PBL结合虚拟仿真实验教学助推研究型人才培养

郑菲菲 李莉娟 陈孝煊 袁军法 汤蓉

摘 要：为了解决本科实验室缺乏超速离心机和透射电镜等大型设备的问题，开发了水生动物病毒的分离纯化及形态观察虚拟仿真实验，应用于水产微生物实验教学，是实体实验教学的有益补充，拓展水产微生物学实验教学内容的广度和深度。教学方法上以学生为中心，问题为抓手，教师为引导，采用PBL法辅助虚拟仿真实验的教学模式，不仅让学生掌握了研究病毒的重要方法，还激发了学生学习兴趣，培养了学生主动学习、积极思考并独立分析解决问题和创新的能力，提升了学生的综合科研素养，有助于水产专业研究型人才培养。

关键词：PBL法;水生动物病毒分离纯化;虚拟仿真实验教学;研究型人才

中图分类号：G642.41  文献标识码：A

随着科学家对病毒领域研究的不断深入，病毒的分离纯化在生命科学相关专业应用非常广泛，是一种非常重要和常用的技术[1]，由于本科实验室没有超速离心机、透射电镜等这些昂贵的大型设备，无法开展这类实验课，在很大程度上限制了本科生实验课教学的拓展，不利于学生科研素质的全面提升和研究型人才的培养。

随着科技的发展和进步，虚拟仿真技术的出现为解决这些问题提供了新的思路[23]。近年来，虚拟仿真技术已经应用于很多领域并取得了丰硕的成果[45]。为了拓展水产微生物学实验教学内容的广度和深度，提高学生的科研能力，本着“能实不虚、以虚补实、以虚促实”的原则，我们开发了水生动物病毒的分离纯化及形态观察虚拟仿真项目，为学生打开了一扇通向病毒世界的大门。以问题为基础（problem based learning，PBL）的PBL教学法以学生为主体，教师为辅对学生进行引导，在生物科学类课程应用并取得良好的教学效果，可以锻炼学生主动学习、积极思考并独立分析解决问题及创新的能力[67]。因此，我们采用了PBL教学法辅助虚拟仿真实验教学，提高科研综合素养，促进研究型人才培养。

一、虚拟仿真实验的建设

多年来，由于受到大型仪器设备缺乏等客观因素的影响，学生对病毒的了解只能停留在书本的理论知识和抽象的想象，难以激发学生的学习热情，另外也学不到目前病毒研究中最常用的技术方法。因此，我院根据水产微生物学教学大纲开发水生动物病毒的分离纯化及形态观察虚拟仿真实验，使学生可以身临其境般进行虚拟操作实践。

虚拟仿真实验是一个4模块3模式的模块化系统，教学模式中学生既可以根据讲解和提示来进行相应的实验操作，也可以只看视频，视频播放过程中可随时暂停，将关键动作重复播放，可加深对操作流程细节的记忆和理解以便熟悉和掌握整个实验流程。

练习模式则是学生在完成教学模式学习后，为进一步熟悉整个实验操作流程进行的自主训练，学生可以自主操作，挑选自己不熟练的步骤反复练习。

考试模式也是虚拟仿真实验中学生可以自主操作的部分。学生必须掌握了实验材料的准备、试剂的配制、仪器设备的使用方法、实验步骤和注意事项等相关知识才能进入该模式。这个模式中则没有任何讲解和提示，学生只有正确完成了当前实验操作才可进入下一步操作直到实验结束，在操作过程中系统会对学生的操作进行评分，考核学生对整体实验的掌握情况。

二、PBL法结合虚拟仿真实验教学模式

教学过程中以学生为中心，以问题为导向贯穿整个教学过程与4模块3模式融会贯通，教学模式思维导图如图1所示，在教学中将理论知识与虚拟仿真实验操作有机结合;遵循三讲三不讲和三布置三不布置原则;分为课前、课内和课后三步骤，自主学习、小组讨论、精讲点拨和巩固检测四环节。

课前充分利用多媒体资源，将实验内容所涉及的教学资源及课前思考题等电子资料上传至中心平台，学生可随时随地登陆平台提前自主预习四模块中的实验目的、实验原理和实验概况并思考老师提出的问题;课中老师先多维度讲解与病毒相关的人物故事和案例报道等，然后提出启发式问题导入，接着學生带着疑问在实验操作模块中的教学模式进行自主学习寻找答案并发现新的问题，分小组讨论问题后进行汇报，老师针对重难点及易混易错点进行讲解和点拨，学生再带着答案重新在实验操作模块中的练习模式进行虚拟实验操作加以巩固，随后在实验操作模块中的考试模式检测对实验的掌握程度;课后布置探究性、拓展性和启发思维的思考题，达到使理论知识在实验操作中巩固，实验技能在理论指导中强化提升的目的。

三、PBL法结合虚拟仿真实验教学效果

该虚拟仿真实验项目2019年建成，应用2年均获得师生的认可和广泛好评。建成后，在水产养殖和水族科学与技术两个专业7个大三班级上课中应用，上课结束后发放问卷调查学生的使用情况，收到有效调查问卷207份。

经统计发现在上此次课之前有98.07%的同学都体验过虚拟仿真实验，因此本次调查问卷极具参考价值。有92.75%的同学认为虚拟仿真实验相对传统实验有诸多优势，具体优势的支持率如表1所示。并且通过虚拟仿真实验的学习学生可以完成教学的要求，在上本次课之前67%的学生不知道病毒的形态如何，83.1%的学生不知道怎样分离纯化病毒，但是在完成虚拟仿真实验后，学生不仅掌握了这些基本的知识和方法，81.6%的学生对实验课也更有兴趣了。通过虚拟仿真实验的学习，如果以后要进行实际操作，75.4%的学生认为能迅速熟悉实验器材及方法，在遇到困难时75.8%的学生可以回忆起虚拟仿真的体验以解决问题，知识记忆模糊的同学还可以随时随地登录系统进行重新学习。通过虚拟仿真的方式学习该技术，不仅仅对实际操作有帮助，而且还可以提高学生的综合能力，更是为学生打开了一扇通向病毒微观世界的大门，87.4%的学生认为此虚拟仿真实验的学习其以后的发展有深远的影响（如下表所示）。

采用虚拟仿真的实验教学方式，学生可以不受时空限制自主安排学习，达到实验要求，掌握实验技术。对2020年的使用情况进行统计发现，除了上课的时间，每个学生平均学习3.13次，最多达到10次，并且经过反复训练和学习每个班级的考核成绩均达到97分以上并比平时成绩大幅提升（如图2所示），达到了强化学习效果和增强学习主观能动性的目的。