杜 坤，張 彪，韋存虛

(揚(yáng)州大學(xué) 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

數(shù)碼顯微互動(dòng)系統(tǒng)用于細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

杜 坤，張 彪，韋存虛

(揚(yáng)州大學(xué) 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

細(xì)胞生物學(xué)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，隨著信息技術(shù)和現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，數(shù)碼顯微互動(dòng)系統(tǒng)已逐漸被應(yīng)用至細(xì)胞生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，并已日益體現(xiàn)出其優(yōu)勢(shì)。揚(yáng)州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院通過幾年來(lái)的實(shí)踐，形成了一套運(yùn)用在數(shù)碼顯微互動(dòng)系統(tǒng)中的細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，取得了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。該系統(tǒng)的應(yīng)用還將大力推動(dòng)整個(gè)細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的革新，為培養(yǎng)實(shí)踐型、創(chuàng)新型的實(shí)踐人才提供堅(jiān)實(shí)的平臺(tái)。

細(xì)胞生物學(xué)；數(shù)碼顯微互動(dòng)系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；應(yīng)用

生命科學(xué)的一切發(fā)現(xiàn)、發(fā)明、創(chuàng)造和發(fā)展, 都與工具和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的改進(jìn)、創(chuàng)新有著密切關(guān)系[1]。作為現(xiàn)代生命科學(xué)四大基礎(chǔ)學(xué)科之一的細(xì)胞生物學(xué)，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，同時(shí)也是以顯微鏡作為其主要的實(shí)驗(yàn)研究?jī)x器[2]。隨著信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)顯微鏡制造工藝的整合，以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)代教育技術(shù)在高等教育中的廣泛應(yīng)用，數(shù)碼顯微互動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)成為細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種現(xiàn)代化輔助教學(xué)手段[3-4]。揚(yáng)州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2011-2012年建立了由江蘇捷達(dá)軟件工程有限公司集成的顯微(含生物和體視)數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室，并將其逐步應(yīng)用于細(xì)胞生物學(xué)、植物生物學(xué)、微生物生物學(xué)等實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)之中。經(jīng)過幾年的實(shí)踐證明，在使傳統(tǒng)顯微鏡實(shí)驗(yàn)室功能得到提升(從單臺(tái)鏡下觀察生物形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)展到目前能夠多臺(tái)聯(lián)網(wǎng)觀察、交流、討論、數(shù)碼成像等)的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了顯微鏡實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的集約化、使用的共享化，更為重要的是為研究性實(shí)踐教學(xué)學(xué)習(xí)提供了一個(gè)先進(jìn)、有用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

1 顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)

顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的基本架構(gòu)如圖1所示。將生物(或體視)顯微鏡、數(shù)字成像芯片(CCD)、計(jì)算機(jī)(圖形工作站)、交換機(jī)等儀器設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接并應(yīng)用相關(guān)軟件系統(tǒng)(如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件、顯微—數(shù)碼互動(dòng)系統(tǒng)控制軟件、視頻采集軟件和專業(yè)圖形分析、統(tǒng)計(jì)軟件等)將它們組合成一個(gè)數(shù)字化的實(shí)驗(yàn)室。

教師端用設(shè)備可實(shí)現(xiàn)的主要功能：(1)可將教師端顯微鏡(或?qū)W生端聯(lián)網(wǎng)的顯微鏡)下觀察的內(nèi)容轉(zhuǎn)換并制作成圖像、視屏等“數(shù)字化”教學(xué)資源；(2)應(yīng)用相關(guān)軟件對(duì)采集到的相關(guān)“數(shù)字化”教學(xué)資源進(jìn)行分析、比對(duì)和統(tǒng)計(jì)；(3)實(shí)現(xiàn)在線授課、在線監(jiān)控并觀摩學(xué)生端顯微鏡下觀察及計(jì)算機(jī)屏幕顯示的內(nèi)容，師生在線問答、交流與討論；(4)可將某臺(tái)(或多臺(tái))顯微鏡下觀察內(nèi)容實(shí)時(shí)傳送到實(shí)驗(yàn)室中的每臺(tái)計(jì)算機(jī)(或投影儀)屏幕上，供教師講解與點(diǎn)評(píng)(或由學(xué)生進(jìn)行比對(duì)、交流與討論)；(5)下發(fā)實(shí)驗(yàn)作業(yè)、試卷、電子教案等數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源；(6)顯示提問或需教師指導(dǎo)的學(xué)生座位。

圖1 顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室基本架構(gòu)

學(xué)生端用設(shè)備可實(shí)現(xiàn)的主要功能：(1)可將自個(gè)顯微鏡下觀察的內(nèi)容采集并制作成圖像、視屏等“數(shù)字化”教學(xué)資源；(2)利用相關(guān)軟件對(duì)采集到的“數(shù)字化”教學(xué)資源進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)；(3)接收、觀摩、存儲(chǔ)由教師端下發(fā)的其他同學(xué)制作(或老師自制)正在觀察的顯微鏡下結(jié)構(gòu)，并與自己觀察的相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行比對(duì)分析；(4)在線向教師“舉手”提出問題，并與其進(jìn)行交流、討論；(5)在線提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告、試卷和課程論文；(6)可觀看教師端計(jì)算機(jī)上的內(nèi)容以及教師端顯微鏡下的圖像；(7)學(xué)生與學(xué)生之間可對(duì)實(shí)驗(yàn)方法、過程、結(jié)果等進(jìn)行討論。

同時(shí)，依托校園網(wǎng)絡(luò)還可將網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)及其豐富的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源與本實(shí)驗(yàn)室連接，使學(xué)生可以在互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的網(wǎng)上學(xué)習(xí)和網(wǎng)上考核。

2 顯微數(shù)碼互動(dòng)系統(tǒng)在細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

在細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中應(yīng)用顯微數(shù)碼互動(dòng)系統(tǒng)作為教學(xué)輔助手段，不僅可實(shí)現(xiàn)教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間開展點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一對(duì)多的指導(dǎo)、交流與討論，還可為我們將傳統(tǒng)的以學(xué)生觀摩、模仿的教學(xué)方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生觀摩和自主探究并重的教學(xué)方法創(chuàng)造了必要的基本條件?，F(xiàn)將該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用情況小結(jié)如下。

2.1 實(shí)施比對(duì)式教學(xué)

在“細(xì)胞化學(xué)技術(shù)和顯微制片技術(shù)”中，學(xué)生使用不同材料、不同染色方法進(jìn)行生物制片，然后放在顯微鏡下分別進(jìn)行觀察，而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生無(wú)法對(duì)這些切片進(jìn)行比較分析?，F(xiàn)在利用數(shù)碼顯微互動(dòng)系統(tǒng)，可將這些切片并列顯示在大尺寸幕布或者學(xué)生端計(jì)算機(jī)的顯示器上，這樣就可讓學(xué)生進(jìn)行比對(duì)，講述各類型制片的異同之處，從而加深對(duì)各種制片技術(shù)在細(xì)胞生物學(xué)中應(yīng)用的理解，使學(xué)生從書本上學(xué)習(xí)到的知識(shí)真正應(yīng)用到實(shí)踐中去。

2.2 實(shí)施學(xué)生參與式教學(xué)

在“細(xì)胞有絲分裂”實(shí)驗(yàn)中，教師通過數(shù)碼顯微互動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)控所有學(xué)生制作的不同時(shí)期的細(xì)胞有絲分裂制片。此時(shí)，教師可隨意將某名學(xué)生制作的制片圖像顯示在大尺寸幕布上，然后請(qǐng)學(xué)生說(shuō)出制片中的某些細(xì)胞分別處于細(xì)胞分裂的哪一個(gè)時(shí)期，并指出此時(shí)期的特征。由教師和學(xué)生給出評(píng)價(jià)或得分，以后可作為實(shí)驗(yàn)考核總成績(jī)的一部分。

2.3 開展自主性學(xué)習(xí)

以往的細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)都是由教師事先準(zhǔn)備好所有的材料和工具，然后將實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法等講授給學(xué)生，最后學(xué)生按照教師所講授的內(nèi)容開展實(shí)驗(yàn)。這樣，學(xué)生只有在做完實(shí)驗(yàn)后才能對(duì)本實(shí)驗(yàn)有一定的認(rèn)識(shí)和理解，且一直處于一種被動(dòng)接受的模式。現(xiàn)在我們利用數(shù)碼顯微互動(dòng)系統(tǒng)，將一些實(shí)驗(yàn)過程制作成虛擬實(shí)驗(yàn)，以Flash動(dòng)畫的形式展現(xiàn)出來(lái)，供學(xué)生在課前進(jìn)行學(xué)習(xí)。

在“細(xì)胞的凝集反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可將細(xì)胞發(fā)生凝集反應(yīng)發(fā)生的整個(gè)過程制作成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，并保存下來(lái)。學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)之前可先利用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，使其對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)有一個(gè)直觀的、感性的認(rèn)識(shí)，在實(shí)驗(yàn)課上，教師就可以簡(jiǎn)略地介紹實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，把更多的時(shí)間留給學(xué)生做實(shí)驗(yàn)以及答疑、討論等。這樣一來(lái)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中就能發(fā)揮主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生真正成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主體[5]。

2.4 改革實(shí)驗(yàn)考核方法

傳統(tǒng)的細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)考核主要包括實(shí)驗(yàn)報(bào)告和筆試考核。其中實(shí)驗(yàn)報(bào)告都是學(xué)生用筆將細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)(如細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)圖)畫在紙上，再上交給教師，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的準(zhǔn)確性和保存都存在一定的困難；筆試考核也是由教師將顯微鏡下的結(jié)構(gòu)圖印刷在試卷上。而使用數(shù)碼顯微互動(dòng)系統(tǒng)以后，新的實(shí)驗(yàn)考核包含實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)中的講評(píng)、虛擬實(shí)驗(yàn)考核、網(wǎng)上考核等幾部分。其中，實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)采用教師直接對(duì)學(xué)生提交的電子版實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行評(píng)分的方法；實(shí)驗(yàn)中的講評(píng)得分是指學(xué)生利用數(shù)碼顯微互動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)某一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)過程或?qū)嶒?yàn)結(jié)果的分析、總結(jié)，然后由教師和學(xué)生給出的得分；虛擬實(shí)驗(yàn)是將部分實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)流程或儀器設(shè)備的使用步驟制作成虛擬文件，再在其中加入對(duì)某些關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的考核，學(xué)生可利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行考核，系統(tǒng)自動(dòng)給出得分；網(wǎng)上考核是將以往筆試的內(nèi)容全部以數(shù)字化的形式制作成試卷，并放在互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的局域網(wǎng)內(nèi)，讓學(xué)生在同一個(gè)時(shí)間進(jìn)行考核。

3 改革實(shí)踐小結(jié)

我們經(jīng)過三年的實(shí)踐，現(xiàn)將數(shù)碼顯微互動(dòng)系統(tǒng)在細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用情況小結(jié)如下：(1)將在細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中所使用的相關(guān)儀器設(shè)備，如顯微鏡、切片機(jī)等的原理和使用方法制作成虛擬實(shí)驗(yàn)，供學(xué)生通過互動(dòng)系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬學(xué)習(xí)。使學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前對(duì)這些儀器的使用就有一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)，實(shí)驗(yàn)課上教師就可以對(duì)這部分內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)要的講解，從而節(jié)約了寶貴的實(shí)驗(yàn)時(shí)間；(2)使用數(shù)碼顯微互動(dòng)系統(tǒng)讓學(xué)生比對(duì)各種細(xì)胞化學(xué)技術(shù)以及顯微制片方法，總結(jié)各種那個(gè)細(xì)胞化學(xué)技術(shù)和制片方法的特點(diǎn)；(3)使用該系統(tǒng)觀察細(xì)胞發(fā)生凝集反應(yīng)的全過程，并制作成視頻或虛擬實(shí)驗(yàn)保存下來(lái)，供學(xué)生學(xué)習(xí)；(4)將不同類型、不同濃度的溶液對(duì)細(xì)胞膜滲透性影響的現(xiàn)象制作成虛擬實(shí)驗(yàn)，供學(xué)生在計(jì)算機(jī)上模擬學(xué)習(xí)；(5)將細(xì)胞分裂不同時(shí)期的制片通過在互動(dòng)系統(tǒng)中進(jìn)行比對(duì)，使學(xué)生掌握有絲分裂、減數(shù)分裂各時(shí)期的細(xì)胞學(xué)特征；(6)運(yùn)用互動(dòng)系統(tǒng)對(duì)不同的細(xì)胞超活染色方法進(jìn)行觀察比對(duì)，掌握不同細(xì)胞器的超活染色方法；(7)將學(xué)生分組，每一組開展不同動(dòng)、植物材料制成染色體標(biāo)本的實(shí)驗(yàn)，直接運(yùn)用互動(dòng)系統(tǒng)將不同組的染色體制片進(jìn)行染色體配對(duì)、染色體長(zhǎng)度等分析統(tǒng)計(jì)，是學(xué)生掌握不同動(dòng)、植物材料染色體標(biāo)本制備的方法及染色體特點(diǎn)。

4 教學(xué)效果

(1)數(shù)碼顯微互動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用能夠使學(xué)生更加直觀的觀察和記錄細(xì)胞的生命活動(dòng)現(xiàn)象，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比對(duì)，能加深學(xué)生對(duì)書本知識(shí)的理解，并應(yīng)用到實(shí)踐中去。此外，還發(fā)展了學(xué)生觀察理解能力、綜合分析問題和解決問題的能力，增強(qiáng)了創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。

(2)通過數(shù)碼顯微互動(dòng)教學(xué)讓學(xué)生逐漸參與到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，改變過去那種學(xué)生一直處于被動(dòng)學(xué)習(xí)的狀況，使學(xué)生真正成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主體。

(3)通過數(shù)碼顯微互動(dòng)教學(xué)，由于教學(xué)效率提高了，就可以使原先要分多次課開設(shè)的一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目壓縮在一次或幾次實(shí)驗(yàn)課中完成，空出寶貴的學(xué)時(shí)可用于綜合性、設(shè)計(jì)性和研究性實(shí)驗(yàn)的開展。

(4)通過數(shù)碼顯微互動(dòng)教學(xué)，我們形成了新的實(shí)驗(yàn)考核體系，比如在實(shí)驗(yàn)過程中，由于教師和學(xué)生之間一直處于互動(dòng)的狀態(tài)(即教師可在教師端觀察所有學(xué)生實(shí)驗(yàn)開展的情況)，所以教師可隨時(shí)針對(duì)某一名學(xué)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或結(jié)果，讓學(xué)生分析該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，并將此作為該學(xué)生的實(shí)驗(yàn)考核成績(jī)的一部分。這樣一來(lái)，重視實(shí)驗(yàn)，認(rèn)真參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生也就相對(duì)地變多了。使學(xué)生從只注重實(shí)驗(yàn)結(jié)果逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榧茸⒅貙?shí)驗(yàn)結(jié)果又注重實(shí)驗(yàn)過程，從而也相應(yīng)地提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

(5)數(shù)碼顯微互動(dòng)教學(xué)，推動(dòng)了細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全面改革，包括與之配套的教學(xué)模式、考核體系、課程體系以及實(shí)驗(yàn)教材體系的改革，為培養(yǎng)實(shí)踐型、創(chuàng)新型的生物學(xué)人才提供了堅(jiān)實(shí)的平臺(tái)。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，我院構(gòu)建數(shù)碼顯微互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室以來(lái)，充分整合數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，并將其應(yīng)用于細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。經(jīng)過幾年的實(shí)踐，不僅使細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果得到有效提升，還為開展研究性實(shí)踐教學(xué)提供了一個(gè)先進(jìn)的平臺(tái)。

[1] 張惠英. 21世紀(jì)生命科學(xué)呼喚現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2007, 26(11):13-16.

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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，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室管理工作。

G642.423；Q2-33

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.02.042