3D影像在微生物學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用
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摘要：微生物實驗基本操作是生物類專業(yè)學(xué)生非常重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容之一，但實驗內(nèi)容多，學(xué)時有限，傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式難于達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。為提升教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生實踐綜合能力，本教學(xué)團(tuán)隊圍繞微生物實驗基本操作技術(shù)拍攝制備3d圖片和3D微視頻應(yīng)用于實驗輔助教學(xué)實踐，取得良好教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞：3D影像；微生物；實驗教學(xué)
一、微生物基礎(chǔ)實驗教學(xué)中存在的不足
微生物學(xué)既具有其獨(dú)特的理論體系，同時也是實踐性很強(qiáng)的學(xué)科，實驗教學(xué)是微生物課程教學(xué)的重要組成部分，實驗基本操作技術(shù)的掌握對學(xué)生后續(xù)課程學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計及對日常生活都有非常重要的影響。但基礎(chǔ)操作實驗中存在以下不足：（1）師資力量有限。雖然采用小班授課，但通常只有一位實驗指導(dǎo)老師，老師對學(xué)生的個別指導(dǎo)時間有限；（2）實驗課時有限。學(xué)生在課堂內(nèi)只能進(jìn)行實驗的主體內(nèi)容，對實驗前期的準(zhǔn)備及后期處理工作參與較少，影響到對實驗內(nèi)容的整體掌握，實驗效果的牢固性差。（3）學(xué)生實驗的主動性不足。實驗過程中過分依賴教師的講解示范，缺乏積極思考動力。（4）實驗的輔助學(xué)習(xí)資源有限。在“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的時代，教育模式、形態(tài)、內(nèi)容和學(xué)習(xí)方式正在發(fā)生深刻變革，資源的不足會影響學(xué)生自學(xué)興趣和自學(xué)能力。基于上述因素，實驗教學(xué)整體質(zhì)量不容樂觀，難以達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型人才的目標(biāo)。為實現(xiàn)我校學(xué)科結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，如何在有限學(xué)時內(nèi)讓同學(xué)們熟練掌握微生物實驗的基本操作技術(shù)值得探討。教學(xué)團(tuán)隊結(jié)合本學(xué)院專業(yè)特點，對微生物基本操作實驗提出了課內(nèi)外學(xué)習(xí)相結(jié)合、集中指導(dǎo)與開放輔導(dǎo)相結(jié)合的實驗教學(xué)方案，結(jié)合實驗要求制作3D影像作為實施課程教學(xué)方案的重要輔助手段，該模式實施后，得到學(xué)生認(rèn)可，提高了實驗教學(xué)效率。
二、3D影像制作及微生物實驗中的應(yīng)用探討
（一）3D影像發(fā)展概述及教學(xué)應(yīng)用
1.3D發(fā)展概要。3D即三維空間，其與二維、一維空間的最大區(qū)別就是“立體”性。3D圖像給人以真實、栩栩如生、身臨其境之感覺。在古埃，人類就有了對三維成像技術(shù)的渴求；歐洲文藝復(fù)興時代，人們通過雕塑和繪畫透視的研究與實踐，采用分色鏡實現(xiàn)了立體效果；1839年英國科學(xué)家查理-惠斯頓爵士發(fā)明的立體鏡，到現(xiàn)在仍然是觀察立體影像的一種十分有用的方法。上世紀(jì)70年代，伴隨著IMAX電影技術(shù)的問世，3D技術(shù)也獲得了新發(fā)展。2009年，3D電影《阿凡達(dá)》《愛麗絲夢游仙境》等影片的成功，進(jìn)一步激發(fā)了3D技術(shù)與相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，3D已走進(jìn)人們的生活。2.3D的應(yīng)用。早期應(yīng)用主要集中在娛樂行業(yè)，隨著技術(shù)的發(fā)展，逐漸滲透到醫(yī)學(xué)、軍事、教育、商業(yè)等各個領(lǐng)域。在教學(xué)中，采用與教學(xué)內(nèi)容相融合的集聲音、圖像、動畫、圖表的計算機(jī)多媒體輔助教學(xué)，豐富了教學(xué)內(nèi)容，對提高課程的教學(xué)效果發(fā)揮了重要作用，但目前采用的圖像、動畫、圖表主要以二維為主，部分教學(xué)內(nèi)容制作了具有快速多變、立體感強(qiáng)、變抽象為直觀、變枯燥為有趣的3D動畫，更有效地提高教學(xué)質(zhì)量。隨著3D顯示和投影技術(shù)的發(fā)展，3D在教學(xué)中將越來越普遍。但由于是動畫，與真實影像差距較大。如果用更接近真實的示范技術(shù)將會收到更好的教學(xué)效果，而實拍3D影像提供了這樣的技術(shù)手段，但遺憾的是這方面在絕大多數(shù)的教育學(xué)科領(lǐng)域中應(yīng)用不足。3.3D視頻在生物學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用值得探索。21世紀(jì)是生命科學(xué)的世紀(jì)，生物學(xué)中的實驗實踐是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、提升教學(xué)水平的重要環(huán)節(jié)，與理論教學(xué)相比，實驗教學(xué)有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手能力，其教學(xué)質(zhì)量的高低也直接影響到學(xué)生分析問題和解決問題能力的高低。因此生物學(xué)相關(guān)的實驗課，大都在積極探索實驗教學(xué)的改革，其中開放式的教學(xué)實驗平臺建設(shè)對提高實驗操作技能、樹立創(chuàng)新思想、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才具有較好的效果和發(fā)展前景。但開放性實驗平臺需要教師投入更多的精力和實驗成本增加，成為推廣其應(yīng)用的重要限制因素，而3D視頻教學(xué)輔助示范則可在很大程度上解決這些問題。
（二）微生物基本操作實驗3D影像的制作
1.影像制作主要內(nèi)容。本項目針對微生物學(xué)基本操作技能如細(xì)菌革蘭氏染色技術(shù)、真菌形態(tài)觀察方法、培養(yǎng)基配制與滅菌、平板和斜面制作、微生物菌種分離和純培養(yǎng)過程等。2.影像制作主要形式。包括3D圖片和3D微視頻兩類。微生物實驗操作3D圖片拍攝制作包括基本操作的主要內(nèi)容，目的是通過系列圖片的展示后能使學(xué)生了解實驗操作的主要過程。圖片制作中包括多年來同學(xué)們操作中容易出現(xiàn)失誤的一些細(xì)節(jié)內(nèi)容，在課堂教學(xué)或考試中，讓同學(xué)認(rèn)識實驗中的易錯點，以達(dá)到規(guī)范操作的目的。3D微視頻制作主要針對單項操作實驗技術(shù)，制作不超過10分鐘的小視頻，學(xué)生通過立體視頻的觀看能清楚實驗的基本操作過程，并明確其關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
（三）3D影像在微生物學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用效果
1.發(fā)揮影像作用，改變教學(xué)模式。結(jié)合實驗教學(xué)改革方案，指導(dǎo)老師課前根據(jù)實驗教學(xué)大綱，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容和實驗達(dá)成目標(biāo)的要求，認(rèn)真準(zhǔn)備教學(xué)課件，并將課件發(fā)到實驗班級QQ群，同學(xué)結(jié)合課件和實驗指導(dǎo)書進(jìn)行預(yù)習(xí)，上課時抽檢學(xué)生預(yù)習(xí)效果，分析存在的主要問題，有針對性地進(jìn)行講解和示范，并展示3D影像。實驗過程中同學(xué)有不清楚的地方可反復(fù)觀看視頻和咨詢指導(dǎo)老師，提高課堂內(nèi)實驗教學(xué)效果。在使學(xué)生對操作技能基本熟悉的基礎(chǔ)上，為了強(qiáng)化和規(guī)范實驗操作，同時培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和適應(yīng)個性化培養(yǎng)，部分學(xué)生可到學(xué)院開放實驗室申請進(jìn)行研究型的綜合實驗，通過綜合實驗的實施一方面鞏固了學(xué)生實驗操作的基本技能，同時提升了學(xué)生在實驗實施過程中積極思考、發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，學(xué)生綜合能力有效提高。2.大大提高了學(xué)生的實驗動手能力。其優(yōu)勢在于：（1）基于3D影像本身的優(yōu)勢，同學(xué)在觀看相關(guān)影像后提升了主動學(xué)習(xí)的動力。（2）實驗視頻具有直觀性，使學(xué)生有“身臨其境”的感覺，有如教師現(xiàn)場指導(dǎo)，主要解決開放性實驗平臺中實驗操作環(huán)節(jié)實驗老師不可能也不必要每時每刻關(guān)注指導(dǎo)每個同學(xué)的問題，以便教師將更多的精力投入到學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)上。（3）3D視頻示范具有可重復(fù)性，學(xué)生可對了解不充分的部分反復(fù)觀摩，有效解決教師在示范講解時，學(xué)生因注意力不夠集中，對老師操作的細(xì)節(jié)和關(guān)鍵點的掌握不明的缺限。（4）使學(xué)生的實驗過程更加規(guī)范。制作3D視頻時對實驗內(nèi)容有完整規(guī)范的實驗程序，而在教師臨時示范時或多或少可能會出現(xiàn)一些隨意的地方，從而影響實驗效果。（5）課堂內(nèi)外對實驗操作的反復(fù)觀看，可有效提高學(xué)生實驗操作的規(guī)范性和實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而提高學(xué)生實驗操作的安全性。上述優(yōu)勢的綜合表明，在實驗操作技能測試中優(yōu)生比例顯著增加，特別是主動參加開放性實驗的同學(xué)綜合能力顯著，也體現(xiàn)在后續(xù)課程學(xué)習(xí)及后期的畢業(yè)設(shè)計中實驗操作能力、論文寫作能力、論文研究水平等均表現(xiàn)優(yōu)秀。
三、進(jìn)一步發(fā)揮3D影像在生物學(xué)實驗中作用的思考
第一，本項目制作的3D影像質(zhì)量還有待進(jìn)一步提升，同時3D視頻不能像虛擬現(xiàn)實技術(shù)隨時可以任意視角進(jìn)行觀看，互動性還顯不足。因此期待有更專業(yè)的公司來開發(fā)生物學(xué)實驗的數(shù)字教育教學(xué)資源，推動發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+”教育，推進(jìn)優(yōu)質(zhì)教育資源共建共享。第二，適當(dāng)建立虛擬互動實驗室，進(jìn)一步加大實驗開放力度和加強(qiáng)實驗管理力度。當(dāng)前個性化學(xué)習(xí)、推廣教學(xué)創(chuàng)新成為我國高等教育技術(shù)應(yīng)用中頗有難度的挑戰(zhàn)，培養(yǎng)復(fù)合思維能力成為我國高等教育與基礎(chǔ)教育中技術(shù)應(yīng)用方面面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，要實現(xiàn)個性化學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和實踐能力，培養(yǎng)更多創(chuàng)新人才、高素質(zhì)人才，必須加大實驗室開放力度和管理力度。
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作者：江懷仲 何曉紅 孫全 單位：重慶郵電大學(xué)生物信息學(xué)院