微生物学虚拟仿真实验教学模式初构

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摘 要：随着信息技术的发展，虚拟仿真试验在实验教学中越来越受到欢迎。文章通过对传统微生物学实验教学现状分析，重点阐述了微生物学虚拟仿真实验教学模式的构建理念、拟构建3模块9单元的实验教学内容、虚拟仿真实验教学模式的几点思考。这种虚实结合的实验教学模式，可丰富教学手段，激发学生的学习兴趣，在人才适应发展与创新时代有着不可磨灭的作用。

关键词：微生物学；虚拟仿真实验；教学模式；构建

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）22-0104-03

Abstract： With the development of information technology， virtual simulation experiments are becoming more and more popular in experimental teaching. Based on the analysis of the present situation of traditional microbiology experiment teaching， this paper mainly expounds the construction idea of virtual simulation experiment teaching mode of microbiology， the experimental teaching content of three modules and nine units， and the thinking of virtual simulation experiment teaching mode. This experimental teaching mode of combining virtual with real can eich teaching means， stimulate students" interest in learning， and play an indelible role in adapting talents to the era of development and innovation.

Keywords： microorganism； virtual simulation experiment； teaching mode； construction

微生物學实验技术是生物学人才必须掌握的基本技能之一，也是现代生物工程技术的重要基础，因此，微生物学实验课程是高等学校生物学相关专业的重要基础实践课程之一[1]。目前，在教学与互联网的结合新潮中和互联网+的新时代背景下，互联网在实验教学中扮演着越来越重要的角色。将互联网融入到教学实验中，也是时代的重要课题。国内外多所高校已将虚拟仿真实验平台投入到教学实验中，并见初效。国家教育部也着眼于互联网进课堂的新型教育模式，于2013年做出进一步建设国家级虚拟仿真实验教学中心的部署。因此，微生物学虚拟仿真实验教学模式的构建具有很重要的理论意义和时代意义。

一、虚拟仿真实验平台应用状况

现如今虚拟实验平台技术的发展在教育中被大规模的应用，中国及外国的各位学者都做了许多工作。例如英国牛津大学的化学VL实验室、美国卡内基梅隆大学的 IrYdium实验室、德国Ruhr大学网络虚拟实验室等，他们共同之处在于都是具有可观的交互性和高智能的虚拟环境。中国的很多学校都根据自己的需求建设了虚拟实验室，例如我们可以看到的同济大学、西南交通大学等大学开发的虚拟实验室。还有中国科技大学的物理仿真实验软件等[2]。截至2015年生物类虚拟仿真实验已开展11所。而从技术层面来看，大致有如下几种技术与仿真实验的一一对应。Flash——交互式仿真实验、VRML——虚拟现实技术仿真实验、Quicktime VR技术、Java技术——仿真实验、Active 技术——仿真实验等[3]。现在资料显示使用Flash和VRML技术的产品占有大多数。这些虚拟实验产品在多个方面意义重大，例如生物医学、电工电子、建筑等。

虚拟仿真实验是网络和计算机技术所支持的虚拟实验的机件上虚拟和重现真的实验步骤和实验内容的一种实验操作，相比于传统实验，其有仿真性、参与性和安全性等特点[4]，可以解决传统实验中存在的实验时间长、危险系数高、受制于经费和伦理学、流失已久的实验技术、操作困难等难于实现的综合性实验等问题[5]。虚拟实验相较于传统实验对学生有更加全面的训练，可激发学生兴趣、提高学生创新能力。但是，当下虚拟实验平台大部分是学校、研究所或企业开拓，试验功能较有力度。但是如果用于教育用途或者实验用途，平台的针对性与专项性就不明显，相结合的性能也不完美。也有部分研究针对课程体系和教育用途做出尝试，但系统仍不够全面。现在学科教学的虚拟平台还没有很好的整合，如学生的情感态度价值观方面的教育以及在虚拟平台中学生的合作方面还有许多问题值得探索。

二、传统微生物实验教学存在的问题

微生物学实验教学是微生物学教学的不可缺少的环节，在微生物课程的理解和应用有着重要的地位。但是现在多数微生物实验课程中只是现实实验室环境中制作常见微生物的装片，在显微镜下观察细菌、真菌、放线菌等装片很难了解微生物的丰富资源。尤其是一些由于环境条件所限制的极端微生物，甲烷古菌、耐酸微生物就是属于此列等，受到实验对象本身的生长周期、培养条件和时间空间等因素所限，很多内容无法展开实验研究无法通过实验室模拟进行[4]；再者，研究致病菌的安全性问题也不同忽视，这一类实验操作都有较高的要求，一般微生物实验中，涉及到此类菌株的教学均为理论，还未有条件展开实际操作；另外，还有一部分综合设计性实验需要各学科实验设备的共同完成，如有些微生物生长条件特殊，会受到生长周期和环境的影响，学生没有充足的实验条件无法进行实验。无法提高学生的实践能力，对于分析及解决问题的能力也有所影响。这些导致不能满足学生掌握新技术、学习新方法的要求，极大的影响了学生的学习兴趣，动手能力，也影响了学生对科学本质的探索欲望。

三、虚拟仿真实验教学模式的构建理念

建设好的虚拟仿真实验平台的前提是对平台的远瞻性以及对它的定位。微生物学虚拟仿真实验的建设指导思想：“合理规划、重点突出、资源共享、提高效益、持续发展”[3]，提高、巩固与发展实验具体操作条件是建设的根本目的。在试验教学中大力进行改革，使实验手段与教学手段都有所创新，将实际教学条件与虚拟实验平台结合。培养微生物学科中的高精尖人才。以基本知识为前提以仿真实验平台为教学手段，采用虚实结合的教学模式，真实的突出微生物学的学科特点。以实际实验无法展开的实验为基本内容，开展前沿实验内容的学习。虚拟仿真实验平台是在以网络为基础、虚拟试验教学资源为内容、平台程序为载体，网络资源真正达到共享。是学生随时随地在线学习，自主安排实验、自主完成实验课程[6]，这既提高教师的教学效率，也使学生的学习效率提高。互联网推动了教师教学也推动了学生的学习能力的提高，体现了实体实验在提高学生实践创新能力方面的核心作用[7]。

四、虚拟仿真实验教学模式拟构建内容

为了使传统教学更好地发展，正值我校教学改革全面深化、校优质课程“微生物学”的全面建设和发展的时候，我们拟应用微生物学虚拟仿真实验教学平台，形成认识（形态观察与鉴定）、培养（发酵条件优化与选育）和应用（功能菌筛选与功能成分提取）3个模块、涵盖9个主题的较为完善的实验教学新体系，既体现了内容的循序渐进性、完整性，又使多学科得以融合和交叉[8]。本系统将为我校食品与生命科学各专业学生学习“微生物学”课程的重要学习平台。微生物学虚拟仿真实验教学模式的构建方案如图1所示。

（一）微生物学的认识模块

微生物学认识模块的虚拟仿真试验将建立常见微生物、极端微生物、病原微生物等的数字切片系统，将利用该中心的显微数码互动实验室，结合控制与扫描软件，把重要资源微生物的代表种类生成全视野的数字化切片库。这些虚拟数字切片系统可以为学生提供观察微生物大小、形态、运动特质等，还能测量微生物大小、模拟染色过程、添加浏览标签等操作，更重要的是学生还可以自己添加数字切片，进行网上小组会议讨论等活动，通过虚拟在线三维外观形态特征，并借助储存的微生物分类材料可以更全面的了解微生物的种类以及他们各自的形态特点；学生可以更深刻的理解和掌握基础知识，提高学生的学习理解能力。为学生深入进行微生物研究打下基础。

（二）微生物学的培养模块

微生物培养模块拟进行微生物生长规律的虚拟仿真试验，具体包括绘制生长曲线、发酵条件优化和诱变育种等试验的虚拟仿真操作系统，用计算机模拟微生物生长，学生可以真实的看见微生物生长的每个阶段，提高实体观察效果；该仿真系统中具有非常鲜活的模拟现场，具有精细的单元流程，包括对菌种展现出其重要内容，灭菌步骤、培养基的配制、无菌操作、菌落总数的测定、诱变选择、突变株遗传稳定性检测等，学生可以自己设定实验条件如温度、PH等，在这些条件下学生可以通过改变它们来观察实验结果的不同，不仅快速且准确。

（三）微生物的应用模块

微生物学分为微生物学基础和微生物学应用两大板块，在微生物应用这一方向上我们也要努力结合实际。结合各方农业、畜牧业、污水处理等相关方向的科研成果，将引进产淀粉酶菌的发酵调控、白酒大曲中功能微生物筛选、生物膜法污水处理工艺等应用微生物学仿真实验教学模块。这些模块模仿真实的实验环境，将虚拟与实验完美的结合起来，在虚拟仿真实验平台下进行操作，设计实验方案，进行实验步骤的演练。通过模拟实验能使学生更准确的完成实验并得到结果，避免了因实验操作生疏使实验失败。更好地分析实验结果且能培养学生得出结论的能力，诱导其创造性思维这样可以弥补因场地、课时、师资等条件限制，突破传统教学手段，推动微生物学实验教学的改革。

另外，虚拟仿真实验平台可用来承担安全性低但必需要开展的实验。例如在使用灭菌锅的时候需要格外小心，当初次使用可能会因操作不当造成安全隐患。学生可先通过虚拟仿真实验平台进行操作，预习怎样安全使用试验设备，进行操作训练以避免发生不必要的问题。培养学生的安全意识。且在危险药剂的处理过程中也有安全隐患，如药品处理不当也会引起可以通过虚拟仿真实验来进行预操作，还可以通过平台来模拟发生实验事故时该如何处理，提高学生的突发事故处理能力以及在实际实验中防范的能力[6]。

五、虚拟仿真实验教学模式的几点思考

虚拟仿真试验平台作为一种新生事物，新技术的发展和应用给教育界带来的积极推动作用是毋庸置疑的，虚拟实验环境的真实和实验对象的真实是对因各种条件不足而无法进行的实体实验的有效补充。可以弥补实体实验的一些如空间局限，成本高，环境污染等造成的问题。且学生可以根据自己的时间和兴趣灵活安排实验活动。可以培养学生自身的实践创新能力，引导学生自主实验，探索科学。因此，虚拟仿真实验平台可以改善学生对上课的积极性，很大程度上提高了发学生的汲取知识的能力。但虚拟实验会在与现实实验操作中有一定的差异。如果要合理有效使用虚拟仿真实验平台还需要思考以下几点：

（一）关于虚拟仿真实验教学模式的关键点

就虚拟实验来说，它的重点更加偏向于学生对概念的理解、对原理的掌握、以及分析解决问题。而对规范技能的要求则不那么突出。从建构主义理论的角度来看，更加重视学生主动参与，强调学生的动手能力，使学生学会将知识与已有知识联系起来，构建一个新的知识网络，更好地内化知识，从而更深刻的理解与掌握。故而平台的构建更加侧重于内容的系统性和全面性。教师也要定期的维护平台，以及实时更新平台内容。学生更是平台的主要成员，要学会知識与实际相结合，将操作的东西变为自己的。

（二）关于虚拟仿真平台的管理和评价系统

虚拟仿真平台的管理是非常重要的内容，严格科学有效的管理制度不仅可以建设文明的实验环境，也可以提高实验效率。因此，制度建设需要从各个方面进行建立。教师通过中心进行难点答疑和实验结果批阅，学生可以通过虚拟实验中心交流心得体会，并要求答疑和批阅制度化[10]。

虚拟仿真平台真正运行后，评价方式分为系统评价、教师评价和学生互评。系统评价包括实验报告系统、 作业系统、在线考试、在线论坛等[9]。老师就评价标准给出评价意见。学生根据上课内容写出实时课堂报告，报告包括预习报告、课后作业两部分。老师使用教学评价系统查看报告和给予评价。在一个课程完成时，系统会根据课程内容给出一套教学试卷，学生需要登陆系统完成考试并由教师给出分数。系统会按比例给出最后分数作为学生的综合考核。

（三）基于虚拟仿真实验教学的教师团队的建设

虚拟仿真实验平台加入后，不再是单一的课件教学或者小组讨论。加入网络技术的课堂需要更高技术的专业教师团队，才能让虚拟仿真实验平台发挥最大的作用。教师在运用虚拟仿真实验平台时要进行专业技术的培训。整合校内校外的优秀实验资源和教师资源，增强教师的实验操作水平。教师的高实验操作水平是虚拟仿真实验教学平台的基础。学科带头教师常在各教学组展开学术讨论，邀请校内外的知名专家开设学术讲座，带动整个教师队伍的学术水平。也可进行教师奖励机制，開设实验室专职教师岗位，进行岗前培训，针对上岗。也可将教学与科研相结合，用虚拟仿真实验平台与科研挂钩，鼓励更多人群加入到平台建设中来。

六、结束语

信息技术是现代信息发展的主流，新一代技术的快速发展也促进了教育的发展，随着虚拟仿真实验教学平台的兴起，未来教室也逐渐进入到人们的视野，这种融合创新教育、先进的科学技术，注重高度的交互性、开放性、启发性和自然、灵活、安全、高效的人性化设计，进而为学生的学习、实验提供良好的环境。总之，信息技术的发展丰富了教学体系的资源，实验室技术的发展更是给实验技术带来了革新。虚拟仿真实验教学平台的建设突破了时间、地域、温度等限制，极大程度的让学生有充足的实验条件，教学及实验重点从教师为主体转换成学生为主体，其作为理论课程的补充，在实践教学中有着显著优势和良好的应用前景。

参考文献：

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[6]李兵，王玉凤，贺占魁，等.生物学虚拟仿真实验教学资源建设[J].实验技术与管理，2016，33（12）：171-173，176.

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[9]张学军，唐久磊，魏江明.基于Flash3D的中学化学虚拟实验平台的设计与实现[J].电化教育研究，2014，35（01）：79-84.

[10]武一，周亚同，张雯，等.通信工程虚拟仿真实验教学中心构建及管理[J].实验技术与管理，2017，34（05）：218-222.