細(xì)胞培養(yǎng)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)
一、開發(fā)目的
細(xì)胞生物學(xué)是生物醫(yī)學(xué)研究特別活躍的前沿學(xué)科之一，“細(xì)胞生物學(xué)”已成為生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、畜牧、水產(chǎn)等專業(yè)的基礎(chǔ)必修課程，為突出其實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性和地位，大多數(shù)院校已獨(dú)立設(shè)置實(shí)驗(yàn)課，不僅訓(xùn)練學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能與動(dòng)手能力，更重要的是通過實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，激發(fā)學(xué)生探索細(xì)胞結(jié)構(gòu)、功能及生命現(xiàn)象的興趣，培養(yǎng)鍛煉學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐創(chuàng)新能力。
隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、智能手機(jī)等信息技術(shù)的快速發(fā)展，學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣和方式發(fā)生很大變化，以慕課、翻轉(zhuǎn)課堂為代表的現(xiàn)代教學(xué)模式正沖擊傳統(tǒng)教學(xué)模式，從傳授知識(shí)為主的傳統(tǒng)教學(xué)模式向創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式轉(zhuǎn)變。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)及網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，可以使學(xué)生沉浸在虛擬環(huán)境中自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，是一種有利于實(shí)現(xiàn)資源共享、全新開放、信息化的教學(xué)模式，它已成為當(dāng)前教學(xué)改革發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)。為順應(yīng)教育信息化發(fā)展大潮，推動(dòng)“細(xì)胞生物學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革，構(gòu)建綜合設(shè)計(jì)性細(xì)胞培養(yǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，作為學(xué)生實(shí)體實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)和學(xué)生課余自主學(xué)習(xí)的數(shù)字化資源。該系統(tǒng)將突破當(dāng)前虛擬仿真項(xiàng)目順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)，有助于優(yōu)質(zhì)虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)和虛擬仿真教學(xué)模式應(yīng)用。
二、系統(tǒng)概述
細(xì)胞培養(yǎng)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)是生物科學(xué)專業(yè)學(xué)生必備的實(shí)驗(yàn)技能，是細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的標(biāo)志性實(shí)驗(yàn)之一。由于實(shí)驗(yàn)無菌條件要求及實(shí)驗(yàn)成本較高，部分實(shí)驗(yàn)過程涉及動(dòng)物解剖和瘤性細(xì)胞株等不確定因素，實(shí)驗(yàn)成功率和重復(fù)率較低，多數(shù)高校學(xué)生教學(xué)難以開設(shè)。依據(jù)學(xué)科創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃要求，建立動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)虛擬仿真項(xiàng)目是實(shí)現(xiàn)高校學(xué)生開設(shè)細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)切實(shí)可行的方案和路徑，通過虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息改革。該系統(tǒng)涉及的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法是由細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期教學(xué)實(shí)踐積累的成果，綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅\(yùn)用相關(guān)知識(shí)和技能，對(duì)儀器設(shè)備、操作
方法及實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行選取與設(shè)計(jì)并付諸實(shí)施的實(shí)驗(yàn)，它不是幾個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)單組合，而具有復(fù)合性、多樣性、綜合性，是培養(yǎng)學(xué)生綜合、系統(tǒng)、靈活運(yùn)用知識(shí)能力的重要手段，可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。
細(xì)胞培養(yǎng)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)包含資源學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)、動(dòng)物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)、考核等內(nèi)容。并提供后臺(tái)管理功能，包含管理員端和教師端，便于學(xué)校和教師對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行資源數(shù)據(jù)管理和教學(xué)過程管理。
?。ㄒ唬┫到y(tǒng)前臺(tái)
1、資源學(xué)習(xí)
此模塊包含概述、培養(yǎng)方法、操作方式、拓展知識(shí)等理論知識(shí)，通過文檔、圖片、視頻、三維模型等呈現(xiàn)方式，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所需具備的理論知識(shí)匯總，學(xué)生可通過資源學(xué)習(xí)模塊進(jìn)行動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的理論學(xué)習(xí)，從而更好的了解項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)操作流程、實(shí)驗(yàn)所使用的儀器等。
2、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備
此模塊包含器材準(zhǔn)備、試劑準(zhǔn)備、操作流程等內(nèi)容，使學(xué)生簡(jiǎn)介明了的學(xué)習(xí)動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的重要設(shè)備及流程，系統(tǒng)通過益智小游戲的方式進(jìn)行測(cè)評(píng)，學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理后可進(jìn)行小測(cè)試，提交后系統(tǒng)即時(shí)顯示答案，從而更好的查缺補(bǔ)漏。
3、動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)
此模塊包含細(xì)胞培養(yǎng)的準(zhǔn)備、原代細(xì)胞分離、細(xì)胞傳代技術(shù)、細(xì)胞凍存與復(fù)蘇等模塊，學(xué)生可進(jìn)行動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的全流程模擬操作，通過計(jì)算機(jī)將實(shí)驗(yàn)室和所需設(shè)備進(jìn)行三維還原，學(xué)生可不受設(shè)備、環(huán)境、動(dòng)物等實(shí)驗(yàn)條件限制，隨時(shí)進(jìn)行三維模擬仿真實(shí)驗(yàn)操作。
3.1細(xì)胞培養(yǎng)的準(zhǔn)備
此模塊包含泡酸、高壓蒸汽滅菌、過濾滅菌等內(nèi)容，學(xué)生可反復(fù)進(jìn)行三維實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景學(xué)習(xí)。
過濾滅菌包含配置DMEM溶液、配置PBS緩沖液、配置胰蛋白酶溶液、血清分離等實(shí)驗(yàn)步驟。通過虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行溶液配置，無需擔(dān)心反復(fù)實(shí)驗(yàn)而造成的損耗。使學(xué)生更好的掌握細(xì)胞培養(yǎng)的前期準(zhǔn)備工作，達(dá)到實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目液體比例配置的要求，從而確保整個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目成功。
3.2原代細(xì)胞分離
此模塊包含細(xì)胞凍存、細(xì)胞復(fù)蘇等內(nèi)容，學(xué)生可進(jìn)行三維實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景進(jìn)行處理小鼠、解剖、取胚胎、處理、剪碎、離心、培養(yǎng)等實(shí)驗(yàn)操作的學(xué)習(xí)，無需受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物所限制。
3.3細(xì)胞傳代技術(shù)
此模塊包含更衣、打開超凈工作臺(tái)、顯微觀察、水浴培養(yǎng)基、水浴PBS緩沖液、水浴胰蛋白酶、擦拭超凈工作臺(tái)、點(diǎn)燃酒精燈、置入培養(yǎng)基、置入PBS緩沖液、置入胰蛋白酶、拆開血清瓶封口膜、取細(xì)胞培養(yǎng)皿、吸去培養(yǎng)基、加PBS緩沖液、加胰蛋白酶、加新鮮的培養(yǎng)基吹打、分裝、標(biāo)記、顯微觀察等實(shí)驗(yàn)操作的學(xué)習(xí)，無需受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地所限制，學(xué)生可反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。
3.4細(xì)胞凍存與復(fù)蘇
細(xì)胞凍存模塊內(nèi)包含：更衣、打開超凈工作臺(tái)、顯微觀察、水浴培養(yǎng)基、水浴PBS緩沖液、水浴胰蛋白酶、擦拭超凈工作臺(tái)、點(diǎn)燃酒精燈、置入培養(yǎng)基、置入PBS緩沖液、置入胰蛋白酶、拆開血清瓶封口膜、配置凍存液、取細(xì)胞培養(yǎng)皿、吸去培養(yǎng)基、加PBS緩沖液、加胰蛋白酶、加新鮮的培養(yǎng)基吹打、離心、吸去培養(yǎng)基、加凍存液吹打、分裝、凍存、液氮罐保存等實(shí)驗(yàn)操作的學(xué)習(xí)，無需受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地所限制，學(xué)生可反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。
細(xì)胞復(fù)蘇模塊內(nèi)包含：更衣、打開超凈工作臺(tái)、水浴培養(yǎng)基、擦拭超凈工作臺(tái)、點(diǎn)燃酒精燈、置入培養(yǎng)基、拆開血清瓶封口膜、取細(xì)胞、水浴、吸取溶液至離心管、加入培養(yǎng)基、一次離心、棄上清液、加培養(yǎng)基、二次離心、棄上清液、加培養(yǎng)基吹打、分裝、標(biāo)記、顯微觀察、培養(yǎng)箱孵育、整理器材等實(shí)驗(yàn)操作的學(xué)習(xí)，無需受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地所限制，學(xué)生可反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。
細(xì)胞復(fù)蘇模塊內(nèi)包含：更衣、打開超凈工作臺(tái)、水浴培養(yǎng)基、擦拭超凈工作臺(tái)、點(diǎn)燃酒精燈、置入培養(yǎng)基、拆開血清瓶封口膜、取細(xì)胞、水浴、吸取溶液至離心管、加入培養(yǎng)基、一次離心、棄上清液、加培養(yǎng)基、二次離心、棄上清液、加培養(yǎng)基吹打、分裝、標(biāo)記、顯微觀察、培養(yǎng)箱孵育、整理器材等實(shí)驗(yàn)操作的學(xué)習(xí)，無需受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地所限制，學(xué)生可反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。
4、動(dòng)物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)
此模塊包含細(xì)胞復(fù)蘇、細(xì)胞種子擴(kuò)增培養(yǎng)、收集上清、發(fā)酵罐的安裝、發(fā)酵罐的滅菌、細(xì)胞種子收集、發(fā)酵罐培養(yǎng)前的設(shè)定、發(fā)酵罐接入培養(yǎng)基、發(fā)酵罐的接種、含血清培養(yǎng)和無菌取樣等細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)流程，學(xué)生可通過此模塊進(jìn)行大規(guī)模培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)方法學(xué)習(xí)。
5、考核
此模塊包含理論考核、實(shí)操考核、實(shí)操考核（大規(guī)模）等功能。
理論考核包含單選題、多選題、判斷題等題型，教師可在后臺(tái)自行添加、修改、刪除等。
實(shí)操考核包含動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)、動(dòng)物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)兩種培養(yǎng)的實(shí)操考核，學(xué)生進(jìn)行模擬實(shí)訓(xùn)操作，系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)分，學(xué)生可自行查看考試結(jié)果。
?。ǘ┫到y(tǒng)后臺(tái)
系統(tǒng)提供后臺(tái)管理功能，包含管理員端和教師端。管理員賬號(hào)可以進(jìn)行學(xué)院架構(gòu)管理集教師賬號(hào)管理。教師賬號(hào)可以進(jìn)行學(xué)生管理、題庫(kù)管理、試卷管理、統(tǒng)計(jì)分析（學(xué)生、試卷、試題）等，根據(jù)每個(gè)教師的教學(xué)需求，進(jìn)行個(gè)性化刪減增加編輯新建等功能。
三、系統(tǒng)配置
教師機(jī)配置要求：
操作系統(tǒng)：win7旗艦版/windows server 2008及以上64位
處理器：Inter(R) Core(TM) i5 CPU @ 2GHZ及以上
顯卡：GeForce GTX660（2G顯存）及以上
硬盤: 空閑50GB及以上
內(nèi)存: 8GB 及以上
驅(qū)動(dòng)程序：DirectX 11
學(xué)生機(jī)配置要求：
操作系統(tǒng)：Windows 7及以上64位
處理器：Inter(R) Core(TM) i5 CPU @ 2GHZ及以上
顯卡：GeForce GTX660（2G顯存）及以上
硬盤: 空閑50GB及以上
內(nèi)存: 8GB 及以上
驅(qū)動(dòng)程序：DirectX 11
