微生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

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摘要：隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中越來(lái)越受到歡迎。文章通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析，重點(diǎn)闡述了微生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的構(gòu)建理念、擬構(gòu)建3模塊9單元的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的幾點(diǎn)思考。這種虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，可豐富教學(xué)手段，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在人才適應(yīng)發(fā)展與創(chuàng)新時(shí)代有著不可磨滅的作用。

關(guān)鍵詞：微生物學(xué)；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；教學(xué)模式；構(gòu)建

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用狀況

現(xiàn)如今虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展在教育中被大規(guī)模的應(yīng)用，中國(guó)及外國(guó)的各位學(xué)者都做了許多工作。例如英國(guó)牛津大學(xué)的化學(xué)VL實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的IrYdium實(shí)驗(yàn)室、德國(guó)Ruhr大學(xué)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室等，他們共同之處在于都是具有可觀的交互性和高智能的虛擬環(huán)境。中國(guó)的很多學(xué)校都根據(jù)自己的需求建設(shè)了虛擬實(shí)驗(yàn)室，例如我們可以看到的同濟(jì)大學(xué)、西南交通大學(xué)等大學(xué)開(kāi)發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)室。還有中國(guó)科技大學(xué)的物理仿真實(shí)驗(yàn)軟件等[2]。截至2015年生物類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)已開(kāi)展11所。而從技術(shù)層面來(lái)看，大致有如下幾種技術(shù)與仿真實(shí)驗(yàn)的一一對(duì)應(yīng)。Flash———交互式仿真實(shí)驗(yàn)、VRML———虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)、QuicktimeVR技術(shù)、Java技術(shù)———仿真實(shí)驗(yàn)、Active技術(shù)———仿真實(shí)驗(yàn)等[3]。現(xiàn)在資料顯示使用Flash和VRML技術(shù)的產(chǎn)品占有大多數(shù)。這些虛擬實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品在多個(gè)方面意義重大，例如生物醫(yī)學(xué)、電工電子、建筑等。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)技術(shù)所支持的虛擬實(shí)驗(yàn)的機(jī)件上虛擬和重現(xiàn)真的實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的一種實(shí)驗(yàn)操作，相比于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，其有仿真性、參與性和安全性等特點(diǎn)[4]，可以解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中存在的實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、危險(xiǎn)系數(shù)高、受制于經(jīng)費(fèi)和倫理學(xué)、流失已久的實(shí)驗(yàn)技術(shù)、操作困難等難于實(shí)現(xiàn)的綜合性實(shí)驗(yàn)等問(wèn)題[5]。虛擬實(shí)驗(yàn)相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生有更加全面的訓(xùn)練，可激發(fā)學(xué)生興趣、提高學(xué)生創(chuàng)新能力。但是，當(dāng)下虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)大部分是學(xué)校、研究所或企業(yè)開(kāi)拓，試驗(yàn)功能較有力度。但是如果用于教育用途或者實(shí)驗(yàn)用途，平臺(tái)的針對(duì)性與專項(xiàng)性就不明顯，相結(jié)合的性能也不完美。也有部分研究針對(duì)課程體系和教育用途做出嘗試，但系統(tǒng)仍不夠全面。現(xiàn)在學(xué)科教學(xué)的虛擬平臺(tái)還沒(méi)有很好的整合，如學(xué)生的情感態(tài)度價(jià)值觀方面的教育以及在虛擬平臺(tái)中學(xué)生的合作方面還有許多問(wèn)題值得探索。

二、傳統(tǒng)微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題

微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是微生物學(xué)教學(xué)的不可缺少的環(huán)節(jié)，在微生物課程的理解和應(yīng)用有著重要的地位。但是現(xiàn)在多數(shù)微生物實(shí)驗(yàn)課程中只是現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中制作常見(jiàn)微生物的裝片，在顯微鏡下觀察細(xì)菌、真菌、放線菌等裝片很難了解微生物的豐富資源。尤其是一些由于環(huán)境條件所限制的極端微生物，甲烷古菌、耐酸微生物就是屬于此列等，受到實(shí)驗(yàn)對(duì)象本身的生長(zhǎng)周期、培養(yǎng)條件和時(shí)間空摘要：隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中越來(lái)越受到歡迎。文章通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析，重點(diǎn)闡間等因素所限，很多內(nèi)容無(wú)法展開(kāi)實(shí)驗(yàn)研究無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬進(jìn)行[4]；再者，研究致病菌的安全性問(wèn)題也不同忽視，這一類實(shí)驗(yàn)操作都有較高的要求，一般微生物實(shí)驗(yàn)中，涉及到此類菌株的教學(xué)均為理論，還未有條件展開(kāi)實(shí)際操作；另外，還有一部分綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)需要各學(xué)科實(shí)驗(yàn)設(shè)備的共同完成，如有些微生物生長(zhǎng)條件特殊，會(huì)受到生長(zhǎng)周期和環(huán)境的影響，學(xué)生沒(méi)有充足的實(shí)驗(yàn)條件無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。無(wú)法提高學(xué)生的實(shí)踐能力，對(duì)于分析及解決問(wèn)題的能力也有所影響。這些導(dǎo)致不能滿足學(xué)生掌握新技術(shù)、學(xué)習(xí)新方法的要求，極大的影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，動(dòng)手能力，也影響了學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的探索欲望。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的構(gòu)建理念

建設(shè)好的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的前提是對(duì)平臺(tái)的遠(yuǎn)瞻性以及對(duì)它的定位。微生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)指導(dǎo)思想:“合理規(guī)劃、重點(diǎn)突出、資源共享、提高效益、持續(xù)發(fā)展”[3]，提高、鞏固與發(fā)展實(shí)驗(yàn)具體操作條件是建設(shè)的根本目的。在試驗(yàn)教學(xué)中大力進(jìn)行改革，使實(shí)驗(yàn)手段與教學(xué)手段都有所創(chuàng)新，將實(shí)際教學(xué)條件與虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)合。培養(yǎng)微生物學(xué)科中的高精尖人才。以基本知識(shí)為前提以仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為教學(xué)手段，采用虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式，真實(shí)的突出微生物學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)。以實(shí)際實(shí)驗(yàn)無(wú)法展開(kāi)的實(shí)驗(yàn)為基本內(nèi)容，開(kāi)展前沿實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的學(xué)習(xí)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是在以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、虛擬試驗(yàn)教學(xué)資源為內(nèi)容、平臺(tái)程序?yàn)檩d體，網(wǎng)絡(luò)資源真正達(dá)到共享。是學(xué)生隨時(shí)隨地在線學(xué)習(xí)，自主安排實(shí)驗(yàn)、自主完成實(shí)驗(yàn)課程[6]，這既提高教師的教學(xué)效率，也使學(xué)生的學(xué)習(xí)效率提高。互聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)了教師教學(xué)也推動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力的提高，體現(xiàn)了實(shí)體實(shí)驗(yàn)在提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力方面的核心作用[7]。

四、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式擬構(gòu)建內(nèi)容

為了使傳統(tǒng)教學(xué)更好地發(fā)展，正值我校教學(xué)改革全面深化、校優(yōu)質(zhì)課程“微生物學(xué)”的全面建設(shè)和發(fā)展的時(shí)候，我們擬應(yīng)用微生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，形成認(rèn)識(shí)（形態(tài)觀察與鑒定）、培養(yǎng)（發(fā)酵條件優(yōu)化與選育）和應(yīng)用（功能菌篩選與功能成分提取）3個(gè)模塊、涵蓋9個(gè)主題的較為完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系，既體現(xiàn)了內(nèi)容的循序漸進(jìn)性、完整性，又使多學(xué)科得以融合和交叉[8]。本系統(tǒng)將為我校食品與生命科學(xué)各專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)“微生物學(xué)”課程的重要學(xué)習(xí)平臺(tái)。

（一）微生物學(xué)的認(rèn)識(shí)模塊

微生物學(xué)認(rèn)識(shí)模塊的虛擬仿真試驗(yàn)將建立常見(jiàn)微生物、極端微生物、病原微生物等的數(shù)字切片系統(tǒng)，將利用該中心的顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室，結(jié)合控制與掃描軟件，把重要資源微生物的代表種類生成全視野的數(shù)字化切片庫(kù)。這些虛擬數(shù)字切片系統(tǒng)可以為學(xué)生提供觀察微生物大小、形態(tài)、運(yùn)動(dòng)特質(zhì)等，還能測(cè)量微生物大小、模擬染色過(guò)程、添加瀏覽標(biāo)簽等操作，更重要的是學(xué)生還可以自己添加數(shù)字切片，進(jìn)行網(wǎng)上小組會(huì)議討論等活動(dòng)，通過(guò)虛擬在線三維外觀形態(tài)特征，并借助儲(chǔ)存的微生物分類材料可以更全面的了解微生物的種類以及他們各自的形態(tài)特點(diǎn)；學(xué)生可以更深刻的理解和掌握基礎(chǔ)知識(shí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)理解能力。為學(xué)生深入進(jìn)行微生物研究打下基礎(chǔ)。

（二）微生物學(xué)的培養(yǎng)模塊

微生物培養(yǎng)模塊擬進(jìn)行微生物生長(zhǎng)規(guī)律的虛擬仿真試驗(yàn)，具體包括繪制生長(zhǎng)曲線、發(fā)酵條件優(yōu)化和誘變育種等試驗(yàn)的虛擬仿真操作系統(tǒng)，用計(jì)算機(jī)模擬微生物生長(zhǎng)，學(xué)生可以真實(shí)的看見(jiàn)微生物生長(zhǎng)的每個(gè)階段，提高實(shí)體觀察效果；該仿真系統(tǒng)中具有非常鮮活的模擬現(xiàn)場(chǎng)，具有精細(xì)的單元流程，包括對(duì)菌種展現(xiàn)出其重要內(nèi)容，滅菌步驟、培養(yǎng)基的配制、無(wú)菌操作、菌落總數(shù)的測(cè)定、誘變選擇、突變株遺傳穩(wěn)定性檢測(cè)等，學(xué)生可以自己設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件如溫度、PH等，在這些條件下學(xué)生可以通過(guò)改變它們來(lái)觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不同，不僅快速且準(zhǔn)確。

（三）微生物的應(yīng)用模塊

微生物學(xué)分為微生物學(xué)基礎(chǔ)和微生物學(xué)應(yīng)用兩大板塊，在微生物應(yīng)用這一方向上我們也要努力結(jié)合實(shí)際。結(jié)合各方農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、污水處理等相關(guān)方向的科研成果，將引進(jìn)產(chǎn)淀粉酶菌的發(fā)酵調(diào)控、白酒大曲中功能微生物篩選、生物膜法污水處理工藝等應(yīng)用微生物學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊。這些模塊模仿真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，將虛擬與實(shí)驗(yàn)完美的結(jié)合起來(lái)，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下進(jìn)行操作，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)步驟的演練。通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)苁箤W(xué)生更準(zhǔn)確的完成實(shí)驗(yàn)并得到結(jié)果，避免了因?qū)嶒?yàn)操作生疏使實(shí)驗(yàn)失敗。更好地分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果且能培養(yǎng)學(xué)生得出結(jié)論的能力，誘導(dǎo)其創(chuàng)造性思維這樣可以彌補(bǔ)因場(chǎng)地、課時(shí)、師資等條件限制，突破傳統(tǒng)教學(xué)手段，推動(dòng)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革。另外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可用來(lái)承擔(dān)安全性低但必需要開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)。例如在使用滅菌鍋的時(shí)候需要格外小心，當(dāng)初次使用可能會(huì)因操作不當(dāng)造成安全隱患。學(xué)生可先通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行操作，預(yù)習(xí)怎樣安全使用試驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)行操作訓(xùn)練以避免發(fā)生不必要的問(wèn)題。培養(yǎng)學(xué)生的安全意識(shí)。且在危險(xiǎn)藥劑的處理過(guò)程中也有安全隱患，如藥品處理不當(dāng)也會(huì)引起可以通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行預(yù)操作，還可以通過(guò)平臺(tái)來(lái)模擬發(fā)生實(shí)驗(yàn)事故時(shí)該如何處理，提高學(xué)生的突發(fā)事故處理能力以及在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中防范的能力[6]。

五、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的幾點(diǎn)思考

虛擬仿真試驗(yàn)平臺(tái)作為一種新生事物，新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用給教育界帶來(lái)的積極推動(dòng)作用是毋庸置疑的，虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的真實(shí)和實(shí)驗(yàn)對(duì)象的真實(shí)是對(duì)因各種條件不足而無(wú)法進(jìn)行的實(shí)體實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充。可以彌補(bǔ)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的一些如空間局限，成本高，環(huán)境污染等造成的問(wèn)題。且學(xué)生可以根據(jù)自己的時(shí)間和興趣靈活安排實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。可以培養(yǎng)學(xué)生自身的實(shí)踐創(chuàng)新能力，引導(dǎo)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)，探索科學(xué)。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以改善學(xué)生對(duì)上課的積極性，很大程度上提高了發(fā)學(xué)生的汲取知識(shí)的能力。但虛擬實(shí)驗(yàn)會(huì)在與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)操作中有一定的差異。如果要合理有效使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還需要思考以下幾點(diǎn)：

（一）關(guān)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的關(guān)鍵點(diǎn)

就虛擬實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，它的重點(diǎn)更加偏向于學(xué)生對(duì)概念的理解、對(duì)原理的掌握、以及分析解決問(wèn)題。而對(duì)規(guī)范技能的要求則不那么突出。從建構(gòu)主義理論的角度來(lái)看，更加重視學(xué)生主動(dòng)參與，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的動(dòng)手能力，使學(xué)生學(xué)會(huì)將知識(shí)與已有知識(shí)聯(lián)系起來(lái)，構(gòu)建一個(gè)新的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，更好地內(nèi)化知識(shí)，從而更深刻的理解與掌握。故而平臺(tái)的構(gòu)建更加側(cè)重于內(nèi)容的系統(tǒng)性和全面性。教師也要定期的維護(hù)平臺(tái)，以及實(shí)時(shí)更新平臺(tái)內(nèi)容。學(xué)生更是平臺(tái)的主要成員，要學(xué)會(huì)知識(shí)與實(shí)際相結(jié)合，將操作的東西變?yōu)樽约旱摹?/p>

（二）關(guān)于虛擬仿真平臺(tái)的管理和評(píng)價(jià)系統(tǒng)

虛擬仿真平臺(tái)的管理是非常重要的內(nèi)容，嚴(yán)格科學(xué)有效的管理制度不僅可以建設(shè)文明的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，也可以提高實(shí)驗(yàn)效率。因此，制度建設(shè)需要從各個(gè)方面進(jìn)行建立。教師通過(guò)中心進(jìn)行難點(diǎn)答疑和實(shí)驗(yàn)結(jié)果批閱，學(xué)生可以通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)中心交流心得體會(huì)，并要求答疑和批閱制度化[10]。虛擬仿真平臺(tái)真正運(yùn)行后，評(píng)價(jià)方式分為系統(tǒng)評(píng)價(jià)、教師評(píng)價(jià)和學(xué)生互評(píng)。系統(tǒng)評(píng)價(jià)包括實(shí)驗(yàn)報(bào)告系統(tǒng)、作業(yè)系統(tǒng)、在線考試、在線論壇等[9]。老師就評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)給出評(píng)價(jià)意見(jiàn)。學(xué)生根據(jù)上課內(nèi)容寫出實(shí)時(shí)課堂報(bào)告，報(bào)告包括預(yù)習(xí)報(bào)告、課后作業(yè)兩部分。老師使用教學(xué)評(píng)價(jià)系統(tǒng)查看報(bào)告和給予評(píng)價(jià)。在一個(gè)課程完成時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)課程內(nèi)容給出一套教學(xué)試卷，學(xué)生需要登陸系統(tǒng)完成考試并由教師給出分?jǐn)?shù)。系統(tǒng)會(huì)按比例給出最后分?jǐn)?shù)作為學(xué)生的綜合考核。

（三）基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教師團(tuán)隊(duì)的建設(shè)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)加入后，不再是單一的課件教學(xué)或者小組討論。加入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的課堂需要更高技術(shù)的專業(yè)教師團(tuán)隊(duì)，才能讓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)發(fā)揮最大的作用。教師在運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)要進(jìn)行專業(yè)技術(shù)的培訓(xùn)。整合校內(nèi)校外的優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)資源和教師資源，增強(qiáng)教師的實(shí)驗(yàn)操作水平。教師的高實(shí)驗(yàn)操作水平是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的基礎(chǔ)。學(xué)科帶頭教師常在各教學(xué)組展開(kāi)學(xué)術(shù)討論，邀請(qǐng)校內(nèi)外的知名專家開(kāi)設(shè)學(xué)術(shù)講座，帶動(dòng)整個(gè)教師隊(duì)伍的學(xué)術(shù)水平。也可進(jìn)行教師獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)室專職教師崗位，進(jìn)行崗前培訓(xùn)，針對(duì)上崗。也可將教學(xué)與科研相結(jié)合，用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與科研掛鉤，鼓勵(lì)更多人群加入到平臺(tái)建設(shè)中來(lái)。

六、結(jié)束語(yǔ)

信息技術(shù)是現(xiàn)代信息發(fā)展的主流，新一代技術(shù)的快速發(fā)展也促進(jìn)了教育的發(fā)展，隨著虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的興起，未來(lái)教室也逐漸進(jìn)入到人們的視野，這種融合創(chuàng)新教育、先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，注重高度的交互性、開(kāi)放性、啟發(fā)性和自然、靈活、安全、高效的人性化設(shè)計(jì)，進(jìn)而為學(xué)生的學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)提供良好的環(huán)境。總之，信息技術(shù)的發(fā)展豐富了教學(xué)體系的資源，實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的發(fā)展更是給實(shí)驗(yàn)技術(shù)帶來(lái)了革新。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)突破了時(shí)間、地域、溫度等限制，極大程度的讓學(xué)生有充足的實(shí)驗(yàn)條件，教學(xué)及實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)從教師為主體轉(zhuǎn)換成學(xué)生為主體，其作為理論課程的補(bǔ)充，在實(shí)踐教學(xué)中有著顯著優(yōu)勢(shì)和良好的應(yīng)用前景。

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作者：王思宇 徐建國(guó) 張麗紅 胡青平 單位：山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院