数码显微互动系统用于细胞生物学实验教学

杜 坤，张 彪，韦存虚

(扬州大学 生物科学与技术学院，江苏 扬州 225009)

数码显微互动系统用于细胞生物学实验教学

杜 坤，张 彪，韦存虚

(扬州大学 生物科学与技术学院，江苏 扬州 225009)

细胞生物学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，数码显微互动系统已逐渐被应用至细胞生物学的实验教学中，并已日益体现出其优势。扬州大学生物科学与技术学院通过几年来的实践，形成了一套运用在数码显微互动系统中的细胞生物学实验教学方法，取得了良好的实验教学效果。该系统的应用还将大力推动整个细胞生物学实验教学体系的革新，为培养实践型、创新型的实践人才提供坚实的平台。

细胞生物学；数码显微互动系统；实验教学；应用

生命科学的一切发现、发明、创造和发展, 都与工具和实验技术的改进、创新有着密切关系[1]。作为现代生命科学四大基础学科之一的细胞生物学，是一门实践性很强的学科，同时也是以显微镜作为其主要的实验研究仪器[2]。随着信息技术、计算机技术与传统显微镜制造工艺的整合，以及网络技术和现代教育技术在高等教育中的广泛应用，数码显微互动系统已经成为细胞生物学实验教学的一种现代化辅助教学手段[3-4]。扬州大学生物科学与技术学院2011-2012年建立了由江苏捷达软件工程有限公司集成的显微(含生物和体视)数码互动实验室，并将其逐步应用于细胞生物学、植物生物学、微生物生物学等实验课程教学之中。经过几年的实践证明，在使传统显微镜实验室功能得到提升(从单台镜下观察生物形态结构发展到目前能够多台联网观察、交流、讨论、数码成像等)的同时，还实现了显微镜实验室建设的集约化、使用的共享化，更为重要的是为研究性实践教学学习提供了一个先进、有用的实验教学平台。

1 显微数码互动实验室架构

显微数码互动实验室的基本架构如图1所示。将生物(或体视)显微镜、数字成像芯片(CCD)、计算机(图形工作站)、交换机等仪器设备通过网络连接并应用相关软件系统(如计算机网络系统软件、显微—数码互动系统控制软件、视频采集软件和专业图形分析、统计软件等)将它们组合成一个数字化的实验室。

教师端用设备可实现的主要功能：(1)可将教师端显微镜(或学生端联网的显微镜)下观察的内容转换并制作成图像、视屏等“数字化”教学资源；(2)应用相关软件对采集到的相关“数字化”教学资源进行分析、比对和统计；(3)实现在线授课、在线监控并观摩学生端显微镜下观察及计算机屏幕显示的内容，师生在线问答、交流与讨论；(4)可将某台(或多台)显微镜下观察内容实时传送到实验室中的每台计算机(或投影仪)屏幕上，供教师讲解与点评(或由学生进行比对、交流与讨论)；(5)下发实验作业、试卷、电子教案等数字化实验教学资源；(6)显示提问或需教师指导的学生座位。

图1 显微数码互动实验室基本架构

学生端用设备可实现的主要功能：(1)可将自个显微镜下观察的内容采集并制作成图像、视屏等“数字化”教学资源；(2)利用相关软件对采集到的“数字化”教学资源进行分析、统计；(3)接收、观摩、存储由教师端下发的其他同学制作(或老师自制)正在观察的显微镜下结构，并与自己观察的相关实验内容进行比对分析；(4)在线向教师“举手”提出问题，并与其进行交流、讨论；(5)在线提交实验报告、试卷和课程论文；(6)可观看教师端计算机上的内容以及教师端显微镜下的图像；(7)学生与学生之间可对实验方法、过程、结果等进行讨论。

同时，依托校园网络还可将网络实验教学平台及其丰富的数字化实验教学资源与本实验室连接，使学生可以在互动实验室内开展与实验相关的网上学习和网上考核。

2 显微数码互动系统在细胞生物学实验教学中的应用

在细胞生物学实验教学过程中应用显微数码互动系统作为教学辅助手段，不仅可实现教师与学生、学生与学生之间开展点对点、一对多的指导、交流与讨论，还可为我们将传统的以学生观摩、模仿的教学方式转变为以学生观摩和自主探究并重的教学方法创造了必要的基本条件。现将该系统在实验教学中的应用情况小结如下。

2.1 实施比对式教学

在“细胞化学技术和显微制片技术”中，学生使用不同材料、不同染色方法进行生物制片，然后放在显微镜下分别进行观察，而传统的实验教学中，学生无法对这些切片进行比较分析。现在利用数码显微互动系统，可将这些切片并列显示在大尺寸幕布或者学生端计算机的显示器上，这样就可让学生进行比对，讲述各类型制片的异同之处，从而加深对各种制片技术在细胞生物学中应用的理解，使学生从书本上学习到的知识真正应用到实践中去。

2.2 实施学生参与式教学

在“细胞有丝分裂”实验中，教师通过数码显微互动系统监控所有学生制作的不同时期的细胞有丝分裂制片。此时，教师可随意将某名学生制作的制片图像显示在大尺寸幕布上，然后请学生说出制片中的某些细胞分别处于细胞分裂的哪一个时期，并指出此时期的特征。由教师和学生给出评价或得分，以后可作为实验考核总成绩的一部分。

2.3 开展自主性学习

以往的细胞生物学实验教学都是由教师事先准备好所有的材料和工具，然后将实验原理、实验方法等讲授给学生，最后学生按照教师所讲授的内容开展实验。这样，学生只有在做完实验后才能对本实验有一定的认识和理解，且一直处于一种被动接受的模式。现在我们利用数码显微互动系统，将一些实验过程制作成虚拟实验，以Flash动画的形式展现出来，供学生在课前进行学习。

在“细胞的凝集反应”实验中，学生可将细胞发生凝集反应发生的整个过程制作成虚拟仿真实验，并保存下来。学生开展实验之前可先利用网络学习，使其对整个实验有一个直观的、感性的认识，在实验课上，教师就可以简略地介绍实验内容，把更多的时间留给学生做实验以及答疑、讨论等。这样一来，学生在实验学习中就能发挥主观能动性，让学生真正成为实验教学的主体[5]。

2.4 改革实验考核方法

传统的细胞生物学实验考核主要包括实验报告和笔试考核。其中实验报告都是学生用笔将细胞微观结构(如细胞骨架结构图)画在纸上，再上交给教师，实验报告的准确性和保存都存在一定的困难；笔试考核也是由教师将显微镜下的结构图印刷在试卷上。而使用数码显微互动系统以后，新的实验考核包含实验报告、实验中的讲评、虚拟实验考核、网上考核等几部分。其中，实验报告成绩采用教师直接对学生提交的电子版实验报告进行评分的方法；实验中的讲评得分是指学生利用数码显微互动系统在实验过程中对某一实验现象、实验过程或实验结果的分析、总结，然后由教师和学生给出的得分；虚拟实验是将部分实验的实验流程或仪器设备的使用步骤制作成虚拟文件，再在其中加入对某些关键知识点的考核，学生可利用网络进行考核，系统自动给出得分；网上考核是将以往笔试的内容全部以数字化的形式制作成试卷，并放在互动实验室的局域网内，让学生在同一个时间进行考核。

3 改革实践小结

我们经过三年的实践，现将数码显微互动系统在细胞生物学实验教学中的应用情况小结如下：(1)将在细胞生物学实验中所使用的相关仪器设备，如显微镜、切片机等的原理和使用方法制作成虚拟实验，供学生通过互动系统在计算机上进行模拟学习。使学生在进入实验室之前对这些仪器的使用就有一个感性的认识，实验课上教师就可以对这部分内容进行简要的讲解，从而节约了宝贵的实验时间；(2)使用数码显微互动系统让学生比对各种细胞化学技术以及显微制片方法，总结各种那个细胞化学技术和制片方法的特点；(3)使用该系统观察细胞发生凝集反应的全过程，并制作成视频或虚拟实验保存下来，供学生学习；(4)将不同类型、不同浓度的溶液对细胞膜渗透性影响的现象制作成虚拟实验，供学生在计算机上模拟学习；(5)将细胞分裂不同时期的制片通过在互动系统中进行比对，使学生掌握有丝分裂、减数分裂各时期的细胞学特征；(6)运用互动系统对不同的细胞超活染色方法进行观察比对，掌握不同细胞器的超活染色方法；(7)将学生分组，每一组开展不同动、植物材料制成染色体标本的实验，直接运用互动系统将不同组的染色体制片进行染色体配对、染色体长度等分析统计，是学生掌握不同动、植物材料染色体标本制备的方法及染色体特点。

4 教学效果

(1)数码显微互动系统的应用能够使学生更加直观的观察和记录细胞的生命活动现象，通过对实验方法和实验结果的比对，能加深学生对书本知识的理解，并应用到实践中去。此外，还发展了学生观察理解能力、综合分析问题和解决问题的能力，增强了创新意识的培养。

(2)通过数码显微互动教学让学生逐渐参与到实验教学中，改变过去那种学生一直处于被动学习的状况，使学生真正成为实验教学的主体。

(3)通过数码显微互动教学，由于教学效率提高了，就可以使原先要分多次课开设的一些验证性实验项目压缩在一次或几次实验课中完成，空出宝贵的学时可用于综合性、设计性和研究性实验的开展。

(4)通过数码显微互动教学，我们形成了新的实验考核体系，比如在实验过程中，由于教师和学生之间一直处于互动的状态(即教师可在教师端观察所有学生实验开展的情况)，所以教师可随时针对某一名学生的实验现象或结果，让学生分析该现象产生的原因，并将此作为该学生的实验考核成绩的一部分。这样一来，重视实验，认真参与实验的学生也就相对地变多了。使学生从只注重实验结果逐步转变为既注重实验结果又注重实验过程，从而也相应地提高了实验教学质量。

(5)数码显微互动教学，推动了细胞生物学实验教学的全面改革，包括与之配套的教学模式、考核体系、课程体系以及实验教材体系的改革，为培养实践型、创新型的生物学人才提供了坚实的平台。

5 结束语

综上所述，我院构建数码显微互动实验室以来，充分整合数字化实验教学资源，不断改进实验教学方法和实验教学手段，并将其应用于细胞生物学实验教学中。经过几年的实践，不仅使细胞生物学实验的教学效果得到有效提升，还为开展研究性实践教学提供了一个先进的平台。

[1] 张惠英. 21世纪生命科学呼唤现代实验技术[J]. 实验室研究与探索, 2007, 26(11):13-16.

[2] 王筱冰, 王攀. 显微数码互动系统在细胞生物学实验教学中的应用[J]. 实验室科学, 2011,14(6):65-66.

[3] 林和, 陈寅山, 王娟. 数码显微互动教学促进新一轮生物学实验的创新[J]. 实验技术与管理, 2007, 24(11): 134-136.

[4] 苏红星, 尚宏伟, 张立新, 等. 数码网络显微互动教学系统在形态学实验教学中的应用与展望[J]. 基础医学与临床, 2008, 28(6):651-653.

[5] 张彪, 高红明, 淮虎银,等. 植物形态解剖学的开放式实验教学模式[J]. 实验技术与管理, 2005, 22(6):88-92.

Development Cytobiology Experimental Teaching by UsingDigital Microscope Reciprocal System

DU Kun, ZHANG Biao, WEI Cunxu

(College of Bioscience and Biotechnology, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China)

Cytobiology is a subject with strong practicality. With the development of information technology and modern educational technology, digital microscope reciprocal system has gradually been applied to the experimental teaching of cytobiology, and embodied its advantages. With several years practice, we formed a set of methods of cytobiology experimental teaching by using the digital microscope reciprocal system, and achieved remarkable effects. Deeply application of this system will also vigorously promote the reform of cytobiology experiment teaching, and will provide a solid platform for developing the applied and creative ability of students.

cytobiology; digital microscope reciprocal system; experimental teaching；application

2014-02-11；修改日期: 2014-04-02

杜 坤(1980- )，男，硕士，实验师，主要从事细胞生物学实验教学和实验室管理工作。

G642.423；Q2-33

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.02.042