張紅 占志彪 李光明 劉文軍

摘要：針對大型精密儀器在高校本科實驗教學中存在的問題，提出了信息化實驗教學的實施方案。在新冠疫情背景下，積極響應教育部的號召，貫徹落實“停課不停學”方針，探索并實踐了將線上教學支持平臺與虛擬仿真實驗平臺相結(jié)合的全方位信息化醫(yī)用物理學實驗課程教學模式，完成了教學進度并保證了教學質(zhì)量，達到了預期的教學效果。以醫(yī)用物理學實驗課程中的透射電鏡實驗為例，介紹了該信息化實驗課程教學的具體實施方案，為大型精密儀器在本科實驗教學中的應用提供參考。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;線上教學;透射電鏡;醫(yī)用物理學;實驗教學;新冠疫情

中圖分類號：G434? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：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

醫(yī)用物理學是醫(yī)學和物理學兩個學科交叉融合而產(chǎn)生的新學科，其以實驗為基礎，運用物理學的原理和方法輔助臨床診療。醫(yī)用物理學課程理論與實踐并重，實驗教學是其重要組成部分，旨在培養(yǎng)學生的科學思維方法、實驗操作技能和專業(yè)綜合能力，兼具專業(yè)性和應用性，是醫(yī)科大學生物學、醫(yī)學、藥學等相關(guān)本科專業(yè)的必修公共基礎課。醫(yī)用物理學是物理學在臨床醫(yī)學中應用成果的具體表現(xiàn)[1]，現(xiàn)代醫(yī)學的診療實踐越來越依賴先進分析儀器，因此，掌握先進分析儀器的使用方法是醫(yī)科大學學生的必備技能。

透射電子顯微鏡簡稱透射電鏡（Transmission Electron Microscope，TEM），是一種可以在極高的分辨率和放大倍數(shù)下觀察和研究物質(zhì)微細結(jié)構(gòu)的精密分析儀器，是在教學和科研中進行樣品形貌、物質(zhì)結(jié)構(gòu)及微區(qū)成分分析的有力工具，也是醫(yī)用物理學實驗課程教學中的重要內(nèi)容。透射電鏡在生物學、醫(yī)學、藥學等相關(guān)領域的科學研究中發(fā)揮著舉足輕重的作用[2]。在納米生物學領域，透射電鏡是探究納米級微觀世界不可或缺的技術(shù)手段;在臨床醫(yī)學領域，透射電鏡可以用于研究疾病的發(fā)生機制和致病機理，為臨床病理診斷和治療提供依據(jù);在病原微生物學領域，透射電鏡可以用來觀察細菌、病毒等的特殊結(jié)構(gòu)[3];在藥學領域中，透射電鏡可為藥品質(zhì)量的監(jiān)管提供可靠參考。

1? 透射電鏡本科實驗教學中存在的問題

透射電鏡屬于大型貴重儀器，其價格昂貴、數(shù)量有限、結(jié)構(gòu)精密，并且其樣品制備要求高、操作專業(yè)性強[4]，如果實驗過程中出現(xiàn)誤操作極易造成儀器損壞[5]。由于其維修成本高且維修周期長[6]，一旦出現(xiàn)故障將影響相關(guān)教學科研工作的正常進行[7]。鑒于透射電鏡的特殊性及復雜性，經(jīng)過專門的培訓并考核合格的人員才可以獨立上機操作。目前透射電鏡主要應用于科研項目[8]，較難調(diào)整出儀器的空閑時間來滿足常態(tài)化的本科實驗教學[9]。在本科階段的實驗教學中，學生人數(shù)眾多，且絕大多數(shù)學生都沒有經(jīng)過專門培訓，由于透射電鏡操作程序復雜煩瑣，在出現(xiàn)問題時，學生很難做出正確判斷并及時進行矯正[10]。為了保證儀器和師生的安全，即使一些高校開展了透射電鏡的本科實驗教學，通常也是以指導教師操作講解為主，學生觀摩學習為輔[11]。由于儀器少、學生多、課內(nèi)學時有限，缺乏實際操作體驗導致學生學習理論脫離實踐，教學效果不佳[12]。如何在盡量減輕透射電鏡的使用壓力、降低故障率的前提下，保證其為科研服務的質(zhì)量，并同時高效地承擔本科實驗教學任務，對儀器管理者和實驗教師來說是一個難題[13]。

2? 醫(yī)用物理學實驗課程信息化教學的實施方案

2.1? 實施背景

在高校中，大型精密儀器屬稀缺資源。近年來，隨著本科生越來越多地參與到科技創(chuàng)新和科研項目實踐中，其接觸大型儀器的需求也日益增多[14]。在這種背景下，尋找合適的教學方式，讓學生盡早接觸大型儀器，培養(yǎng)具備豐富理論知識和扎實實驗技能的專業(yè)技術(shù)人才是目前實驗教學改革的熱點研究課題[15]。

2020年2月，新冠肺炎疫情導致國內(nèi)各高校紛紛延期開學。在疫情防控期間高校如何開展教學工作成為亟待解決的問題。對此，教育部提出“停課不停教、停課不停學”方針，鼓勵各高校積極開展在線教學活動，保證教學進度和質(zhì)量。為貫徹教育部指導意見精神，實驗技術(shù)管理中心教研室根據(jù)現(xiàn)有條件，對醫(yī)用物理學實驗課程內(nèi)容進行重新梳理，制定出“線上教學+虛擬仿真”的實驗教學方案，實行全方位信息化的實驗教學模式。

線上教學運用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將大學課堂轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡空間，實現(xiàn)了教學活動的在線化;虛擬仿真通過信息技術(shù)模擬真實的實驗教學儀器和環(huán)境，在虛擬實驗平臺中實現(xiàn)了儀器設備的可視性和操控性。將這兩項技術(shù)相結(jié)合，引入醫(yī)用物理學實驗課程教學中，改變了傳統(tǒng)實驗課堂的教學方式，突破了傳統(tǒng)實驗教學在授課場地和學時方面的局限性，拓展了實驗課程的深度與廣度[16]，是醫(yī)用物理學實驗課程教學的一次重大革新[17]。

2.2? 實施對象

南方醫(yī)科大學醫(yī)用物理學理論與實驗課程開設在大一下學期，此次信息化實驗教學的授課對象為2019級本科生，包括臨床醫(yī)學、基礎醫(yī)學、預防醫(yī)學、口腔醫(yī)學、精神醫(yī)學、法醫(yī)學、兒科學、麻醉學、藥學、中藥學、醫(yī)學實驗技術(shù)、康復治療學、醫(yī)學影像學等15個本科專業(yè)，共計1683名學生，授課時間為2019—2020學年春季學期，實驗教學10學時。透射電鏡實驗是醫(yī)用物理學實驗課程中的一節(jié)重要內(nèi)容，教學時長為2學時。本文以透射電鏡實驗為例進行介紹。

2.3? 實施方案

2.3.1? 課前預習——線上教學支持平臺

醫(yī)用物理學實驗課程教學的課前預習環(huán)節(jié)通過線上學習完成。線上教學采用南方醫(yī)科大學愛課教學支持平臺。醫(yī)用物理學實驗課程依托該平臺搭建了線上教學環(huán)境，實現(xiàn)了課程教學資源的共享和協(xié)作，拓展了教與學的時間和空間，保證了學生充分的課前準備工作，減少了師生之間的直接接觸，為防止疫情向校園傳播、守衛(wèi)師生生命安全和身體健康提供了保障。

愛課教學支持平臺是醫(yī)用物理學實驗課程教學的線上入口，授課教師在平臺上為學生提供透射電鏡實驗教學PPT課件、虛擬仿真實驗平臺使用指南文檔、電子版實驗報告模板等課程資源，并闡明課程內(nèi)容、提出課程要求、設置課程作業(yè)。學生在實驗課正式開始之前的一周內(nèi)，登錄愛課教學支持平臺進行實驗預習，熟悉實驗原理、實驗儀器、實驗內(nèi)容、實驗步驟等。對于透射電鏡實驗，學生要了解其發(fā)明和發(fā)展過程及其應用領域，理解其成像原理與結(jié)構(gòu)，熟悉其基本操作流程與注意事項。學生需要在課前對實驗的內(nèi)容和要求做到心中有數(shù)，并且根據(jù)指南文檔提前熟悉虛擬仿真實驗軟件環(huán)境，為實驗的正式開展做充分的準備。

教師通過愛課教學支持平臺可以實時監(jiān)測每位學生的學習進度及課程活動的完成情況，包括瀏覽次數(shù)、訪問時長等信息，督促學生學習，保證預習效果。本教研室還建立了騰訊QQ群，實現(xiàn)師生實時對話，進行線上答疑，為學生課程學習提供暢通的反饋與交流渠道。

2.3.2? 課中實踐——虛擬仿真實驗平臺

通過虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建出的透射電鏡實驗教學平臺，可讓學生通過人機交互完成實驗過程[18]。學生正式上課時在虛擬仿真平臺上完成實驗，課程所采用的虛擬仿真實驗教學平臺是由安徽省科大奧銳科技有限公司開發(fā)的《大學物理仿真實驗V2.0》。該軟件首發(fā)于1996年，是國內(nèi)乃至國際上虛擬仿真實驗教學軟件的先驅(qū)。本教研室早在2005年便引入該軟件用于輔助大學物理及醫(yī)用物理學課程實驗教學。

在該平臺中，透射電鏡虛擬仿真實驗軟件采用窗口式的圖形化界面，如圖1所示。界面右上角的縮略圖包含了如圖2所示的監(jiān)視器窗口（a）、如圖3所示的操作面板窗口（b，c，d，e，f，g）、如圖4所示的樣品臺窗口（l）、熒光屏觀察窗口（k）等。

虛擬仿真實驗平臺可以幫助學生直觀的認識透射電鏡的結(jié)構(gòu)，包括電子光學系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和供電控制系統(tǒng)。除此之外，還可以幫助學生了解透射電鏡的主要部件，如電子槍、樣品臺、記錄裝置等。

上課時要求學生在虛擬仿真實驗軟件中完成透射電鏡的基本操作流程，包括：開機準備、加高壓、照明系統(tǒng)對中、更換樣品、樣品的觀察與記錄。學生通過虛擬仿真儀器的操作可以實現(xiàn)完整的儀器實驗基本操作流程。

除此之外，虛擬仿真實驗可以通過縮短儀器準備所需的等待時長來提高實驗效率，從而保障學生在有限的課時內(nèi)完成整個實驗流程，如開機準備步驟中的抽真空計時，實際儀器操作時需等待20分鐘，而在虛擬仿真實驗中僅模擬等待20秒鐘。

照明系統(tǒng)對中步驟是本實驗操作的重點和難點，要求學生有足夠的耐心，如果調(diào)節(jié)過程操作不當容易造成樣品超出視野范圍或失焦的狀態(tài)而影響結(jié)果的觀察，此時需要重復對中過程直至在熒光屏窗口內(nèi)觀察到清晰的樣品圖像，如圖5所示。這對學生做實驗的韌性是一種良好的考驗，可以讓學生體驗到實驗過程中細心與耐心的重要性，磨煉學生的意志。

由此可見，此虛擬仿真實驗系統(tǒng)在實驗操作流程的把控上做到了詳略得當、突出重點。

2.3.3? 課后總結(jié)——線上教學支持平臺與虛擬仿真實驗平臺結(jié)合

學生通過虛擬仿真實驗完成透射電鏡的基本操作流程，觀察并記錄下樣品圖像，課后需要回顧實驗過程，總結(jié)歸納實驗內(nèi)容，回答思考題，最終提交電子版的實驗報告。在課后，學生不僅可以隨時通過愛課教學支持平臺復習實驗內(nèi)容，而且可以通過虛擬仿真實驗平臺重復練習實驗操作，不斷加強對理論知識的理解和對實驗技能的掌握。

2.4? 實施效果

通過線上教學支持平臺課前預習、虛擬仿真實驗平臺課中實踐及課后總結(jié)和復習的全方位信息化實驗教學模式的學習，學生較好地認識了透射電鏡的結(jié)構(gòu)和特點，理解了透射電鏡的成像原理，并通過虛擬仿真實驗，掌握了儀器的基本操作流程。這種新模式下的實驗教學激發(fā)了學生濃厚的學習興趣，全面鍛煉了學生的實踐操作能力。遇到問題不輕言放棄，并通過不斷地探索和試驗來尋找問題的解決方法是實驗課程對學生的期許，從實驗報告中反映的情況來看，學生們的實驗過程或順利或曲折，最終絕大多數(shù)學生都按照要求完成了實驗，達到了預期的教學效果。

2.5? 課程思政建設

針對高校課程思政建設工作，教育部指出課程思政要潛移默化地融入課堂教學，在知識傳授和能力培養(yǎng)的過程中實現(xiàn)正確的價值觀引導。本教研室認真梳理了透射電鏡實驗教學內(nèi)容，深入挖掘了其中的課程思政元素，并將其有機地融入醫(yī)用物理學實驗課程信息化教學中，實現(xiàn)潤物無聲的育人效果。

在透射電鏡的發(fā)明和發(fā)展中，介紹了德國物理學家恩斯特·魯斯卡于1932年發(fā)明電子顯微鏡，并因此在1986年獲得諾貝爾物理學獎。經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，電子顯微鏡將人類觀察微觀世界的放大極限從光學顯微鏡的2000倍擴大到了100萬倍。透射電鏡的發(fā)明也使生物學、醫(yī)學研究向大分子及更細微結(jié)構(gòu)方向發(fā)展。英國科學家亞倫·克魯格因利用電子顯微鏡觀察到病毒等的結(jié)構(gòu)而獲得1982年的諾貝爾化學獎。由此可見，一項新技術(shù)的發(fā)明開發(fā)了科學研究的新方法，并為眾多科學領域帶來了重要的新發(fā)現(xiàn)，這體現(xiàn)了科學研究的延續(xù)性和擴展性，啟發(fā)學生不斷探索的科學精神。

在介紹透射電鏡的成像原理時，將透射電鏡和光學顯微鏡的光路系統(tǒng)進行對比，結(jié)果表明：雖然兩者在照明源、聚焦裝置、放大倍數(shù)、分辨本領和應用領域等方面存在著顯著差異，但兩者在成像原理方面卻是一致的，教導學生進行物理實驗時要學會透過現(xiàn)象看本質(zhì)。

在介紹透射電鏡的應用領域時，專門選取由透射電鏡拍攝的新冠病毒圖像為例，從圖像中可以看出，在透射電鏡下的新冠病毒呈橢圓形且表面有規(guī)則排列的形似皇冠的突起，這也是其名字的由來。研究人員表示，新冠病毒正是依靠這些突起來附著和入侵宿主細胞的，而這些突起也正是研究治療手段的突破口，讓宿主細胞迅速鎖定病毒表面棘突蛋白并產(chǎn)生免疫反應成為預防感染的重點研究課題。這一例證緊扣當下醫(yī)學和時事熱點問題，理論緊密聯(lián)系實際，強化學生記憶，激發(fā)學生科學探究的興趣。

3? 結(jié)? 論

在抵抗新冠肺炎這場沒有硝煙的戰(zhàn)“疫”中，為確?！巴Ｕn不停教、不停學”，全國各地高校廣泛開展線上教學，利用互聯(lián)網(wǎng)及虛擬仿真實驗平臺，指導學生實驗。雖然新冠疫情給線下教學按下了“暫停鍵”，但是卻給以虛擬仿真技術(shù)為基礎的信息化實驗教學的實施按下了“快進鍵”。

本教研室通過愛課教學支持平臺與虛擬仿真實驗平臺的結(jié)合，實施了全方位信息化的實驗教學模式，彌補了透射電鏡在本科實驗教學中儀器資源相對緊缺的不足，拓寬并加深了實驗教學的內(nèi)容，培養(yǎng)了學生的學習興趣。在實驗前，線上教學支持平臺幫助學生做好實驗的預習準備工作，讓學生在充分了解實驗內(nèi)容的基礎上做好實驗，提高實驗效率。在實驗過程中，虛擬仿真實驗平臺使學生學習的主體作用得到充分的發(fā)揮，學生由傳統(tǒng)實驗教學的被動接受知識向虛擬仿真實驗的主動探索知識轉(zhuǎn)變。在實驗后，兩個信息化平臺的協(xié)作還保障了課后復習環(huán)節(jié)的實施，滿足學生對實驗重復操作練習的需求，鞏固學生理論知識、強化學生實驗技能，加深學生對實驗的理解。全方位信息化的實驗教學模式培養(yǎng)了學生的自主學習能力，鍛煉了學生的實驗操作技能，提高了學生的綜合實踐能力，達到了預期的教學目標，明顯改善了實驗教學的效果，使實驗教學突破了課室和課時的局限、在空間和時間上得到延伸，提升了大面積實驗教學的質(zhì)量和水平，保障了新冠疫情下醫(yī)用物理實驗課程教學任務的順利完成，為今后實驗教學的改革發(fā)展提供了寶貴經(jīng)驗。

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作者簡介：張紅（1992—），女，漢族，河南新鄉(xiāng)人，助理實驗師，碩士，研究方向：生物醫(yī)學工程;通訊作者：劉文軍（1967—），男，漢族，湖南長沙人，副教授，博士，研究方向：生物醫(yī)學工程。