武汉虚拟仿真技术在生物学的应用

来源: 武汉触发科技有限公司 人气:125 发表时间:2024/06/05 17:30:38

       虚拟仿真实验教学是指将虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库与信息学、网络通信、实时仿真等技术相结合,构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象,实现实验室和环境的数字化与虚拟化,为实验课程提供全新的教学科研环境和虚拟场所。


       武汉虚拟仿真是原有实验教学的重要补充和拓展,能有效完善生物学实验教学体系和提升实践人才的培养,为线下实验教学打下坚实基础,是信息化时代高等教育发展的重要内容之一。


1 生物学虚拟仿真技术平台


  生物学武汉虚拟仿真技术平台主要包括安全教育模块、仪器设备模块、实验技术模块等。我们的虚拟仿真实验教学平台具有自己的特色和优势,既有基础训练如安全教育模块及仪器设备模块,又有能力提升模块如实验技术模块及科研创新模块,还有拓展训练模块如野外实习模块等,系统全面,循序渐进,层层深入。通过安全教育模块,学生主要了解实验室日常要求和规范、常用危险化学试剂的使用、废弃物分类及处置、实验室日常安全防护措施、个人安全防护及意外事故处理方法、生物安全管理、实验动物操作及安全等方面的内容。


       学生学完后可以进行线上测试以检测自身学习情况,提高生物安全意识,加强实验室管理和个人防护,降低实验过程中水、火、电、毒、腐等安全风险,确保实验教学的安全性。在仪器设备模块,学生可以反复虚拟操作练习实验室里大型仪器设备如高速冷冻离心机,常用设备如超净工作台、酸度计、天平、恒温摇床等,掌握这些仪器设备的原理、结构组成、操作方法、操作要点等,利用考核测试系统检测自己的学习效果。这样学生对常用仪器设备有了全面直观的认识和了解,增加了实验内容的趣味性,保证了实验教学的完整性和实效性。在实验技术模块,学生可以不受时空限制进行实验学习,学习掌握常用电泳技术、蛋白质分离纯化及核酸研究技术、无菌操作技术、固体平板制作、接种、平板划线等技术原理、步骤、主要要点及注意事项等。结合线下实际操作,学生熟练综合运用各项技术,降低了实验器材及试剂等的消耗,保证了实验教学的持续性。


2 虚拟仿真技术在实验教学中的应用


2.1 在生物化学与分子生物学综合实验课程教学中的应用


  实验课程是生物学专业学生理论联系实际、提高实践能力的必不可少的环节。武汉虚拟仿真技术广泛应用在生物学专业的多门实验课程中,采用混合式教学方式。首先,将建设好的生化分子虚拟仿真实验项目如分子筛层析、琼脂糖凝胶电泳、多克隆抗体制备及其效价检测等嵌入生物化学与分子生物学综合实验教学中,采用翻转课堂的形式开展线上线下混合式教学,将相应的学习任务和教学资源放在虚拟仿真实验教学平台和SPOC平台,以供学生自主学习。


       课前,学生登录平台认真观看录制好的虚拟仿真实验教学视频,在SPOC论坛和线上讨论群积极回答问题,参与课堂互动讨论。其次,学生进入虚拟仿真实验教学平台,通过虚拟操作的方式反复操作练习实验内容及实验步骤,掌握关键操作要点,完成实验过程。


       最后,在线下课堂教学中学生进行实体实验操作,课后学生可以再次进行虚拟仿真实验,复习实验内容。特别是对于分子筛层析这样耗时、精细、复杂的综合性实验,需要装柱、平衡、上样、洗杂、洗脱、再生、平衡等多个实验步骤,利用虚拟仿真技术让学生有了可视化的沉浸式的虚拟操作练习,对这些实验技术有了全面的理解和掌握,减少其在线下实体实验中总是反复重装层析柱等操作,提高了线下实验的课堂效率和实验成功率。虚拟操作配合微信群答疑互动,结合线下实际操作,虚实结合的新颖实验教学方式激发了学生的学习热情,提高了学习效率和教学质量。


2.2 在其他实验课程中的应用


  笔者将革兰氏染色技术和微生物接种技术等用于微生物实验课程,利用武汉虚拟仿真技术展示细菌细胞结构和细胞壁结构变化,并提供学生可反复练习的虚拟仿真实验操作流程。将果蝇唾腺染色体标本制作虚拟仿真实验项目应用在发育生物学实验课程中,徒手切片技术应用在植物生物学实验课程中,家兔心血管系统操作模型、家兔脑皮层定位、蛙心心电图测定等虚拟仿真实验项目应用在生理学实验课程中,细胞原代培养及传代培养虚拟仿真实验项目应用在细胞生物学实验课程中。将森林群落物质多样性测定、植物识别、植被的垂直分布、鸟类多样性调查等虚拟仿真实验项目用于普通生物学实验和野外实习。这些项目极大地增强了课程内容的多样性、趣味性和可视化,提高了学生的学习兴趣和学习主动性,拓宽了学生视野。


2.3 在生物实验仪器中的应用


  利用生物学实验相关仪器如已建设完成的3D高速冷冻离心机、3D高压灭菌锅、2D天平、酸度计、超净工作台、台式离心机、移液器等进行虚拟仿真,让学生了解其基本结构、操作原理、使用方法、注意事项,并用于多门实验课程,如生物化学实验、分子生物学实验、发育生物学实验、微生物学实验等。线上教学中,学生能够模拟练习仪器操作,通过生动形象的展示更深刻地理解和掌握仪器正确的使用方法与技巧、操作规程及其注意事项等,为线下实体实验操作节省了时间,提升了课堂效率,减少了因线下实验操作不当而引起对仪器的损耗。


3 虚拟仿真实验教学资源应用成效


  调查结果显示,学生对线上虚拟仿真实验教学资源整体比较满意,绝大部分学生认为虚拟视频制作质量高,虚拟操作难度合适,愿意在线上进行虚拟操作练习和实践。特别是虚拟操作可增强学生对大型精密仪器的实景模拟体验,能够加强其对仪器设备关键操作方法和步骤的理解。其中,83%的学生认为进行虚拟操作练习后对实验操作有帮助和提高,90%的学生认为虚拟操作有助于加深对实验关键技术的理解,84%的学生认为对提高线下实验成功率有帮助。因此,生物化学与分子生物学综合实验教学中嵌入武汉虚拟仿真技术实验对学生的学习效果和线下实验操作有积极的促进作用。学生普遍认为,虚拟仿真实验可以在线上反复操作练习,对于提高自学能力、实践动手能力、解决实际问题能力都有正向的促进作用,特别是虚实结合的混合式教学方式带来了不一样的体验和幸福感。但同时线上虚拟操作与实际操作毕竟不同,虚拟仿真实验教学平台仍有待改进与提高,如需进一步丰富实验内容,提升学生的沉浸感,扩大虚拟操作范围,提高拓展性。


4 结语


  借助虚拟仿真实验教学平台共享虚拟仿真实验项目、虚拟操作仪器设备,不受时间和地域的限制,使虚拟仿真与实际实验操作相互补充,促进虚拟仿真技术与生物学实验的深度融合,有利于探索虚实互补的新颖实验教学模式,提高学生学习的主动性和积极性。通过武汉虚拟仿真实验教学,丰富了实验教学内容和形式,解决了疫情防控期间无法开展实体实验的难题,拓展了实验领域,提高了实验教学水平,取得了良好的教学效果。随着信息技术的不断发展和线上教学的持续深入开展,虚拟仿真实验将在科研、教学等方面发挥更重要的作用。

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