虚拟实验室在免疫学实验教学中的应用

来源:用户上传      作者: 谢炜 居颂光 葛彦 潘建忠

　　摘 要 虚拟实验室是一个计算机网络化的仿真实验环境，具有沉浸感和交互性的特点。将虚拟实验室引入免疫学实验教学，有助于将抽象的免疫学原理具体化、形象化，并可以拓展免疫学的实验条件，增强学生的学习兴趣，提高免疫学实验教学质量。
　　关键词 免疫学；实验教学；虚拟实验室
　　中图分类号：G642.423 文献标识码：B 文章编号：1671-489X(2011)36-0113-03
　　Application of Virtual Laboratory in Experiment Teaching of Immunology//Xie Wei, Ju Songguang, Ge Yan, Pan Jianzhong
　　Abstract The virtual laboratory is a computer network that could provide simulation environment for experiment with the characteristics of immersion and interaction. In this paper, we suggested carry out immunology experiments in virtual laboratory. It could improve the teaching quality and arouse the learning interest and academic motivation of students by materializing and visualizing the principles, improving the experiment condition of immunology
　　Key words immunology; experiment teaching; virtual laboratory
　　Author’s address Immunology Department, School of Biology and Basic Medical Science, Soochow University, Suzhou, Jiangsu, China 215123
　　
　　免疫学作为一门重要的基础医学学科，其发展可谓日新月异，新的免疫学理论和实验技术不断涌现，并迅即在医学领域得到广泛应用，对基础医学、临床医学各学科的发展起到不可估量的作用。作为医学生，了解并掌握现代免疫学技术，对今后的临床和科研工作都具有重要意义。但由于免疫学教学内容大多涉及生物化学、细胞生物学和分子生物学等微观领域，不仅抽象难懂，而且理论性和逻辑性都很强，很多学生在学习过程中感到难以理解和掌握。
　　而免疫学实验是免疫学教学中的一个重要环节。免疫学实验课程可通过验证性实验和综合性实验来帮助医学生加强对免疫学理论知识的认识，因此，如何改进免疫学实验课程，从而增强免疫学实验教学的效果，在有限的时间内让医学生有效掌握免疫学实验技术，是值得教师深入探讨的。鉴于此，设想将虚拟实验室引入免疫学的实验教学中，并就这一教学改革方案提出几点建议。
　　1 虚拟实验室的内涵及特点
　　虚拟实验室（virtual laboratory）是由William Wulf教授于1989年提出的，用来描述一个计算机网络化的与传统实验室功能相近的虚拟实验室环境。虚拟实验室用仿真、数字建模和多媒体等技术，在计算机上创建出一个可视化的三维环境，其中每个可视化的三维物体代表一种实验对象，从而营造出模拟的仪器性能、实验条件和环境。用户利用鼠标的点击、托曳，实现人机对话。计算机上虚拟的各种仪器，按照实验要求、过程组装成一个完整的实验系统，同时在这个系统上完成整个虚拟实验，包括试剂的添加、实验条件的设定、数据采集及实验结果的模拟、分析[1]。
　　虚拟实验室的一个重要特点是“沉浸感”。虚拟实验室运用计算机多媒体技术再造逼真的实验情景。实验室物品全部是与实物比例一致的立体可视模型，摆放位置和现实情况相同，而且操作者可从任一角度观察实验室中的任何物体。虚拟实验室使人与计算机生成的环境融为一体，完全沉浸其中。
　　虚拟实验室的另一个特点是交互性。用户以第一人称视角通过鼠标对实验场景中的“自己”完全控制，实现移动、转动、加样等动作。随着操作者不同的动作指令，虚拟环境中相关对象的状态也发生改变，并通过图像、音响等作用于使用者的感官，使操作者产生与现实中同样的体验。将虚拟实验室应用于医学教育中，可以使学生全身心地投入其中，更加深入地学习所学课程[2]。
　　2 虚拟实验室的教学优势
　　2.1 激发学生学习兴趣，发挥学生学习的主动性
　　鉴于免疫学这门课程比较难学，虚拟实验能把教学中抽象的概念、原理和过程等形象、生动、真实地表现出来，给学生营造“真实”的学习环境，学生在兴趣的驱动下主动参与其中，易于获得知识，把握概念、原理和实质[3]。平常的实验教学，由于受实验场地和实验材料的限制，学生实验通常是4人组，因此很难保证每个学生都能独立完成整个实验过程，难以调动全体学生学习的主动性，不利于提高学生的实验技能，影响实验教学的效果。虚拟实验的应用可使每个学生都能在电脑上完成实验全过程的操作，如果需要的话还能反复体验。学生在人机对话过程中完成实验设计，体验实验操作，提高实验能力，并进一步理解概念、明白原理、建构知识。
　　2.2 弥补实验教学条件的不足，避免各种风险
　　近年来随着高校招生规模的扩大，学校的实验室建设和实验经费投入的压力不断增大，实验室管理和实验教师的工作负荷已饱和，有的实验因现实条件的限制还无法开设。这些难题随着虚拟实验室的建立就能迎刃而解。可以不必考虑去添置昂贵的实验仪器、设备和试剂，极大地节约实验费用；也不必担心一些有毒、有放射性、易燃易爆的试剂会对实验室安全和学生健康产生威胁，完全消除实验中的隐患，使一些原本只能由教师来完成的演示实验，也可放心地让每个学生都有机会进行操作。
　　2.3 不受时间和空间的限制
　　鉴于免疫学实验的特殊性，要完整地完成某些实验一般需要1～2天。例如酶联免疫吸附实验（ELISA实验），从抗原或抗体的包被这一实验步骤开始，直到最后检测出样品中的含量，整个实验需要2天才能完成。因此，们在上这一实验内容时，只能先由带教老师提前完成前面的几个实验步骤，剩下最后几步关键的步骤由学生来完成，特别是显色这一步骤，都是由学生自己来操作，这样学生也会有些感性认识。假如将这节实验课通过虚拟实验的方式来开展，那么学生就不会受时间的限制，自己可以独立完成整个实验，提高实验课的上课效率，达到全程体验的目标。另外，虚拟实验室可以全天候向学生开放，可以满足学生的不同需求，给学生提供一个个性化学习的环境。
　　3 虚拟实验在免疫学实验课程中的应用
　　3.1 强化学生的免疫学实验基本技能
　　免疫学实验基本操作技能是学生顺利完成实验，提高实验有效性的保证，如用橡皮吸球，通过玻璃吸管来吸取试剂等。然而在上实验课时，经常可以发现本科生的实验基本技能都不过关，严重影响实验效率和效果。因此，在上实验课前，让学生进入免疫学虚拟实验室，通过反复实践熟练掌握一些基本操作技能。这样在上正式实验课时就能应对自如。在此基础上，可以开展免疫学实验基本技能的微格培训，全面提高学生的实验能力。

　　3.2 增强学生的实验预习效果
　　很多免疫学实验程序复杂，逻辑性强，需要学生通过预习来理解实验原理，掌握实验方法，了解实验步骤。过去，学生仅仅借助实验指导，通过自主学习，纸上谈兵地初步了解抽象的实验描述，预习效果很差，实验课上还得教师反复讲述强调。特别是一些用到实验动物的实验，如小白鼠等，学生很难有实际的体验。而利用虚拟实验室，学生可在实验课前通过反复实践，不但能掌握正确抓取小白鼠的方法，而且能体验对小白鼠进行腹腔和皮下注射的正确方法和整个操作过程。而且学生在按照实验讲义自主完成虚拟实验的过程中，会认真钻研实验原理、方法和操作步骤，形成非常深刻的记忆，再进行实际实验操作时效率会大大提高。
　　3.3 确保学生都能观察到实验结果
　　免疫学实验课中所使用的很多仪器设备价格都很昂贵，在观察实验结果时，学生只能轮流在少量的仪器前观察。例如，在开设免疫荧光这一实验时，要用到免疫荧光显微镜来观察实验结果，鉴于显微镜的价格很贵，只能提供一台显微镜供大家使用，因此每个学生不可能有充裕的时间来顺利地观察实验结果。而在虚拟实验室，学生不但可以充分实践荧光标记的方法和过程，而且能在电脑上仔细观察荧光标记的结果，清楚地看到标记上荧光素的阳性细胞。
　　3.4 增加学生动手机会，提供参与实验设计的可能
　　传统的实验教学，由于条件限制，很多实验只能以小组的形式来完成，学生并没有人人动手的机会，不但给实验评价带来不客观性，更造成教学的不公平性。虚拟实验无需消耗任何试剂，也不需要特殊的仪器设备，一般大学都有网络和足够的计算机，可以满足所有学生全过程完成每个实验的需要。更可喜的是，学生可以借助虚拟实验这一教学平台，改进或创造性地设计实验，通过个性化的实验设计，进行研究性学习，使不同水平的学生都能发展自己的实验设计能力，这对学生的一生会产生深远的影响。
　　3.5 促进学生实验的多元化评价
　　传统实验评价主要通过考察学生的实验过程和批阅学生的实验报告，由于目前班级人数较多，加上仪器设备的限制，教师很难实现对学生实验评价的公正、客观。借助虚拟实验这一教学平台，教师可根据每个学生完成实验的情况，客观、公正地进行实验评价。不但评价其实验结果，还可以根据录像评价其实验过程。学生通过实验交流，不但可以共享实验成果，还可进行互评。
　　3.6 正确处理虚拟实验与实际实验的关系
　　虚拟实验只是教学的辅助手段，不能完全取代实际实验操作。因为在真实的实验情境中，可能会出现某些异常现象，但这些异常现象在虚拟实验中是绝对不会出现的。另外，虚拟实验的实验操作都是通过点击或移动鼠标来实现的，对培养学生的实验技能并无帮助[4]。因此，必须根据不同的实验对象，合理安排虚拟实验与实际实验的比例，将两者有机地结合起来。
　　参考文献
　　[1]范伟.虚拟实验在实验教学中的地位和作用研究[J].佳木斯大学学报:自然科学版,2006,24(2):204-205.
　　[2]王伟,陈辉.虚拟现实在医学教育中的应用[J].中国教育技术装备,2009(4):98-99.
　　[3]赵法茂.虚拟现实技术在生物学教学中的应用[J].生物学教学,2003,28(8):23-25.
　　[4]李莉,周蕾,李俊红.虚拟现实技术在实验教学中的应用[J].福建电脑,2007(1):17-18.

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