨一平, 等.生物化学实验教学改革的尝试[J].实验科学与技术, 2007, (2) :60-62.
[3]林春兰, 吴志慧, 严玉霞.生物化学实验教学改革的发展趋势以及存在的问题[J].医学教育探索, 2010, (9) :256-257.
[4]杨红, 林德馨.生物化学实验教学现状的调查和浅析[J].山西医科大学学报 (基础医学教育版) , 2010, 12 (6) :608-611.
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