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【中国科学报】“仿真兔”背后的实验革命——扬州大学生物科学与技术学院虚拟仿真实验教学工作纪实
发布日期:2018-07-10浏览次数:字号:[ ]

 

 

  对于生物科学、生物技术等专业的学生来说,解剖兔子大概是他们《动物学》课程中最熟悉不过的实验了。但由于学生人数多、操作不熟练、实验不可逆等诸多因素,解剖兔子时常常会出现实验效果不尽如人意等现象。

  不过,在扬州大学生物科学与技术学院(以下简称“生科院”),解剖实验却可以用很少的兔子达到很好的效果,这要归功于“仿真兔”的出现。

  

实验兔子由实入虚

  2015年,扬州大学生物科学与技术虚拟仿真实验教学中心(以下简称“中心”)获批成为全国第一批虚拟仿真教学中心后,生科院便产生了开发兔的形态结构与功能虚拟仿真实验系统(以下简称“仿真兔”)的想法。

  通常,生物学家会选某个动物物种进行科学研究,用于揭示某种具有普遍规律的生命现象,被选中的动物物种则称为模式动物。兔子就是一种模式动物。

  “通过解剖兔子,可以为生命科学学科人才的培养奠定很好的知识积累。”生科院副院长黄金林表示,但实体解剖却存在诸多问题和局限性。比如,解剖操作复习难、考核难,器官组成系统空间分布位置再现难,示教效果差等,这些问题在很大程度上限制了学生对相关知识的掌握。

  “比方说,兔子将草吃进体内,再以粪便的形式排出体外,中间会经过怎样的过程?实体解剖看不到,因为它是静态的。”中心主任张彪说,如果能够建立一个三维模型,把兔子的整个消化系统做出来,再结合动画的形式,就可以让学生清楚地看到兔子从吃草开始到口腔分泌唾液,再由胃部分解到小肠大肠吸收的整个流程,“静态就会变成动态,实体解剖看不到的变化也就能看到了”。

  因此,从2015年开始,生科院先后投入40余万元,用于“仿真兔”的开发建设。

  “去年,模型已经全部完成并初步投入使用,后期经过不断调整,现在实现了全面运行。”张彪介绍道,“仿真兔”由3D虚拟仿真教学资源与辅助教学资源两部分组成。其中,3D虚拟仿真教学资源包含虚拟解剖、器官复位、透视结构等9个功能模块;辅助教学资源包括视频资料、考核题库、在线交流等模块。

  在张彪看来,“仿真兔”的产生并非要替代实体实验,而是要实现两者的有机结合,这样才能“构建覆盖预习、实施、复习、考核全过程的虚实结合的实验教学流程”,有效解决上述问题。

  

虚实结合一举多得

  不过,生科院最初却有不少老师曾质疑是否需要开发“仿真兔”,因为一只兔子只需花费100多元,而系统开发前前后后花费了40多万元。

  “我们学院之前每年用于实验教学的兔子有60只左右,按照这个数量来计算,与系统开发之间确实存在较大的经费差距。”该院曾参与“仿真兔”开发的副教授杨凤萍说,“但使用之后,大家全都打消了最初的顾虑。”

  “通过‘仿真兔’这个新颖的系统,我们可以随时随地做实验、复习,很大程度上提高了学习效率。”生科院大一学生李云赟说,“仿真兔”除了可以在电脑上使用外,无论是苹果系统还是安卓系统的手机也都可以安装、使用。

  以前,仅仅通过实体解剖课和教材上的图片,学生很难全面掌握兔的内部形态结构,但“通过虚拟仿真系统的3D效果,就可以非常直观清晰地看到兔子的每一个器官和系统,其中的‘功能演示’更是将兔子进行各种生理活动时的内部结构变化展示出来,这是在解剖中难以做到的”,李云赟说,“仿真兔”让她喜欢上了做实验。

  对于老师来说,以前做活体实验时,要先用二三十分钟的时间向学生们示范解剖,一个班二三十名学生分三两层围在四周,不仅耗时,而且效果并不太好。但自从使用了“仿真兔”,便可以减少示教兔子的使用,让老师从示教中“解放”出来,把那二三十分钟时间交由学生做解剖实验。其间,老师可以更有针对性地指导学生,解决他们各自遇到的问题。

  “此外,教师们也可以把一些教学资源和考核内容发到平台上,很大程度上减轻了他们的教学任务。”在张彪看来,“仿真兔”开发的一次性投入可以换来终生使用,虽然需要维护,但也可以说是“一劳永逸”了。

  

优化推广虚拟仿真

  今年4月,教育部高教司公布了2017年度示范性虚拟仿真实验教学项目,扬州大学“仿真兔”名列其中。这一成绩可以说是实至名归的,不仅因为“仿真兔”的实际效果显著,更因为生科院近二十年的虚拟仿真实验教学资源积累。

  “早在1999年,我们学院就开始了数字化实验教学资源的建设,2002年开始构建网络教学平台,2005年初步形成了‘虚拟、教学、创新’的‘三位一体’实验教学平台。”黄金林介绍道,依托扬州大学国家级生物科学与技术实验教学示范中心,在实验教学信息化过程中,通过校内各类优质生物学实验教学资源与信息技术的深度融合,2012年,中心应运而生。

  如今,通过多年积淀,扬州大学生科院已经建成数字切片、虚拟标本、微课视频、虚拟仪器、3D/2D动画等各类数字化资源4000余套,以及能够在电脑和智能移动终端应用上述资源的生物学实验课程(群)在线教学(学习)平台,形成了“一个平台、二类终端、三大模块”的虚拟仿真实验教学资源建设体系。

  在黄金林看来,近二十年的虚拟仿真实验教学资源建设、积累,对于扬州大学的人才培养确实起到了很大的促进作用。“一是前瞻性,学生们可以随时随地了解相关知识,为自学提供便利;二是通识性,这些资源不仅生科院的学生可以使用,其他学院的学生包括文科生也可以看,而且相较于课本,虚拟仿真资源更易接受、消化、吸收。”

  下一步,黄金林希望在更大范围内推广使用虚拟仿真实验教学资源,同时也对该平台进行优化升级,力图实现个性化教学,将来为医学、生命科学以及其他更多学科的发展培养更多人才、做出更大贡献。(记者 王之康 通讯员 徐玉洁 吴雨捷)

报道链接:http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2018/7/336934.shtm

        ——710日《中国科学报》6




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