細胞培養虛擬仿真教學系統
一、開發目的
細胞生物學是生物醫學研究特別活躍的前沿學科之一，“細胞生物學”已成為生物學、醫學、畜牧、水產等專業的基礎必修課程，為突出其實驗教學的重要性和地位，大多數院校已獨立設置實驗課，不僅訓練學生實驗技能與動手能力，更重要的是通過實踐教學培養學生對理論知識的理解，激發學生探索細胞結構、功能及生命現象的興趣，培養鍛煉學生創新精神和實踐創新能力。
隨著互聯網、物聯網、云計算、智能手機等信息技術的快速發展，學生學習習慣和方式發生很大變化，以慕課、翻轉課堂為代表的現代教學模式正沖擊傳統教學模式，從傳授知識為主的傳統教學模式向創新型人才培養模式轉變。虛擬仿真實驗教學依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫及網絡通訊等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，可以使學生沉浸在虛擬環境中自主進行實驗，是一種有利于實現資源共享、全新開放、信息化的教學模式，它已成為當前教學改革發展的一個熱點。為順應教育信息化發展大潮，推動“細胞生物學”實驗課程教學改革，構建綜合設計性細胞培養虛擬仿真實驗項目，作為學生實體實驗的預習和學生課余自主學習的數字化資源。該系統將突破當前虛擬仿真項目順序執行結構，有助于優質虛擬仿真教學資源建設和虛擬仿真教學模式應用。
二、系統概述
細胞培養虛擬仿真教學系統是生物科學專業學生必備的實驗技能，是細胞生物學實驗的標志性實驗之一。由于實驗無菌條件要求及實驗成本較高，部分實驗過程涉及動物解剖和瘤性細胞株等不確定因素，實驗成功率和重復率較低，多數高校學生教學難以開設。依據學科創新人才培養計劃要求，建立動物細胞培養虛擬仿真項目是實現高校學生開設細胞生物學實驗切實可行的方案和路徑，通過虛擬仿真技術進行生物學實驗教學信息改革。該系統涉及的實驗設計及方法是由細胞生物學實驗室長期教學實踐積累的成果，綜合設計實驗，根據實驗目的和要求，運用相關知識和技能，對儀器設備、操作
方法及實驗步驟進行選取與設計并付諸實施的實驗，它不是幾個驗證性實驗的簡單組合，而具有復合性、多樣性、綜合性，是培養學生綜合、系統、靈活運用知識能力的重要手段，可激發學生學習主觀能動性，培養學生創新意識、創新思維和創新能力。
細胞培養虛擬仿真教學系統包含資源學習、實驗準備、動物細胞培養、動物細胞大規模培養、考核等內容。并提供后臺管理功能，包含管理員端和教師端，便于學校和教師對軟件系統進行資源數據管理和教學過程管理。
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1、資源學習
此模塊包含概述、培養方法、操作方式、拓展知識等理論知識，通過文檔、圖片、視頻、三維模型等呈現方式，進行實驗項目所需具備的理論知識匯總，學生可通過資源學習模塊進行動物細胞培養實驗項目的理論學習，從而更好的了解項目的實驗目的，實驗方法、實驗操作流程、實驗所使用的儀器等。
2、實驗準備
此模塊包含器材準備、試劑準備、操作流程等內容，使學生簡介明了的學習動物細胞培養實驗的重要設備及流程，系統通過益智小游戲的方式進行測評，學生學習實驗原理后可進行小測試，提交后系統即時顯示答案，從而更好的查缺補漏。
3、動物細胞培養
此模塊包含細胞培養的準備、原代細胞分離、細胞傳代技術、細胞凍存與復蘇等模塊，學生可進行動物細胞培養實驗的全流程模擬操作，通過計算機將實驗室和所需設備進行三維還原，學生可不受設備、環境、動物等實驗條件限制，隨時進行三維模擬仿真實驗操作。
3.1細胞培養的準備
此模塊包含泡酸、高壓蒸汽滅菌、過濾滅菌等內容，學生可反復進行三維實驗場景學習。
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、血清分離等實驗步驟。通過虛擬仿真技術進行溶液配置，無需擔心反復實驗而造成的損耗。使學生更好的掌握細胞培養的前期準備工作，達到實驗項目液體比例配置的要求，從而確保整個實驗項目成功。
3.2原代細胞分離
此模塊包含細胞凍存、細胞復蘇等內容，學生可進行三維實驗場景進行處理小鼠、解剖、取胚胎、處理、剪碎、離心、培養等實驗操作的學習，無需受實驗場地、實驗環境、實驗動物所限制。
3.3細胞傳代技術
此模塊包含更衣、打開超凈工作臺、顯微觀察、水浴培養基、水浴PBS緩沖液、水浴胰蛋白酶、擦拭超凈工作臺、點燃酒精燈、置入培養基、置入PBS緩沖液、置入胰蛋白酶、拆開血清瓶封口膜、取細胞培養皿、吸去培養基、加PBS緩沖液、加胰蛋白酶、加新鮮的培養基吹打、分裝、標記、顯微觀察等實驗操作的學習，無需受實驗場地所限制，學生可反復進行實驗操作。
3.4細胞凍存與復蘇
細胞凍存模塊內包含：更衣、打開超凈工作臺、顯微觀察、水浴培養基、水浴PBS緩沖液、水浴胰蛋白酶、擦拭超凈工作臺、點燃酒精燈、置入培養基、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、取細胞培養皿、吸去培養基、加PBS緩沖液、加胰蛋白酶、加新鮮的培養基吹打、離心、吸去培養基、加凍存液吹打、分裝、凍存、液氮罐保存等實驗操作的學習，無需受實驗場地所限制，學生可反復進行實驗操作。
細胞復蘇模塊內包含：更衣、打開超凈工作臺、水浴培養基、擦拭超凈工作臺、點燃酒精燈、置入培養基、拆開血清瓶封口膜、取細胞、水浴、吸取溶液至離心管、加入培養基、一次離心、棄上清液、加培養基、二次離心、棄上清液、加培養基吹打、分裝、標記、顯微觀察、培養箱孵育、整理器材等實驗操作的學習，無需受實驗場地所限制，學生可反復進行實驗操作。
細胞復蘇模塊內包含：更衣、打開超凈工作臺、水浴培養基、擦拭超凈工作臺、點燃酒精燈、置入培養基、拆開血清瓶封口膜、取細胞、水浴、吸取溶液至離心管、加入培養基、一次離心、棄上清液、加培養基、二次離心、棄上清液、加培養基吹打、分裝、標記、顯微觀察、培養箱孵育、整理器材等實驗操作的學習，無需受實驗場地所限制，學生可反復進行實驗操作。
4、動物細胞大規模培養
此模塊包含細胞復蘇、細胞種子擴增培養、收集上清、發酵罐的安裝、發酵罐的滅菌、細胞種子收集、發酵罐培養前的設定、發酵罐接入培養基、發酵罐的接種、含血清培養和無菌取樣等細胞大規模培養的實驗流程，學生可通過此模塊進行大規模培養的實驗方法學習。
5、考核
此模塊包含理論考核、實操考核、實操考核（大規模）等功能。
理論考核包含單選題、多選題、判斷題等題型，教師可在后臺自行添加、修改、刪除等。
實操考核包含動物細胞培養、動物細胞大規模培養兩種培養的實操考核，學生進行模擬實訓操作，系統自動評分，學生可自行查看考試結果。
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系統提供后臺管理功能，包含管理員端和教師端。管理員賬號可以進行學院架構管理集教師賬號管理。教師賬號可以進行學生管理、題庫管理、試卷管理、統計分析（學生、試卷、試題）等，根據每個教師的教學需求，進行個性化刪減增加編輯新建等功能。
三、系統配置
教師機配置要求：
操作系統：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
內存: 8GB 及以上
驅動程序：DirectX 11
學生機配置要求：
操作系統：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
內存: 8GB 及以上
驅動程序：DirectX 11
