3D影像在微生物學實驗教學中的應用
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摘要：微生物實驗基本操作是生物類專業(yè)學生非常重要的學習內容之一，但實驗內容多，學時有限，傳統(tǒng)實驗教學模式難于達到教學目標。為提升教學質量，提高學生實踐綜合能力，本教學團隊圍繞微生物實驗基本操作技術拍攝制備3d圖片和3D微視頻應用于實驗輔助教學實踐，取得良好教學效果。
關鍵詞：3D影像；微生物；實驗教學
一、微生物基礎實驗教學中存在的不足
微生物學既具有其獨特的理論體系，同時也是實踐性很強的學科，實驗教學是微生物課程教學的重要組成部分，實驗基本操作技術的掌握對學生后續(xù)課程學習、畢業(yè)設計及對日常生活都有非常重要的影響。但基礎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老師，老師對學生的個別指導時間有限；（2）實驗課時有限。學生在課堂內只能進行實驗的主體內容，對實驗前期的準備及后期處理工作參與較少，影響到對實驗內容的整體掌握，實驗效果的牢固性差。（3）學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）實驗的輔助學習資源有限。在“互聯(lián)網+教育”的時代，教育模式、形態(tài)、內容和學習方式正在發(fā)生深刻變革，資源的不足會影響學生自學興趣和自學能力?；谏鲜鲆蛩?，實驗教學整體質量不容樂觀，難以達到培養(yǎng)創(chuàng)新型、復合型、應用型人才的目標。為實現(xiàn)我校學科結構優(yōu)化調整，如何在有限學時內讓同學們熟練掌握微生物實驗的基本操作技術值得探討。教學團隊結合本學院專業(yè)特點，對微生物基本操作實驗提出了課內外學習相結合、集中指導與開放輔導相結合的實驗教學方案，結合實驗要求制作3D影像作為實施課程教學方案的重要輔助手段，該模式實施后，得到學生認可，提高了實驗教學效率。
二、3D影像制作及微生物實驗中的應用探討
（一）3D影像發(fā)展概述及教學應用
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的渴求；歐洲文藝復興時代，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70年代，伴隨著IMAX電影技術的問世，3D技術也獲得了新發(fā)展。2009年，3D電影《阿凡達》《愛麗絲夢游仙境》等影片的成功，進一步激發(fā)了3D技術與相關產業(yè)的快速發(fā)展，3D已走進人們的生活。2.3D的應用。早期應用主要集中在娛樂行業(yè)，隨著技術的發(fā)展，逐漸滲透到醫(yī)學、軍事、教育、商業(yè)等各個領域。在教學中，采用與教學內容相融合的集聲音、圖像、動畫、圖表的計算機多媒體輔助教學，豐富了教學內容，對提高課程的教學效果發(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，部分教學內容制作了具有快速多變、立體感強、變抽象為直觀、變枯燥為有趣的3D動畫，更有效地提高教學質量。隨著3D顯示和投影技術的發(fā)展，3D在教學中將越來越普遍。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將會收到更好的教學效果，而實拍3D影像提供了這樣的技術手段，但遺憾的是這方面在絕大多數(shù)的教育學科領域中應用不足。3.3D視頻在生物學實驗教學中的應用值得探索。21世紀是生命科學的世紀，生物學中的實驗實踐是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力、提升教學水平的重要環(huán)節(jié)，與理論教學相比，實驗教學有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和動手能力，其教學質量的高低也直接影響到學生分析問題和解決問題能力的高低。因此生物學相關的實驗課，大都在積極探索實驗教學的改革，其中開放式的教學實驗平臺建設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，成為推廣其應用的重要限制因素，而3D視頻教學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.影像制作主要內容。本項目針對微生物學基本操作技能如細菌革蘭氏染色技術、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容，目的是通過系列圖片的展示后能使學生了解實驗操作的主要過程。圖片制作中包括多年來同學們操作中容易出現(xiàn)失誤的一些細節(jié)內容，在課堂教學或考試中，讓同學認識實驗中的易錯點，以達到規(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，制作不超過10分鐘的小視頻，學生通過立體視頻的觀看能清楚實驗的基本操作過程，并明確其關鍵環(huán)節(jié)。
1.發(fā)揮影像作用，改變教學模式。結合實驗教學改革方案，指導老師課前根據(jù)實驗教學大綱，結合教學內容和實驗達成目標的要求，認真準備教學課件，并將課件發(fā)到實驗班級QQ群，同學結合課件和實驗指導書進行預習，上課時抽檢學生預習效果，分析存在的主要問題，有針對性地進行講解和示范，并展示3D影像。實驗過程中同學有不清楚的地方可反復觀看視頻和咨詢指導老師，提高課堂內實驗教學效果。在使學生對操作技能基本熟悉的基礎上，為了強化和規(guī)范實驗操作，同時培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和適應個性化培養(yǎng)，部分學生可到學院開放實驗室申請進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生實驗操作的基本技能，同時提升了學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，學生綜合能力有效提高。2.大大提高了學生的實驗動手能力。其優(yōu)勢在于：（1）基于3D影像本身的優(yōu)勢，同學在觀看相關影像后提升了主動學習的動力。（2）實驗視頻具有直觀性，使學生有“身臨其境”的感覺，有如教師現(xiàn)場指導，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注指導每個同學的問題，以便教師將更多的精力投入到學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)上。（3）3D視頻示范具有可重復性，學生可對了解不充分的部分反復觀摩，有效解決教師在示范講解時，學生因注意力不夠集中，對老師操作的細節(jié)和關鍵點的掌握不明的缺限。（4）使學生的實驗過程更加規(guī)范。制作3D視頻時對實驗內容有完整規(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）課堂內外對實驗操作的反復觀看，可有效提高學生實驗操作的規(guī)范性和實驗結果的準確性，從而提高學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綜合能力顯著，也體現(xiàn)在后續(xù)課程學習及后期的畢業(yè)設計中實驗操作能力、論文寫作能力、論文研究水平等均表現(xiàn)優(yōu)秀。
三、進一步發(fā)揮3D影像在生物學實驗中作用的思考
第一，本項目制作的3D影像質量還有待進一步提升，同時3D視頻不能像虛擬現(xiàn)實技術隨時可以任意視角進行觀看，互動性還顯不足。因此期待有更專業(yè)的公司來開發(fā)生物學實驗的數(shù)字教育教學資源，推動發(fā)展“互聯(lián)網+”教育，推進優(yōu)質教育資源共建共享。第二，適當建立虛擬互動實驗室，進一步加大實驗開放力度和加強實驗管理力度。當前個性化學習、推廣教學創(chuàng)新成為我國高等教育技術應用中頗有難度的挑戰(zhàn)，培養(yǎng)復合思維能力成為我國高等教育與基礎教育中技術應用方面面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，要實現(xiàn)個性化學習，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和實踐能力，培養(yǎng)更多創(chuàng)新人才、高素質人才，必須加大實驗室開放力度和管理力度。
參考文獻：
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[2]王夷.3D技術在顯示器上的應用[J].數(shù)字技術與應用,2014,(3):91-92.-271-
作者：江懷仲 何曉紅 孫全 單位：重慶郵電大學生物信息學院