微生物學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)模式

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摘要：隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真試驗在實驗教學(xué)中越來越受到歡迎。文章通過對傳統(tǒng)微生物學(xué)實驗教學(xué)現(xiàn)狀分析，重點闡述了微生物學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)模式的構(gòu)建理念、擬構(gòu)建3模塊9單元的實驗教學(xué)內(nèi)容、虛擬仿真實驗教學(xué)模式的幾點思考。這種虛實結(jié)合的實驗教學(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)新時代有著不可磨滅的作用。

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

一、虛擬仿真實驗平臺應(yīng)用狀況

現(xiàn)如今虛擬實驗平臺技術(shù)的發(fā)展在教育中被大規(guī)模的應(yīng)用，中國及外國的各位學(xué)者都做了許多工作。例如英國牛津大學(xué)的化學(xué)VL實驗室、美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的IrYdium實驗室、德國Ruhr大學(xué)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室等，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。中國的很多學(xué)校都根據(jù)自己的需求建設(shè)了虛擬實驗室，例如我們可以看到的同濟大學(xué)、西南交通大學(xué)等大學(xué)開發(fā)的虛擬實驗室。還有中國科技大學(xué)的物理仿真實驗軟件等[2]。截至2015年生物類虛擬仿真實驗已開展11所。而從技術(shù)層面來看，大致有如下幾種技術(shù)與仿真實驗的一一對應(yīng)。Flash———交互式仿真實驗、VRML———虛擬現(xiàn)實技術(shù)仿真實驗、QuicktimeVR技術(shù)、Java技術(shù)———仿真實驗、Active技術(shù)———仿真實驗等[3]?，F(xiàn)在資料顯示使用Flash和VRML技術(shù)的產(chǎn)品占有大多數(shù)。這些虛擬實驗產(chǎn)品在多個方面意義重大，例如生物醫(yī)學(xué)、電工電子、建筑等。虛擬仿真實驗是網(wǎng)絡(luò)和計算機技術(shù)所支持的虛擬實驗的機件上虛擬和重現(xiàn)真的實驗步驟和實驗內(nèi)容的一種實驗操作，相比于傳統(tǒng)實驗，其有仿真性、參與性和安全性等特點[4]，可以解決傳統(tǒng)實驗中存在的實驗時間長、危險系數(shù)高、受制于經(jīng)費和倫理學(xué)、流失已久的實驗技術(shù)、操作困難等難于實現(xiàn)的綜合性實驗等問題[5]。虛擬實驗相較于傳統(tǒng)實驗對學(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，當下虛擬實驗平臺大部分是學(xué)校、研究所或企業(yè)開拓，試驗功能較有力度。但是如果用于教育用途或者實驗用途，平臺的針對性與專項性就不明顯，相結(jié)合的性能也不完美。也有部分研究針對課程體系和教育用途做出嘗試，但系統(tǒng)仍不夠全面?，F(xiàn)在學(xué)科教學(xué)的虛擬平臺還沒有很好的整合，如學(xué)生的情感態(tài)度價值觀方面的教育以及在虛擬平臺中學(xué)生的合作方面還有許多問題值得探索。

二、傳統(tǒng)微生物實驗教學(xué)存在的問題

微生物學(xué)實驗教學(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)微生物實驗課程中只是現(xiàn)實實驗室環(huán)境中制作常見微生物的裝片，在顯微鏡下觀察細菌、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，受到實驗對象本身的生長周期、培養(yǎng)條件和時間空摘要：隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真試驗在實驗教學(xué)中越來越受到歡迎。文章通過對傳統(tǒng)微生物學(xué)實驗教學(xué)現(xiàn)狀分析，重點闡間等因素所限，很多內(nèi)容無法展開實驗研究無法通過實驗室模擬進行[4]；再者，研究致病菌的安全性問題也不同忽視，這一類實驗操作都有較高的要求，一般微生物實驗中，涉及到此類菌株的教學(xué)均為理論，還未有條件展開實際操作；另外，還有一部分綜合設(shè)計性實驗需要各學(xué)科實驗設(shè)備的共同完成，如有些微生物生長條件特殊，會受到生長周期和環(huán)境的影響，學(xué)生沒有充足的實驗條件無法進行實驗。無法提高學(xué)生的實踐能力，對于分析及解決問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，動手能力，也影響了學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的探索欲望。

三、虛擬仿真實驗教學(xué)模式的構(gòu)建理念

建設(shè)好的虛擬仿真實驗平臺的前提是對平臺的遠瞻性以及對它的定位。微生物學(xué)虛擬仿真實驗的建設(shè)指導(dǎo)思想:“合理規(guī)劃、重點突出、資源共享、提高效益、持續(xù)發(fā)展”[3]，提高、鞏固與發(fā)展實驗具體操作條件是建設(shè)的根本目的。在試驗教學(xué)中大力進行改革，使實驗手段與教學(xué)手段都有所創(chuàng)新，將實際教學(xué)條件與虛擬實驗平臺結(jié)合。培養(yǎng)微生物學(xué)科中的高精尖人才。以基本知識為前提以仿真實驗平臺為教學(xué)手段，采用虛實結(jié)合的教學(xué)模式，真實的突出微生物學(xué)的學(xué)科特點。以實際實驗無法展開的實驗為基本內(nèi)容，開展前沿實驗內(nèi)容的學(xué)習(xí)。虛擬仿真實驗平臺是在以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、虛擬試驗教學(xué)資源為內(nèi)容、平臺程序為載體，網(wǎng)絡(luò)資源真正達到共享。是學(xué)生隨時隨地在線學(xué)習(xí)，自主安排實驗、自主完成實驗課程[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?；ヂ?lián)網(wǎng)推動了教師教學(xué)也推動了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力的提高，體現(xiàn)了實體實驗在提高學(xué)生實踐創(chuàng)新能力方面的核心作用[7]。

四、虛擬仿真實驗教學(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)展的時候，我們擬應(yīng)用微生物學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，形成認識（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個模塊、涵蓋9個主題的較為完善的實驗教學(xué)新體系，既體現(xiàn)了內(nèi)容的循序漸進性、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。

（一）微生物學(xué)的認識模塊

微生物學(xué)認識模塊的虛擬仿真試驗將建立常見微生物、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)碼互動實驗室，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。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)、運動特質(zhì)等，還能測量微生物大小、模擬染色過程、添加瀏覽標簽等操作，更重要的是學(xué)生還可以自己添加數(shù)字切片，進行網(wǎng)上小組會議討論等活動，通過虛擬在線三維外觀形態(tài)特征，并借助儲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；學(xué)生可以更深刻的理解和掌握基礎(chǔ)知識，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)理解能力。為學(xué)生深入進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)模塊擬進行微生物生長規(guī)律的虛擬仿真試驗，具體包括繪制生長曲線、發(fā)酵條件優(yōu)化和誘變育種等試驗的虛擬仿真操作系統(tǒng)，用計算機模擬微生物生長，學(xué)生可以真實的看見微生物生長的每個階段，提高實體觀察效果；該仿真系統(tǒng)中具有非常鮮活的模擬現(xiàn)場，具有精細的單元流程，包括對菌種展現(xiàn)出其重要內(nèi)容，滅菌步驟、培養(yǎng)基的配制、無菌操作、菌落總數(shù)的測定、誘變選擇、突變株遺傳穩(wěn)定性檢測等，學(xué)生可以自己設(shè)定實驗條件如溫度、PH等，在這些條件下學(xué)生可以通過改變它們來觀察實驗結(jié)果的不同，不僅快速且準確。

（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)仿真實驗教學(xué)模塊。這些模塊模仿真實的實驗環(huán)境，將虛擬與實驗完美的結(jié)合起來，在虛擬仿真實驗平臺下進行操作，設(shè)計實驗方案，進行實驗步驟的演練。通過模擬實驗?zāi)苁箤W(xué)生更準確的完成實驗并得到結(jié)果，避免了因?qū)嶒灢僮魃枋箤嶒炇?。更好地分析實驗結(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因場地、課時、師資等條件限制，突破傳統(tǒng)教學(xué)手段，推動微生物學(xué)實驗教學(xué)的改革。另外，虛擬仿真實驗平臺可用來承擔(dān)安全性低但必需要開展的實驗。例如在使用滅菌鍋的時候需要格外小心，當初次使用可能會因操作不當造成安全隱患。學(xué)生可先通過虛擬仿真實驗平臺進行操作，預(yù)習(xí)怎樣安全使用試驗設(shè)備，進行操作訓(xùn)練以避免發(fā)生不必要的問題。培養(yǎng)學(xué)生的安全意識。且在危險藥劑的處理過程中也有安全隱患，如藥品處理不當也會引起可以通過虛擬仿真實驗來進行預(yù)操作，還可以通過平臺來模擬發(fā)生實驗事故時該如何處理，提高學(xué)生的突發(fā)事故處理能力以及在實際實驗中防范的能力[6]。

五、虛擬仿真實驗教學(xué)模式的幾點思考

虛擬仿真試驗平臺作為一種新生事物，新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用給教育界帶來的積極推動作用是毋庸置疑的，虛擬實驗環(huán)境的真實和實驗對象的真實是對因各種條件不足而無法進行的實體實驗的有效補充。可以彌補實體實驗的一些如空間局限，成本高，環(huán)境污染等造成的問題。且學(xué)生可以根據(jù)自己的時間和興趣靈活安排實驗活動?？梢耘囵B(yǎng)學(xué)生自身的實踐創(chuàng)新能力，引導(dǎo)學(xué)生自主實驗，探索科學(xué)。因此，虛擬仿真實驗平臺可以改善學(xué)生對上課的積極性，很大程度上提高了發(fā)學(xué)生的汲取知識的能力。但虛擬實驗會在與現(xiàn)實實驗操作中有一定的差異。如果要合理有效使用虛擬仿真實驗平臺還需要思考以下幾點：

（一）關(guān)于虛擬仿真實驗教學(xué)模式的關(guān)鍵點

就虛擬實驗來說，它的重點更加偏向于學(xué)生對概念的理解、對原理的掌握、以及分析解決問題。而對規(guī)范技能的要求則不那么突出。從建構(gòu)主義理論的角度來看，更加重視學(xué)生主動參與，強調(diào)學(xué)生的動手能力，使學(xué)生學(xué)會將知識與已有知識聯(lián)系起來，構(gòu)建一個新的知識網(wǎng)絡(luò)，更好地內(nèi)化知識，從而更深刻的理解與掌握。故而平臺的構(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平臺，以及實時更新平臺內(nèi)容。學(xué)生更是平臺的主要成員，要學(xué)會知識與實際相結(jié)合，將操作的東西變?yōu)樽约旱摹?/p>

（二）關(guān)于虛擬仿真平臺的管理和評價系統(tǒng)

虛擬仿真平臺的管理是非常重要的內(nèi)容，嚴格科學(xué)有效的管理制度不僅可以建設(shè)文明的實驗環(huán)境，也可以提高實驗效率。因此，制度建設(shè)需要從各個方面進行建立。教師通過中心進行難點答疑和實驗結(jié)果批閱，學(xué)生可以通過虛擬實驗中心交流心得體會，并要求答疑和批閱制度化[10]。虛擬仿真平臺真正運行后，評價方式分為系統(tǒng)評價、教師評價和學(xué)生互評。系統(tǒng)評價包括實驗報告系統(tǒng)、作業(yè)系統(tǒng)、在線考試、在線論壇等[9]。老師就評價標準給出評價意見。學(xué)生根據(jù)上課內(nèi)容寫出實時課堂報告，報告包括預(yù)習(xí)報告、課后作業(yè)兩部分。老師使用教學(xué)評價系統(tǒng)查看報告和給予評價。在一個課程完成時，系統(tǒng)會根據(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數(shù)。系統(tǒng)會按比例給出最后分數(shù)作為學(xué)生的綜合考核。

（三）基于虛擬仿真實驗教學(xué)的教師團隊的建設(shè)

虛擬仿真實驗平臺加入后，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)教師團隊，才能讓虛擬仿真實驗平臺發(fā)揮最大的作用。教師在運用虛擬仿真實驗平臺時要進行專業(yè)技術(shù)的培訓(xùn)。整合校內(nèi)校外的優(yōu)秀實驗資源和教師資源，增強教師的實驗操作水平。教師的高實驗操作水平是虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的基礎(chǔ)。學(xué)科帶頭教師常在各教學(xué)組展開學(xué)術(shù)討論，邀請校內(nèi)外的知名專家開設(shè)學(xué)術(shù)講座，帶動整個教師隊伍的學(xué)術(shù)水平。也可進行教師獎勵機制，開設(shè)實驗室專職教師崗位，進行崗前培訓(xùn)，針對上崗。也可將教學(xué)與科研相結(jié)合，用虛擬仿真實驗平臺與科研掛鉤，鼓勵更多人群加入到平臺建設(shè)中來。

六、結(jié)束語

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)展也促進了教育的發(fā)展，隨著虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的興起，未來教室也逐漸進入到人們的視野，這種融合創(chuàng)新教育、先進的科學(xué)技術(shù)，注重高度的交互性、開放性、啟發(fā)性和自然、靈活、安全、高效的人性化設(shè)計，進而為學(xué)生的學(xué)習(xí)、實驗提供良好的環(huán)境?？傊畔⒓夹g(shù)的發(fā)展豐富了教學(xué)體系的資源，實驗室技術(shù)的發(fā)展更是給實驗技術(shù)帶來了革新。虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)突破了時間、地域、溫度等限制，極大程度的讓學(xué)生有充足的實驗條件，教學(xué)及實驗重點從教師為主體轉(zhuǎn)換成學(xué)生為主體，其作為理論課程的補充，在實踐教學(xué)中有著顯著優(yōu)勢和良好的應(yīng)用前景。

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