细胞生物学实验的多媒体互动教学模式探索

张旦旦+蔡燕飞+李会+史劲松

摘要：近年来，随着教学改革的持续深化和创新教育的不断推进，实践教学已成为培养高素质创新型人才的重要环节。细胞生物学实验是一门实践性很强的学科，随着信息技术和现代教育技术的发展，针对细胞生物学实验教学存在的问题，不断开展改革和创新。多媒体互动教学系统作为现代实验室教学的一种新手段，已逐渐被应用至细胞生物学的实验教学中。本文探讨了多媒体互动教学实验室的架构以及多媒体互动教学模式在细胞生物学实验教学过程中应用的优势，这对理工科实践教学具有一定的借鉴意义。

关键词：细胞生物学实验；多媒体互动教学；显微成像技术

一、研究背景

实验教学作为实践教学的主要组成部分，在高等教育中举足轻重。细胞生物学是当今生命科学的前沿学科之一，近年来发展迅速，且每一项创新性研究成果中都体现了创新性的研究思路、严谨的研究策略以及实验技术方法的科学运用。其中，实验技术方法是学科研究的基础。随着技术产业应用的快速崛起，细胞生物学已渗透到遗传学、分子生物学和发育生物学等生命科学各分支学科，成为生命科学研究的重要利器。因此，如何在细胞生物学实验教学过程中将前沿的实验技术方法以简单明了的方式传授给学生，提高学生对现有技术的接受度，进而培养学生独立思考、深入探索的自主意识和科研创新能力，值得我们深入思考。

传统的细胞生物学实验教学仅作为理论教学的补充，不但实验项目设计单一，技术方法陈旧，而且教学模式单一，部分精细化实验技术展示度不够，教师对学生的指导又无法做到面面俱到，导致学生对知识点掌握不到位。近年来，随着信息技术和现代教育技术的发展，针对细胞生物学实验教学存在的问题，不断开展改革和创新，多媒体互动教学系统作为现代实验室教学的一种新手段，已逐渐被应用至细胞生物学的实验教学中。该系统基于显微成像技术，利用网络传输通过计算机将实验室的学生显微镜、教师显微镜以及其他网络化的实验设备有机联系在一起，从而构成了师生间的网络互动和双向沟通，使师生间讨论的内容一目了然，样本的观察更方便，彼此交流更直观、有效。教师和学生的互动交流，可实现构建教师显微实际操作的“现场直播”与学生独立操作演示相结合的互动式教学模式，本文就教学模式的实施展开了讨论。

二、多媒体互动教学实验室架构

多媒体互动教学实验室的基本架构是：将倒置显微镜、数字成像系统（CCD）、计算机（图形采集和处理工作站）、实时录像系统、网络交换器、投影仪等仪器设备通过网络连接和软件系统有机整合，将图形、数据等资料选择性地呈现在学生面前。下文从教师端和学生端分别介绍多媒体互动教学实验室的架构。

1.教师端的组成和主要功能

教师端主要由两部分组成：一是安装于超净工作台的实时录像系统，可将教师在超净工作台上的每一步操作如现场直播展现在大屏幕上；同时可以调节录像焦距，即对部分细节操作进行微距拍摄，并清晰地呈现在学生面前，配合教师对动作要点的讲解，提高学生对操作的接受度。由于所有操作均在教室的投影屏幕上展现，可供全班同学（一般为30人）无死角观看，解决了示教空间局限性的问题，提高了教师的教学效率。教师端的另一组成部分为显微成像系统，由倒置显微镜和1200万像素的CCD组成。对于培养细胞或组织的观察均在倒置显微镜上进行，教师将制作好的标准化样品放在教师端显微镜上观察成像，通过CCD将图像传输至教师端主机，并呈现在投影仪上。教师可边操作显微镜，边根据图像讲解实验内容，使学生在认识图像内容的同时学习仪器的操作，包括图形工作站的操作和图像资料的后处理。

2.学生端的组成和主要功能

学生端主要为显微成像系统，由倒置显微镜和600万像素的CCD组成。学生在观摩、学习教师的操作后，在超净工作台上处理实验样品，放在学生端显微镜上观察成像，通过CCD将图像传输至学生端主机，进而在图形工作站上处理图像，并将最后结果传输至教师端主机。

3.学生端和教师端的交互作用

本系统通过网络交换设备将学生端和教师端联系在一起，教师可以将操作视频和标准化图像传输至学生端主机，供学生学习；学生可以将实验结果传输给教师，与教师讨论实验现象。教师可根据图像质量选择性地将结果投影至大屏幕，有针对性地讲解，也可单独对作业学生进行讲解。对于学生做得较好的结果，教师可以将图像发送至所有学生端主机，供其他学生学习。

三、多媒体互动教学系统的优势

1.现场直播，示教效果好

由于細胞生物学实验大部分操作必须在洁净空间下进行，且精细化操作较多，而用于该操作的超净工作台通常空间较小，即使现在常用的玻璃背板超净工作台也只有前后两部分约2～3米的空间可供学生观摩学习。由于观看空间较小，后排学生无法看见超净工作台内部。传统教学方法为达到一定的教学效果，通常选用以下两种方式解决：一是将演示教学操作放到非洁净空间进行；二是按小组进行教学，通常这两种方式需同时使用，即大班演示教学结束后，必须向小组强调洁净空间下的规范操作以及注意事项，该教学模式无法完整还原整个实验的规范化操作流程，不仅教师工作量被放大，而且教学效果不佳。多媒体互动教学系统采用的以实时录像系统为依托的现场直播式示教模式能清晰展示精细化实验操作，跳出了小班教学的局限性，且教师可边操作边细化讲解，示教效果好，尤其适用于实验对象小、操作空间小的实验，如原代细胞分离培养、细胞传代培养、96孔板操作等。

2.互动教学，提高教学效率和考核精度

通过多媒体互动教学，我们形成了新的实验教学体系和考核体系。在实验过程中，由于教师和学生一直处于互动状态，即学生可根据教师发送到学生端的示教视频开展实验项目，遇到难点可随时向教师求教；教师可根据学生提交到教师端的实验结果，随时进行筛选区别，对部分实验现象可针对性地引导学生分析该现象产生的原因，并将此作为学生实验考核成绩的一部分。相比传统课程结束后的实验报告，该模式对个别实验现象的分析更具针对性，更利于学生思维能力的培养。在考核机制的约束下，学生参与实验的态度更加认真，教师可规定实验结果提交时限，这样实验过程中开小差、拖沓等问题可得到有效的控制，教学效率可得到有效提高。

3.全程管理，提高学生参与度

互动教学的过程也是全程管理的过程，即从上课伊始，教师就利用课程相关PPT对实验原理等背景知识做全面介绍，引领学生进入实验内容。操作示教进行全程录像讲解，包括显微镜的操作和图像的采集。教师可随时根据学生提交的图像数据，推断实验过程的问题，并及时与学生沟通。教学过程中学生必须保持注意力高度集中，才能适应课堂的整体节奏，且每一步过程中教师都会根据学生的反应现场提问或解说，将各组的实验结果展示在投影仪上或发送到所有学生端主机进行实时答疑，通过紧凑精准的管理，使学生在上课过程中进入紧张学习的状态，这样学生对实验的参与度自然得到提高。

四、结论

综上所述，我院在细胞生物学实验课程教学过程中不断改革教学方法和教学模式。多媒体互动教学系统作为我院新引进的教学模式，在提高教师的教学效率和学生的学习积极性上发挥了重要作用，一方面极大地促进了学生对细胞生物学理论知识的理解和掌握，另一方面对学生的研究与创新能力也至关重要。该教学模式培养了学生的独立思考意识，打破了传统教学的单一模式，增强了师生之间对于知识点的交流沟通，更生动地展现了实验效果，吸引学生对细胞生物学实验的注意力。该模式可推广应用至其他实验教学课程，从而提高教学质量，让学生在每一次实验中，都能够带着问题走进实验室，按照严格的实验设计完成实验过程，并用科学的方法分析实验结果，最终找出问题的答案，亲身体验科学实验的全过程。

当今社会科学快速发展，教师要通过科学调整实验内容，改革实验方法和实验手段，借助辅助教学手段等方式，探索对学生创新精神的培养，提高学生的自主参与性。另外，教师在实验教学中要不断总结经验，提高自身专业知识和个人素质，培养更多的高水平、高素质人才。

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