现代信息技术与生物学实践教学深度融合探索

摘  要：现代信息技术在生物学实践教学中得到广泛的应用，有直观展示知识内容、虚拟仿真实验、师生推拉式互动等，在激发学生的学习兴趣、培养创新能力等方面发挥作用。通过现代信息技术与实践教学的融合可以优化实践教学内容、创新实践教学形式，破解传统实践教学中的难题，培养学生实践能力与创新精神。

关键词：现代信息技术；实践教学；生物学；互联网+；虚拟仿真

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）25-0107-04

Abstract： Modern information techniques （MIT） have been widely applied in practical biology teaching. By intuitional presentation of knowledge， virtual simulation experiments， or "push-pull" activities etc.， MIT has helped to arouse students' enthusiasm， and played roles in training innovation ability. The fusion of MIT and practical teaching can optimize teaching content， innovate the mode of practical teaching， crack the issues in traditional practical teaching， culture students' ability to practice and pioneering spirit.

Keywords： modern information techniques; practical teaching; biology; Internet +; virtual reality

目前，高校卓越人才培养离不开教育教学的改革，而科教深度融合已成为教学改革和人才培养的必然趋势，在高校“科”“教”的全方位和多维度的改革建设中，最核心的应是一流人才团队，再结合学科、平台一体化的系统建设，全面统筹推进、不断完善“科”“教”的管理手段和硬件、软件的基础，真正实现科教的深度融合，并发挥其优势[1]。在信息技术飞速发展的当今社会，各行业都在不断地探索研究将信息技术与行业相结合，移动互联网、新媒体也已经融入了高校学生的生活之中，利用信息技术可以突破传统课堂教学的局限，大大增加了课堂教学的直观性、灵活性、趣味性及课堂容量。现代信息技术在教育领域被应用为认知工具、探究工具、沟通工具和实操演练工具等[2]，通过发挥现代信息技术的优势，在一定程度上可以促进课堂“教”与“学”效率的提升，可以把一些复杂的概念以虚拟化的方式呈现在学生面前，促进知识能力的转换，强化理论和实践之间的联系。搭建互动渠道，在互动中认识创新创业的重要性，使教学任务目标与知识体系更好地渗透融合，提升学习动力。

随着科技的发展，我国现代教育教学模式已经变得多样化和高效化，如微课、慕课、网络课堂等。传统填鸭式教学模式、“一言堂”的教学模式等都逐渐被人机互动、翻转课堂等双向教育模式所取代，师生之间不再是单纯的“教”与“学”关系，而是随着现代科学技术与教育教学的深度融合向“1+1＞2”的方向转变，如师生之间的相互学习、相互合作、相互进步和相互监督等。

目前，生物学是发展最快、 影响人类生活最广的自然科学学科之一，生物学研究方法的不断翻新，也促进了生物学实践教学的不断改革。实践环节是生物学教学中的重要组成部分，如何紧跟科学发展前沿，向学生传授先进的实验技术和理论、培养学生主动获取知识和技术的能力，是生物学实践课程建设和改革的关键。现代信息技术的发展，可以有效地与实践教学深度融合，从而改变固有的教学模式，提升实践课程的品质，增强学生主动学习的动力。

一  将现代信息技术与生物学实践教学体系进行融合

生物学实践教学是研究生命活动及规律必不可少的教学环节，传统的教学中主要存在的问题有学生主动性不强，不喜欢动手，参与度不高，眼高手低对实验不感兴趣；缺乏科研思维训练，不会设计实验，理论知识不会在实验中应用，对问题不知道该从哪个角度思考；缺乏对结果的分析能力，不会对比分析，对图、表处理不规范，不会用科学的语言描述；最新技术很难在教学中实现，硬件条件不够、技术上存在难点不容易实现，实验的连贯性在教学中容易间断。针对以上问题，通过信息化技术与生物学实践教学的深度融合，使学生变被动为主动，增强学生自主性学习、探究性学习、协作性学习和情境性学习等可持续的实践教学。

因此，我们将实体课堂定为第一课堂，利用现代信息技术开展第二课堂，学生预习、复习和考核等。设置实验技术和虚拟实验，通过视频课程讲解实验原理、方法、应用及相关的前沿技术，学生根据课程内容及文献介绍，每个组设计出自己组的实验方案并上传到在线课程中进行讨论。教师通过在线课程对学生的实验方案进行指导，完善后在线下进行具体的实验操作。学生完成实验后需要在线上传实验报告和论文，教师会及时反馈实验报告的意见，对于优秀的内容或特别差的内容，教师也会不记名地发到讨论区，让学生讨论交流，教师对学生反映的问题会定时跟踪（图1）。

二  摆脱时空限制，紧跟时代步伐，将现代信息技术与实践途径进行融合

生物技术的快速发展带来了许多新的实验技术，在实验教学中更好地传授这些新技术，让学生不仅掌握技术的原理与方法，还能在操作和应用过程中提高分析问题和解决问题的能力，从而提高创新能力。然而，在实践教学环节中还存在抽象的原理、无法直接操作的实验内容等，因此利用现代信息技术与实践教学的融合可以实现生物类学生实践能力培养的快速有效途径。我们在基因工程原理与技术实验中，利用Flash技术，将实验内容相关的图形、文字、图像等通过动画兼游戏的形式融为一体，有效地提高学生理解抽象实验原理和掌握繁琐实验步骤的能力。利用学习通网络平台，将该实验内容上传到相关的课程中，学生可以在网上进行操作演练，如果学生忘记了如何操作，可以点击帮助按钮，在帮助中会提示接下来如何操作。通过实践，使学生能够在有限的时间里顺利地完成实验内容，并能掌握实验操作技巧，提高了学生的动手能力。

有一些探究式的实验由于客观因素不能满足，现代信息技术恰好可以通过呈现方式的及时性、细节可放大性、数据的快速处理等特点很好地解决一些探究式的实验内容。如在“基因编辑及原生质体的瞬时转化”实验中，基因编辑部分可以利用网络在线数据库资源对基因序列进行操作，在https：//phytozomc-next.jgi.doe.gov/网站中确定基因序列，在http：//gsds.gao-lab.Org/中对内含子进行分析，将拿到的结果与CDS和基因组去比对，查看是否在外显子上，如在则可作为备选。学生通过互联网对实验内容进行分析，查找文献资料、技术视频等信息，并运用计算机软件对数据进行处理等方式，使其对生物学及相关技术的理解更加透彻。

三  虚拟现实，突破难点，将现代信息技术与实践环境进行融合

目前常用的一些信息技术平台如超星、智慧树等，学生可以通过智能手机与电脑实现“互联网+”与教学的融合，教师利用这些平台建设网络在线课程，将课程资源及学习互动等上传到平台上，为学生营造出超越传统的全新学习环境，如网络学习、移动学习、虚拟学习等。利用计算机等多种技术手段，建设传统实验中不能完成的实验内容，或者是传统实验中各种仪器的使用方法，从而营造出与现实相同的实验环境[3]。

利用“互联网+”、虚拟实验、人机交互等技术，将虚实结合、能实不虚、相互补充及以虚促实的建设理念和危险实验安全化、昂贵实验经济化、抽象实验形象化的建设思路融入到实践教学中。保证了实验的真实性，节约了实践教学成本，降低了实验中的危险系数，提高了教学质量。以学生为主，问题导向，任务驱动的教学模式，教给学生方法，在线学习提供数字化实验资源，全面促进学生自主学习、自主实验、自主创新。

如在“激光共聚焦虚拟仿真实验”中（图2），利用“线上+线下混合式”的教学方法，首先对学生引导，使他明白虚拟实验的目的和操作等，调动学生的学习兴趣，促使学生进一步深入研究、探索，实现对学生创新能力的培养。学生在此学习过程中可以掌握实验原理、操作技能、注意事项等，再结合线下教师的讲解和对有条件的仪器或生产环境等进行参观，虚实结合地培养学生创新能力。线上线下混合还可以满足每个同学的不同需求，激发学生学习和创新的动力。

在线上线下混合教学过程中，还能够增加学生学习的主动性，课前预习，提前了解自己需要在课上学习的内容，标注重点，提高学习效率，养成良好的学习习惯，激发学生的创造性和主动性。在线上线下混合教学中，教师还可以引导学生针对课程内容在网上讨论，拓宽课程知识面，开阔学生的眼界。

四  数字资源，整体考量，将现代信息技术与教学资源进行融合

随着互联网、云计算、大数据、物联网和人工智能等技术的发展，教育行业已进入数字化转型期[4]。可以利用现代信息技术建设数字化教学资源，例如在植物或昆虫实验中，自己拍照，或者对互联网上已有的相关图片进行搜索和查询，对国内外制作的分辨率高、特征突出的精美的植物或昆虫等图片进行收集，建设数字化图片库作为教学资源，使学生通过计算机和网络进行学习。对一些实践中抽象难度大的实验，也可以通过录制视频等方式建设实践教学视频资源，通过拓展学生的时间和空间达到提高教学效率的目的。

将信息技术与教学资源融合，可以实现个性化教学和因材施教。生命科学学院已经建立了植物学、细胞生物学、基因工程和分子生物学等在线开放课程资源。数字化教学资源可以使学生在学习过程中通过回放功能加深知识的掌握，方便不能及时掌握学习内容的学生。但对于基础好的学生可以开展自选实验来深入学习。通过数字化实践教学资源的建设，为学生营造一个绝佳的实验学习环境，也更有利于建立良好的师生关系[5]。

以细胞生物学实验为例，累计页面浏览量为581 992次，累计选课人数为718人，累计互动次数2 000次。在课程资源建设中，共建设授课视频39个，视频总时长298分钟，非视频资源59个，课程资料189个，课程公告231次。为学生随时学习和师生交流提供了资源和平台。

五  加强管理平台和信息化条件建设，营造数字化的实验和学习环境

目前，我们利用超星网站搭建了生物学实践相关的课程教学和管理平台，如细胞生物学实验、基因工程实验和细胞工程实验等，并涵盖了Flash和3D的虚拟仿真实验，具备信息发布、互动交流、教学管理、成绩评定和考试等多项功能，可以在Windows、Linux等操作系统下的PC机、平板电脑或手机上运行，支持学生任意时间、任意地点进行实验学习。目前东北林业大学也实现了校园无线网络全覆盖，为学生创建了“时时能学习，处处能学习”的网络环境。我们利用超星网站将实践课程建成数字化课程，实现教学资源和教学管理、教师辅导、学生自主学习等“一体化”管理服务平台，使教学空间由课内向课外、课内外结合等教学形式转变。超星的学习通APP具有多种功能，学生在无线校园网环境下，能够满足随时、随地的“移动学习”要求，为生物学实验教学与现代技术的融合提供了良好的软硬件条件和信息化环境。

如在章节测验中（图3），可以随时检测学生的学习效果，60分以下的有5人，60—79分的25人，80分以上的81人，这样就能及时发现学生的不足之处，在课堂授课时可以重点讲解学生难以理解的知识点，同时也能发现哪些同学没有完成，可以直接联系该同学督促其尽快完成，起到教师对学生学习的推拉作用，逐渐让学生习惯自主学习。

六  现代信息技术与生物学实践教学深度融合的应用价值

利用现在信息技术可以将实践内容更直观、真实地呈现给学生，可以给学生最准确的认知和身临其境的感受，对于知识目标和情感目标的达成裨益良多[6]。以现代技术辅助教学，呈现知识内容，激发学习兴趣，培养学生创新精神，同时要求教师提高教学技能，转变教学观念，将教学模式与现代学生的需求紧密结合起来，激发学生思考，丰富课程教学资源。