PBL結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)助推研究型人才培養(yǎng)

鄭菲菲 李莉娟 陳孝煊 袁軍法 湯蓉

摘?要：為了解決本科實(shí)驗(yàn)室缺乏超速離心機(jī)和透射電鏡等大型設(shè)備的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了水生動(dòng)物病毒的分離純化及形態(tài)觀察虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用于水產(chǎn)微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益補(bǔ)充，拓展水產(chǎn)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度。教學(xué)方法上以學(xué)生為中心，問(wèn)題為抓手，教師為引導(dǎo)，采用PBL法輔助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，不僅讓學(xué)生掌握了研究病毒的重要方法，還激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、積極思考并獨(dú)立分析解決問(wèn)題和創(chuàng)新的能力，提升了學(xué)生的綜合科研素養(yǎng)，有助于水產(chǎn)專業(yè)研究型人才培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：PBL法;水生動(dòng)物病毒分離純化;虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué);研究型人才

中圖分類號(hào)：G642.41??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著科學(xué)家對(duì)病毒領(lǐng)域研究的不斷深入，病毒的分離純化在生命科學(xué)相關(guān)專業(yè)應(yīng)用非常廣泛，是一種非常重要和常用的技術(shù)[1]，由于本科實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有超速離心機(jī)、透射電鏡等這些昂貴的大型設(shè)備，無(wú)法開(kāi)展這類實(shí)驗(yàn)課，在很大程度上限制了本科生實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的拓展，不利于學(xué)生科研素質(zhì)的全面提升和研究型人才的培養(yǎng)。

隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)為解決這些問(wèn)題提供了新的思路[23]。近年來(lái)，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于很多領(lǐng)域并取得了豐碩的成果[45]。為了拓展水產(chǎn)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，提高學(xué)生的科研能力，本著“能實(shí)不虛、以虛補(bǔ)實(shí)、以虛促實(shí)”的原則，我們開(kāi)發(fā)了水生動(dòng)物病毒的分離純化及形態(tài)觀察虛擬仿真項(xiàng)目，為學(xué)生打開(kāi)了一扇通向病毒世界的大門(mén)。以問(wèn)題為基礎(chǔ)（problem?based?learning，PBL）的PBL教學(xué)法以學(xué)生為主體，教師為輔對(duì)學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)，在生物科學(xué)類課程應(yīng)用并取得良好的教學(xué)效果，可以鍛煉學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、積極思考并獨(dú)立分析解決問(wèn)題及創(chuàng)新的能力[67]。因此，我們采用了PBL教學(xué)法輔助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高科研綜合素養(yǎng)，促進(jìn)研究型人才培養(yǎng)。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)

多年來(lái)，由于受到大型儀器設(shè)備缺乏等客觀因素的影響，學(xué)生對(duì)病毒的了解只能停留在書(shū)本的理論知識(shí)和抽象的想象，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，另外也學(xué)不到目前病毒研究中最常用的技術(shù)方法。因此，我院根據(jù)水產(chǎn)微生物學(xué)教學(xué)大綱開(kāi)發(fā)水生動(dòng)物病毒的分離純化及形態(tài)觀察虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生可以身臨其境般進(jìn)行虛擬操作實(shí)踐。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是一個(gè)4模塊3模式的模塊化系統(tǒng)，教學(xué)模式中學(xué)生既可以根據(jù)講解和提示來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作，也可以只看視頻，視頻播放過(guò)程中可隨時(shí)暫停，將關(guān)鍵動(dòng)作重復(fù)播放，可加深對(duì)操作流程細(xì)節(jié)的記憶和理解以便熟悉和掌握整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程。

練習(xí)模式則是學(xué)生在完成教學(xué)模式學(xué)習(xí)后，為進(jìn)一步熟悉整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作流程進(jìn)行的自主訓(xùn)練，學(xué)生可以自主操作，挑選自己不熟練的步驟反復(fù)練習(xí)。

考試模式也是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中學(xué)生可以自主操作的部分。學(xué)生必須掌握了實(shí)驗(yàn)材料的準(zhǔn)備、試劑的配制、儀器設(shè)備的使用方法、實(shí)驗(yàn)步驟和注意事項(xiàng)等相關(guān)知識(shí)才能進(jìn)入該模式。這個(gè)模式中則沒(méi)有任何講解和提示，學(xué)生只有正確完成了當(dāng)前實(shí)驗(yàn)操作才可進(jìn)入下一步操作直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束，在操作過(guò)程中系統(tǒng)會(huì)對(duì)學(xué)生的操作進(jìn)行評(píng)分，考核學(xué)生對(duì)整體實(shí)驗(yàn)的掌握情況。

二、PBL法結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

教學(xué)過(guò)程中以學(xué)生為中心，以問(wèn)題為導(dǎo)向貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程與4模塊3模式融會(huì)貫通，教學(xué)模式思維導(dǎo)圖如圖1所示，在教學(xué)中將理論知識(shí)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作有機(jī)結(jié)合;遵循三講三不講和三布置三不布置原則;分為課前、課內(nèi)和課后三步驟，自主學(xué)習(xí)、小組討論、精講點(diǎn)撥和鞏固檢測(cè)四環(huán)節(jié)。

課前充分利用多媒體資源，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容所涉及的教學(xué)資源及課前思考題等電子資料上傳至中心平臺(tái)，學(xué)生可隨時(shí)隨地登陸平臺(tái)提前自主預(yù)習(xí)四模塊中的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)概況并思考老師提出的問(wèn)題;課中老師先多維度講解與病毒相關(guān)的人物故事和案例報(bào)道等，然后提出啟發(fā)式問(wèn)題導(dǎo)入，接著學(xué)生帶著疑問(wèn)在實(shí)驗(yàn)操作模塊中的教學(xué)模式進(jìn)行自主學(xué)習(xí)尋找答案并發(fā)現(xiàn)新的問(wèn)題，分小組討論問(wèn)題后進(jìn)行匯報(bào)，老師針對(duì)重難點(diǎn)及易混易錯(cuò)點(diǎn)進(jìn)行講解和點(diǎn)撥，學(xué)生再帶著答案重新在實(shí)驗(yàn)操作模塊中的練習(xí)模式進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作加以鞏固，隨后在實(shí)驗(yàn)操作模塊中的考試模式檢測(cè)對(duì)實(shí)驗(yàn)的掌握程度;課后布置探究性、拓展性和啟發(fā)思維的思考題，達(dá)到使理論知識(shí)在實(shí)驗(yàn)操作中鞏固，實(shí)驗(yàn)技能在理論指導(dǎo)中強(qiáng)化提升的目的。

三、PBL法結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目2019年建成，應(yīng)用2年均獲得師生的認(rèn)可和廣泛好評(píng)。建成后，在水產(chǎn)養(yǎng)殖和水族科學(xué)與技術(shù)兩個(gè)專業(yè)7個(gè)大三班級(jí)上課中應(yīng)用，上課結(jié)束后發(fā)放問(wèn)卷調(diào)查學(xué)生的使用情況，收到有效調(diào)查問(wèn)卷207份。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)在上此次課之前有98.07%的同學(xué)都體驗(yàn)過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，因此本次調(diào)查問(wèn)卷極具參考價(jià)值。有92.75%的同學(xué)認(rèn)為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有諸多優(yōu)勢(shì)，具體優(yōu)勢(shì)的支持率如表1所示。并且通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)學(xué)生可以完成教學(xué)的要求，在上本次課之前67%的學(xué)生不知道病毒的形態(tài)如何，83.1%的學(xué)生不知道怎樣分離純化病毒，但是在完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生不僅掌握了這些基本的知識(shí)和方法，81.6%的學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課也更有興趣了。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，如果以后要進(jìn)行實(shí)際操作，75.4%的學(xué)生認(rèn)為能迅速熟悉實(shí)驗(yàn)器材及方法，在遇到困難時(shí)75.8%的學(xué)生可以回憶起虛擬仿真的體驗(yàn)以解決問(wèn)題，知識(shí)記憶模糊的同學(xué)還可以隨時(shí)隨地登錄系統(tǒng)進(jìn)行重新學(xué)習(xí)。通過(guò)虛擬仿真的方式學(xué)習(xí)該技術(shù)，不僅僅對(duì)實(shí)際操作有幫助，而且還可以提高學(xué)生的綜合能力，更是為學(xué)生打開(kāi)了一扇通向病毒微觀世界的大門(mén)，87.4%的學(xué)生認(rèn)為此虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)其以后的發(fā)展有深遠(yuǎn)的影響（如下表所示）。

采用虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，學(xué)生可以不受時(shí)空限制自主安排學(xué)習(xí)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，掌握實(shí)驗(yàn)技術(shù)。對(duì)2020年的使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，除了上課的時(shí)間，每個(gè)學(xué)生平均學(xué)習(xí)3.13次，最多達(dá)到10次，并且經(jīng)過(guò)反復(fù)訓(xùn)練和學(xué)習(xí)每個(gè)班級(jí)的考核成績(jī)均達(dá)到97分以上并比平時(shí)成績(jī)大幅提升（如圖2所示），達(dá)到了強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果和增強(qiáng)學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性的目的。