摘要：文章首先概述了细胞生物学实验教学及虚拟仿真实验教学，然后提出了虚拟仿真技术在细胞生物学 实验教学中的应用策略，最后论述了虚拟仿真技术在细胞生物学实验教学中的应用成效。

　　关键词：虚拟仿真技术,细胞生物学实验教学,动物细胞培养实验

　　目前，高等院校开设的细胞生物学实验基本分为 验证性实验、综合性实验和研究性实验三种。其中，综 合性实验如动物细胞培养实验，在整个细胞生物学实 验、细胞工程实验和分子生物实验中起着基础性和关 键性的作用，能最大限度地培养学生的创新性思维与 实践动手能力 ， 为其开展生物科学实验奠定基础，从 而提高学生科研探究能力 ，但是由于实验空间大、实 验周期长、实验无菌环境要求高等一系列条件限制[1]， 很多高校无法开展综合性实验。因此急需探索出一条 能实现综合性实验的开设，进而保证和提高实验教学 质量的路径 。近年来，随着“互联网+ 教育”时代的到 来，虚拟仿真实验教学平台显现出的独特优势可以较 好地突破传统细胞生物学实验教学的局限性。虚拟仿 真技术通过计算机图形渲染、多媒体技术、人机交互 等，将实验内容可视化，在虚拟环境下构建复杂实验 场景，可供学生模拟实践操作，具有良好的沉浸感和 交互性 。将其引入实验教学，并配合线上线下混合式 教学模式，既可满足教学需要，也可提高学生参与课 堂互动的积极性，有助于学生对细胞生物学实验教学 内容的真正掌握与实践应用。基于此，河南大学(以下 简称“我校”)利用实验空间，引入虚拟仿真技术，补充 细胞生物学实验课程中较难开展的综合性实验，并以 “ 动物细胞培养”实验为例，结合线上线下混合式教学 模式进行细胞生物学实验教学探索。

　　一、细胞生物学实验教学及虚拟仿真实验教学 概述

　　(一)细胞生物学实验教学

　　生物学学科的特点之一是实验性 ， 需要有相关 的实验演示来支撑教学 。实验教学是帮助学生理解客观世界运动规律、掌握知识生产能力的重要方式， 是在客观知识学习与实践技能培养之间建立联系的 有效手段[2] 。细胞生物学实验是生物学的一 门核心基 础课程 ， 旨在让学生在了解理论的基础上掌握基本 的实验操作技能 。学生前期通过细胞生物的学习，已 经了解了细胞的结构与功能 ， 掌握了细胞功能的内 在分子机制，在此基础上，细胞生物学实验教学能帮 助学生完成理论与实践的融合 ， 促进学生能力的发 展 。 因此，细胞生物学实验教学尤为关键，是将生物 类专业学生培养成才的必经之路 。而“ 动物细胞培 养 ”实验属于细胞生物学实验教学大纲确定的综合 性实验 ， 是培养学生生物科学本科专业实验技能必 备的实验， 同时也是细胞生物学实验的标志性实验 之一 。 由于“ 动物细胞培养”实验对无菌环境的要求 比较高，实验试剂价格昂贵，实验周期长，涉及动物 解剖等高难度操作内容和瘤性细胞株等不确定因 素，实验的成功率和重复率较低，故目前多数高校的 “ 动物细胞培养”实验教学难以开展。

　　(二)虚拟仿真实验教学

　　现代技术的应用是提高实验教学水平的重要手 段，虚拟仿真实验教学是教育信息化背景下出现的一 种新型教学模式，可推动教学改革和提升教育质量[3]。 虚拟仿真实验教学项目的研发依赖信息化技术的支 撑，即教师综合应用富媒体、三维建模、人机交互、虚 拟现实、增强现实等技术[4]，通过构建仿真的实验环境 和实验人员 ， 让实际教学中的各个实验过程情景再 现，学生可以身临其境地模拟操作实验步骤，掌握技 术，减少在真实实验中的操作错误，提高实验的成功 率;允许学生反复多次进行模拟实验，不会受到无关变量的干扰，也不会造成资源的浪费;学生可以借助 实验平台更好地与教师讨论交流，通过师生交互式教 学模式，更好地掌握实验技能。

　　虚拟仿真实验是通过虚拟仿真技术进行生物学 实验教学信息化改革的尝试，不仅可以弥补生物学实 验教学中难以满足每个学生进行全程实验操作的缺 点，解决传统实验中的问题，提高教学效果，还能培养 学生的动手操作能力和创新能力，培养新时代高质量 的人才，提升高校细胞生物学实验教学的水平，因此， 应用虚拟仿真实验进行细胞生物学实验教学改革很 有必要。

　　在传统细胞生物学实验教学过程中，存在设备老 旧、内容缺乏完整性、教学方式与评价方式单一等问 题[5]，导致细胞生物学实验教学处于瓶颈期，满足不了 实验教学开展和学生对实验技能培养的需求 。 因此， 需要对实验教学进行改革，提高实验教学质量和人才 培养质量。而信息化改革是各高校实验课程改革的关 键，在此基础上，引入虚拟仿真技术，不仅增加了实验 空间，拓展了实验教学场景，而且精准破解了实验教 学中存在的普遍难题。

　　二、虚拟仿真技术在细胞生物学实验教学中的应 用策略

　　(一)虚拟仿真实验教学内容确定

　　课程团队从细胞生物学实验和虚拟仿真实验的 特点出发，参照《细胞生物学实验大纲》的要求和“ 一 流学科”的人才培养要求，将虚拟仿真技术引入细胞 生物学实验课程的综合性实验， 如 MTT 法检测体外 动物细胞增殖及存活率和动物细胞培养等 。 因为“动 物细胞培养 ”实验在细胞生物学实验中具有重要地 位，所以搭建动物细胞培养实验平台是首要之重。“动 物细胞培养”实验需要在无菌环境下进行，因此将动 物细胞培养虚拟仿真实验内容分为实验前的准备和 细胞培养两大部分，在正式进行实验前，要将所有玻 璃器具泡酸 24 小时再进行高压蒸汽灭菌 ， 将所有试 剂通过过滤灭菌的方法去除细菌;细胞培养实验的过 程包括原代细胞的分离、细胞传代、细胞冻存和细胞 复苏，具体实验内容如图 1 所示。

　　(二)虚拟仿真实验教学平台构建

　　为加快细胞生物学实验教学模式由传统形式朝 着“ 智能化”方向的演变，教师要借助智能化技术，推 进信息技术与细胞生物学实验课程教学深度融合，积 极开展智能化教学应用[6]，建设细胞生物学实验在线课程资源，建设一批国家级精品课程与线上仿真虚拟 实验，并构建基于项目的课程体系，进而依托现代技 术和互联网环境构建虚拟仿真实验教学平台。

　　首先，要搭建满足细胞生物学实验教学的设施体 系 。我校为实验中心投资了 2 000 多万资金，对实验 室的基础设施、环境和实验仪器设备进行了大量的改 造和更新 ， 为实现细胞生物学实验教学的顺利开展， 购置了 300 多万的新仪器设备以配合虚拟仿真技术 的引入，并建设了细胞室、虚拟仿真实验室和细胞动 物细胞培养的超净间。

　　其次，要建设科学完备的实验教学平台体系，构 建特色虚拟仿真教学平台 。以“动物细胞培养”实验为 例，教师可利用 Unity3D 技术制作 3D 场景，并设置习 题考核环节，让学生借助计算机来模拟操作完整的动 物细胞培养过程，技术框架如图 2 所示。其中，管理端 采用了三层架构，为后台和前台提供接口，供客户端 进行读写。细胞生物学实验虚拟仿真实验项目通过校 企合作的方式开发 ， 首先由教学团队设计实验操作、 实验场景及习题等内容;然后由企业负责开发设计软 件;最后将虚拟仿真实验与互联网相结合，构建虚拟 仿真实验教学平台，如图 3 所示。

　　(三)教学设计

　　细胞生物学实验课程教学模式为线上线下混合式 教学模式，线上学习以虚拟仿真实验平台或慕课为依 托来开展，线下学习则在虚拟仿真室、智慧教室和各种 实验室开展。首先教师准备完整的在线实验视频、PPT 课件、习题等在线学习内容，并将其上传至相关教学平 台。这样，学生在上课前已通过虚拟仿真实验教学平台 或慕课视频、习题等方式进行深度自学，可带着疑问进 入线下智慧课堂 。然后教师在线下实验课中分组进行 教学，使学生更快速地参与课堂，精准地表达自己的疑 问点并逐个击破，提高了课堂活跃度，这有利于学生创 新能力的培养。最后学生可再次利用虚拟仿真平台动 手实践进行巩固，使学习效果实现质的提升。以“动物 细胞培养”实验为例，基于虚拟仿真的实验教学设计如 图 4 所示，具体教学实施如下。

　　1.课前学生自主学习 。教师引导学生注册虚拟仿 真实验平台的账号 ， 登录平台学习相关资料并进行 虚拟仿真实验操作 。学生在平台上首先通过“示训视 频”模块了解实验的具体操作流程，其次在“ 在线实 验”模块中进行习题考核，接着自主操作实验流程， 检测实验操作的正确性 ， 最后通过测评后可以进入 虚拟的实验室进行实验，如图 3 所示 。通过以上环节 可形成一个完整的虚拟线上教学过程 ， 且操作简单 有趣，能增强学生学习兴趣，提高学生的自主学习能 力和实践创新能力。

　　2.课中分组教学。教师讲授实验目的、内容、意义后，让学生自动分组，带着实验目的、问题开展实践 ， 能巩固学生对理论知识的掌握，发挥其主观能动性 ， 期间教师是旁观者和引导者 。例如，“动物细胞培养 ” 实验中 ， 由于细胞培养室空间有限， 无菌环境要求 高，学生在虚拟仿真实验平台上学习达标后，才能进 行分组学习 。对此，教师可采取轮转的方式将学生分 成学习小组，并依次带领各小组进入细胞培养室，让 学生在教师的指导下学习实验准备中的泡酸 、高压 蒸汽灭菌和过滤灭菌 ， 自主准备动物细胞培养实验 所需试剂和器具，然后在教师的指导下亲自操作，完 成“ 动物细胞培养”实验中的重要部分 。在此基础上 学生还能开展两个自主实验：一是以细胞成像系统 检测细胞生长，即采用能实时监控的细胞成像系统 ， 代替传统的酶标法 ， 这种准确高效的检测手段更有 利于学生进行自主实验， 同时在实验内容的设计方 面是开放性的，即按照食品检验方法，首先规定检验 方法和标准 ， 但选材和样品的制作是由学生自主创 新的，学生可根据选材的不同分为若干组;二是流式 细胞仪检测细胞凋亡 ， 即通过细胞检测设备流式细 胞仪，学生从观摩实验转变为实操检测，并完成复杂 仪器设备的学习和应用 。两个自主实验增加了挑战 度、突出了创新性，可让学生体验到“ 跳 一跳才能够 得着”的学习挑战。

　　3.课后复习巩固 。课后学生在虚拟仿真实验平台 上可以再次进行实验操作，将线下开展的实验部分与 线上开展的虚拟实验全部流程合二为一，进行进一步 复习巩固，实现全过程、全覆盖，自主进行反复学习、 演练。该平台还为学生提供了自主学习和重复学习的 条件，即学生可以根据自己的需求，选择学习模块，增 强记忆。

　　三、虚拟仿真技术在细胞生物学实验教学中的应 用成效

　　在“互联网+ 教育”信息共享机制下，虚拟仿真实 验教学项目的建设可促进教育教学和人才培养质量 的全面提升，故高等院校应建设一批高水平、有代表 性的实验教学资源，强化虚拟仿真教学资源建设[7-8]。 虚拟仿真实验教学平台通过计算机网络建立了一个 与现实实验环境相似的虚拟实验环境，包括虚拟的实 验对象、实验设备、实验场景、实验仪器等，从而能补 充细胞生物学实验中由于真实技术场景过于复杂而 难以开展的实验内容，给学生提供自主开展实践创新 型实验的机会， 即通过虚拟实验设备及仿真实验过程，为学生提供直观的交互式学习环境，采用人机交 互的方法达到直观教学的目的，进而增强学生对细胞 生物学复杂实验的理解，提高教学质量，这是辅助教 学的有效手段之一[9-10]。将虚拟仿真技术引入细胞生物 学实验教学，同时采用虚实结合、以虚补实的混合式 教学法，一是打破了细胞生物学实验教学在时间和空 间的限制;二是在基础的细胞生物学实验上，能开设 综合性实验，增加了挑战度、突出了创新性，与传统的 实验方法相比，不仅提高了实验的准确性，还体现了 实验内容的前沿性与时代性，能够积极引导学生进行 探究式与个性化学习。

　　(一)预期效果

　　第一，虚拟仿真实验教学系统可以对学生进行在 线操作的跟踪，实时记录学生的使用情况，实现在线 测试并及时反馈，检测学生的实验完成情况。

　　第二，在线实验过程中，对一些关键技术要点通 过弹出题框的方式让学生做出选择，考查学生对细胞 生物学实验原理的掌握程度 。 同时，通过实际操作能 很好地检测学生的操作能力，有利于调整实验的进度 和深度，进而有利于教学目标的完成。

　　第三 ， 教学效果考核方式包括线上考核和线下 考核 。线上虚拟仿真的成绩由习题考核、实验操作两 个部分的成绩组成，线下成绩主要由预习报告、实验 课堂表现和实验报告三部分的成绩组成 ， 这有助于 综合评定实验教学效果 ， 全面考核学生完成实验的 总体情况。

　　(二)教学效果评价

　　基于虚拟仿真实验平台的线上线下混合式教学 模式在细胞生物学实验教学中的实施取得了良好的 反馈，具体如下。

　　第一，从学生线上课程、讨论区、作业、考试等参 与度来看，该模式下的细胞生物学实验课程教学达到 了预期效果，受到了绝大部分学生的一致好评，反响 较好。

　　第二，学生与教师的互动频率变高，学生有问题 能大胆地在课堂上提出，从而有效解决自己的困惑。

　　第三，通过在线学习及测试，大部分学生能自觉 主动地学习平台发布的学习资源，自学能力变强 。 同 时 ， 学生在课堂教学中对于实验的操作变得更加熟 悉，小组合作探究变得频繁，生生互动效果较好，动手 能力变强。

　　该教学模式对学生而言，提高了其自主学习和思考的能力;对教师来说，不仅有助于积累教学经验，而 且提高了细胞生物学实验教学效果。

　　四、结语

　　虚拟仿真技术不仅满足了细胞生物学实验教学 的需求，还解决了课堂教学中的重难点，同时也在学 生参与创新创业大赛、科学实践及毕业论文撰写中发 挥了作用。虚拟仿真实验教学平台是细胞生物学实验 教学的一个突破点，教师借助该平台采用线上线下混 合式教学，使得细胞生物学实验课获批线上线下混合 式省级本科一流课程及省级本科精品在线课程，其中 的动物细胞培养虚拟仿真实验平台自 2018 年建成以 来，已持续为我校生物工程专业、生物科学专业和植 物科学与技术专业提供实验服务。

　　细胞生物学实验课程应积极引入虚拟仿真实 验技术，持续改进，不断提高，加强虚拟仿真实验教 学体系建设，进行生物学实验课程教学改革，积极 探索线上线下教学相结合的个性化 、智能化 、泛在 化实验教学新模式，应用虚拟仿真技术实现课堂在 课外的延伸。通过“ 课堂内外，虚实结合”，精心设计 教学内容，拓展学生的自主学习模式，可提高实验 教学质量。

参考文献：

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