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No.11,2021SumNo.527
海马脑片CA1区锥体神经元的突触可塑性虚拟仿真
实验教学
查盈盈
徐爱萍
郑
超
张环环
汪萌芽
安徽·芜湖
241002）
（皖南医学院人文与管理学院生理学与神经生物学教研室
中图分类号：G642.423
文献标识码：A
DOI：10.16871/j.cnki.kjwhb.2021.04.050
摘要虚拟仿真技术优点卓越，具有极其广阔的应用前仿真技术逐渐扩展到民用领域，被称为继数学逻辑推理和科学实验研究之后了解世界的第三种方法[1]。而从20世纪80年代至今，借助计算机技术的发展，虚拟仿真技术已经大范围地应用于电子产品设计、仪器制造、仿真训练等人类生产生活的各个方面，成为人类了解、改变和创新自然客观规律的一项通用性技术[2-3]。
虚拟仿真技术的最大特点和优点是使用者可以进行交互，即人类通过语言和行为控制虚拟环境，而虚拟环境同步对人的操作予以实时反馈。因此，将虚拟仿真技术融入实验教学可以解决高危险、高成本和高污染难题，突破实验教学对客观条件的依赖性，完成课堂难以完成的实验项目。
与常见的知识表现形式（文字、图片、视频）相比，虚拟仿真实验教学技术借助形象逼真的表现形式，发挥其虚拟优势，让抽象枯燥的实验教学过程立体直观地演示出来。虚拟仿真互动作为提高课堂教学效果的有效手段，在增强趣味性和新颖性的同时，能最大限度地引发学生的自主实验兴趣[4]。
传统的线下教学受地域条件、设备数量等限制，服务人群相对较少，而虚拟仿真实验教学技术具有利用率高、重复性好、易维护、操作简便等优势，其应用范围越来越广泛，已被广泛应用于各大院校和科研院所的教学及科研工作中[4]。
景，现如今其已经越来越多地应用于现代教学。该文主要以海马脑片CA1区锥体神经元的突触可塑性实验为切入点，对虚拟仿真实验教学技术在教学中的应用进行了深入研究，以期为今后虚拟仿真技术在教学领域的发展提供一定的指导和帮助。关键词
虚拟仿真技术；实验教学；海马脑片CA1区锥体神
经元的突触可塑性
VirtualSimulationTechnologyaboutSynapticPlasticityinHippocampalCA1PyramidalNeurons//ZHAYingying,XUAiping,ZHENGChao,ZHANGHuanhuan,WANGMengyaAbstractVirtualsimulationtechnologyhasoutstandingadvan‐tagesandbroadappliedprospects.Nowadays,ithasbeenwidelyusedinmodernteaching.Inthispaper,theexperimentofsyn‐apticplasticityinrathippocampalCA1pyramidalneuronshasbeentakenasabreakthroughpoint,andtheapplicationre‐searchofvirtualsimulationtechnologyintheexperimentalteachinghasbeencarriedoutindepth.Itprovidessomeguid‐anceandreferenceforthedevelopmentofvirtualsimulationtechnologyinexperimentalteachinginthefuture.
Keywordsvirtualsimulationtechnology;experimentalteaching;synapticplasticityinhippocampalCA1pyramidalneurons
1虚拟仿真技术
虚拟仿真技术是利用计算机技术生成三维动态实景，对物质结构、系统功能和动物行为，甚至人的动态思维过程进行逼真的模仿。从20世纪40年代开始，伴随着计算机技术的发展和繁荣，逐步形成了此项新技术，且该技术早先只应用于军事领域，如应用在阿波罗登月计划、洲际导弹研制、核电站运行等方面[1]。从20世纪70年代中期开始，虚拟
2虚拟仿真实验教学项目
根据中华人民共和国教育部于2018年5月30日发布的《教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》（教高函〔2018〕5号），为学习贯彻党的十九大精神，为适应经济社会快速发展对人才培养的新要求，深化计算机技术与实验教学的进一步融合，相关部门决定开展和建设示范性国家虚拟仿真实验教学项目工作。
基金项目：本文接受安徽省质量工程项目（编号：2018xfsyxm053，2018jyssf103，2017kfk054，2017jyxm0263，2016sxzx051，2016msgzs076）的资助和支持。
作者简介：查盈盈（1988—），女，助教，博士，主要研究方向为神经生物学和生理学教学。
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虚拟仿真实验教学项目旨在推动高校积极探寻和创新线上线下混合式的实验教学新模式，提高学生的实践能力和创新精神，共享优质实验教学资源，建设信息化实验教学资源，形成专业总体布局与结构合理、教学效果评价成效优良、开放协同共享优化有效的高等教育信息化智能化个性化实验教学项目新模式和新体系。
根据高校开展实验教学的建设要求，示范性虚拟仿真实验教学项目应具有以学生为中心的实验教学理念、正确适合的教学内容、创新有效的教学方法、先进开放的研发技术、稳定安全的运行模式、敬业专注的教学队伍、持续改进的评价体系和显著示范的教学效果。
足更多更广用户的同时访问需求，并加强网络管理力度，以便更安全地使用该虚拟仿真项目。
虚拟仿真实验教学项目的特色之二在于，面向高校推广应用和面向社会开放服务。包括：（1）虽然海马脑片CA1区锥体神经元的突触可塑性虚拟仿真实验设计是针对适用专业的本科生进行实验课教学，但是该虚拟实验也可以运用到本校其他专业的本科生和研究生的科研思维培训中。根据学生使用反馈以及教学效果评估，将该仿真实验项目拓展到本校其他专业的课程和项目教学中。（2）通过一段时间的实践教学后，能与兄弟院校进行思路、成果和经验的资源共享，从而进行教学应用推广以及面向社会推广和持续开放服务。在课程实施一年后，面对其他高校开放教学效果以及具体案例报告，保证数据库完整，案例实验过程具备可复制性。此外，通过实验报告分析的深度、知识点的掌握程度，对校外学生进行考核，允许校外学生进行探究式研究或学习。
3海马脑片CA1区锥体神经元的突触可塑性虚拟仿真实验
突触形态和功能可发生较为持久改变的特性或现象，特别是突触传递效能的长时程增强（Long-termpotenti‐ation，LTP）和长时程抑制（Long-termdepression，LTD），是公认的学习记忆活动的细胞分子学基础[5]。利用神经细胞电生理细胞内记录技术对海马脑片CA1区锥体神经元进行细胞穿刺，记录突触传递活动，并观察其在强直电刺激后的变化，对其传递效能的改变进行分析，是研究学习和记忆能力的重要实验方法。但是由于设备价格昂贵、使用环境要求高、操作技术难度大、学生人数众多等原因，学校不能很好地进行该实验课程的开展，学生对该实验的学习只停留在书本理论知识的阐述和教师示教的模糊印象上。没有亲身参与实验操作和熟悉整体实验流程，是无法真正掌握海马脑片神经元细胞内记录技术及其在学习和记忆中的意义的。因此，我们设计了基于海马脑片CA1区锥体神经元的突触可塑性记录的仿真操作虚拟实验系统，让学生用电脑进行有关海马脑片神经元细胞内记录技术的实验操作，为学生提供了一个仿真操作实验平台，有助于学生联系书本理论知识，取得更好的学习效果。
海马脑片CA1区锥体神经元的突触可塑性虚拟仿真实验的设计，除了有实验原理和实验仪器的简介、实验操作步骤的详细视频教学以及虚拟仿真课后的在线测试之外，学生还能进行自主探索式的实验设计和观察实验结果变化，同时，系统还有在线提问和在线答疑的功能。总之，此虚拟仿真实验项目通过层层推进，让学生在掌握书本知识和实践技能的基础上，提出新的实验问题并针对问题设计实验，在探索解决问题的过程中，提高了学生对实践教学的学习兴趣，有效地提升了学生的科研创新能力和实践动手能力。
5结论
虚拟仿真教学技术具有自然交互、丰富有趣味、操作简便、重复利用等特色优势，因而在教学领域中存在极其广阔的应用前景，逐渐受到教育工作者的青睐[6]。
海马脑片CA1区锥体神经元的突触可塑性实验存在大量海马脑片制备困难、实验操作不可重复性、仪器设备贵重精密、学生人数众多等问题，非常适合于虚拟仿真教学技术。采用虚拟仿真实验方式，在巩固理论知识的同时，能够使学生掌握海马脑片神经元细胞内记录技术，将理论与实践相结合，提高学生的学习兴趣和学习效率。
参考文献
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potentiation
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the
hippocampus[J].
4虚拟仿真实验教学项目持续建设服务计划
虚拟仿真实验教学项目的特色之一在于，在初步完成实验的基础上仍要保障持续建设与更新。包括：（1）实验内容持续建设与更新，不断更新和细化海马脑片神经元细胞内记录方法的操作步骤，增加功能设计，满足教师用户和学生用户对于创新型实验的设计需求。鼓励学生在参与实验室训练的基础上，对本系统的使用情况进行反馈，根据反馈意见不断更新完善现有的教学项目。（2）实验平台持续建设与更新，不断建设和增强数据平台的稳定性和共享性，以满
Nature,1993,361(6407):31-39.
[6]鲍美英,马礼.虚拟现实技术在教学中的应用[J].科技情报开
发与经济,2006.16(17):248-249.
编辑江嫣萍
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