虛擬仿真實驗室在微生物學實驗教學中的應用
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摘要 虛擬仿真技術是用計算機系統模仿真實系統的技術，它充分利用仿真技術、多媒體技術、立體顯示技術、信息技術等現代技術，為大眾提供一個可以與虛擬世界交互的三維空間。虛擬仿真實驗室的建立能夠利用開放性的信息環境開展一系列的教學工作。介紹了微生物學的學科定位以及虛擬仿真實驗室的技術優勢，闡述了傳統微生物實驗教學在表現內容、知識反饋、實驗操作、安全意識等方面的局限性以及虛擬仿真實驗室在微生物學教學中的應用特點。
關鍵詞 虛擬仿真技術;虛擬仿真實驗室;微生物學
中圖分類號 S-01文獻標識碼 A
文章編號 0517-6611（2019）13-0270-02
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.13.081
開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：
Application of Virtual Simulation Laboratory in the Experimental Teaching of Microbiology
Abstract Virtual simulation technology is the imitation of real system by using computer system， which makes full use of simulation technology， multimedia technology， stereoscopic display technology， information technology and other modern technologies. Virtual simulation technology provides a threedimensional space to intact with virtual world for the public. The establishment of virtual simulation laboratory can carry out a series of teaching work with opening information environment. This paper introduced the discipline orientation of microbiology and the technical advantages of virtual simulation laboratories， and expounded the limits of traditional microbiology experimental teaching in terms of performance， knowledge feedback， experimental operation， safety awareness， etc.， as well as the application characteristics of virtual simulation laboratory in the teaching process of microbiology.
Key words Virtual simulation technology;Virtual simulation laboratory;Microbiology
基金項目 廣東省高等教育教學改革建設項目;廣東省研究生教育創新計劃項目（2017JGXM-ZD35）。
作者簡介 黃桂東（1978—），女，河北唐山人，教授，博士，碩士生導師，從事食品發酵工程研究。*通信作者，副研究員，博士，碩士生導師，從事食品加工與過程控制研究。
收稿日期 2019-01-27
微生物學是生物學的一個分支學科，其研究方向是微小生物及其生命活動的基本規律。由于肉眼難以識別的問題給研究微生物帶來挑戰的同時也為學習微生物增添了許多趣味。為了更好地認識和研究微生物，實驗方法和手段必不可少，微生物學實驗是微生物學教學中的重要組成部分，是學生學習并掌握微生物學實驗技術的重要環節。微生物學實驗的內容包括無菌操作、微生物的形態觀察和制片染色、微生物細胞大小的測定與計數、微生物的純培養等實驗技術和方法。這些獨特的實驗技術和方法已成為食品類學科的基本操作和技能，且與微生物理論課程緊密結合，能夠讓學生將理論知識與實踐相結合，在實驗中更好地理解理論知識，有利于學生綜合能力與創新意識的提高。
自改革開放以來，伴隨著經濟的高速增長，我國計算機技術在不斷提升。隨著計算機技術的發展，教學模式發生了一些變化。近幾年，我國應用虛擬仿真技術建立了虛擬仿真實驗室，它具有良好的交互性，也可以拓寬同學們的視野[1]。虛擬仿真實驗室的使用彌補了傳統微生物實驗教學模式中存在的缺陷，其價值得到越來越多人的青睞，是當今研究微生物實驗的新型教學模式[2]。筆者引入虛擬仿真教學方式，闡述了其在微生物學教學過程中的應用特點，以期克服微生物學實驗教學過程中不生動、不直觀的問題，有利于激發學生的學習興趣以及學生思維的激發與意識的培養。
1 傳統微生物實驗教學的局限性
1.1 教學表現形式單一，教學內容單調
傳統微生物學實驗教學的表現形式是由任課教師對實驗的原理和操作步驟進行講解，在講解過程中向同學們示范實驗操作。微生物學實驗涉及的知識點繁多，實驗操作具有一定的難度，如菌落總數的測定，單靠教師講解和提供的少量實驗圖片，學生很難掌握該項實驗的要領。實驗課的目的是讓學生學會動手的同時，加強對所學理論知識的理解和消化，提高學生的動手能力和專業技能。在這個傳授—接收的教學模式中，教師充當傳輸知識的角色，學生學習的興趣不高[3]。這不利于學生對實驗操作知識的理解和實驗技能的掌握。 1.2 缺乏互動，教學效果不明顯
現有微生物學實驗課的教學順序是任課教師先向學生講解實驗，示范實驗操作，接下來的時間由學生自主操作實驗[4]。每個同學的微生物學實驗基礎各不相同，接受新知識的能力也存在差異，在實驗課堂中同學們必然會對實驗操作存在疑問。為了維持課堂秩序，在教師講解時缺乏師生互動，學生對實驗知識的疑問得不到答案。在實驗操作環節，主動的學生會請教教師，與教師交流討論，但還要按時完成實驗，導致能夠同教師進行探討的學生十分有限?；硬蛔銜е虏糠謱W生為完成實驗而照著步驟按部就班地走一遍流程。
實驗過程中難免會有些學生的實驗操作存在錯誤，但傳統的微生物教學實驗室，教師難以全時程觀察學生的實驗操作方式，很難發現他們操作存在的缺陷，不能及時予以糾正。學生會形成錯誤的習慣，實驗操作技能就很難得到提高。微生物學實驗課結束后，教師沒有組織學生一起對該項微生物實驗進行交流，很多學生對實驗還存在疑問就離開了實驗室。實驗結束后，教師和學生沒有進行互動，也沒有給出實驗結果，每組同學的實驗結果沒有及時進行校對，導致學生難以發現自己存在的問題，使得實驗課的的教學效果不明顯，不利于微生物學人才的培養[5]。
1.3 時間、資源有限，課堂教學內容受限
傳統微生物學實驗教學大多以驗證性實驗為主，綜合性實驗、融合性實驗等其他設計性實驗所占比例不足[6]。微生物學實驗技術涉及面廣，但實驗課課時有限，為按時完成教學任務，就要縮短一些實驗的時長。一般耗時長的實驗操作步驟會由教師課前操作完成，如菌種的培養，此外有些實驗會縮短時間，這會影響實驗結果。這使得實驗的教學內容受到了限制，同時破壞了微生物學整體連貫的特點，使得內容分散，不利于學生對微生物學實驗技術的掌握。
微生物學實驗所需的器材多，而學校的實驗經費有限，價格高的實驗器材有限，使用時需要非常小心，為保障實驗的順利進行，能夠使用這些器材的學生不多，這極大地限制了大多數學生的眼界。絕大多數學生需要對一項實驗進行多次操作才能掌握該項實驗技術，但由于資源有限，學生往往只能對各項微生物學實驗進行一次操作。
1.4 學生實驗室安全意識缺乏，不利于課堂開展
微生物學的實驗課程中，學生會接觸到許多儀器，每種儀器都有自身的結構構造、運作原理、操作方式和適用范圍，學生對儀器的了解不夠，在實驗操作中容易發生安全事故。微生物學的實驗對象是肉眼難以觀察的微生物，有些重要的實驗涉及到病原微生物，如食品致病微生物的檢測。但學生微生物安全意識不強，為保障學生的安全，這些實驗只能由教師進行示教或是實驗課將這部分實驗內容刪去，以致教師無法將這方面的相關知識真正傳授給學生。實驗課不能順利開展，不僅會影響學生學習效果，而且阻礙了新時期高水平創新型微生物學人才的培養進展。
2 虛擬仿真實驗室在微生物實驗教學中的應用特點
虛擬仿真技術借助計算機技術生成的環境讓人產生的視覺、聽覺等非常逼真，人們可以通過肢體運動與這個環境進行交互，并能及時得到其做出的相應回應[7]。虛擬仿真實驗室可以逼真地顯示實驗室具有的實驗相關器材、材料等，學生可以通過操作鼠標或是鍵盤對儀器設備進行多角度觀察，這比傳統實驗教學展示的圖片更加生動形象，在吸引學生注意力的基礎上有助于他們對實驗操作的理解[8]。與此同時，利用虛擬仿真技術可以獲取最新的科研資料作為補充進行講解，拓寬學生的視野，提高他們對專業知識的運用能力，其在微生物學實驗教學的應用有著傳統實驗教學模式所無法比擬的優點。目前國內外已有多所高校建立了虛擬仿真實驗室教學中心，其在實驗教學方面取得了較好的效果。
2.1 優化微生物實驗教學內容，提高教學質量
利用虛擬仿真技術建立的虛擬仿真微生物實驗室改變了傳統的實驗教學模式，學生可以不受時間、空間的限制，利用計算機網絡自主選擇微生物學實驗進行操作訓練，虛擬仿真平臺可以讓學生有身臨其境的感覺。尤其重要的是，可以利用微生物界的科研成果轉化為實驗教學資源，此外涉及到致病微生物的實驗可以讓學生親自操作。虛擬仿真實驗教學體系改善了傳統實驗教學內容受限的現狀，有益于課堂的拓展，給學生提供一個更好的學習平臺，大大提高了微生物學實驗的教學質量。
2.2 增加師生互動，調動學生積極性
虛擬仿真實驗教學體系具有在線答疑功能，學生可以通過文字或語音與指導教師進行實時交流互動，也可以到答題庫輸入問題關鍵詞進行搜索解答，這個功能設置在增加師生互動的基礎上可以讓同學們學會主動去尋找答案[9]。引入虛擬仿真技術可以讓學生進行多角度觀察實驗設備，與傳統教學借助文字圖片、聲音或錄像相比更加生動形象，更容易吸引學生的注意力[10]。在這個系統中，學生不用顧忌實驗安全問題而像傳統實驗教學一樣完完全全按照實驗操作步驟、設備使用說明書等，他們可以有自己的想法，自擬實驗題目、自主組織實驗步驟，進行實驗探索，積累實驗知識。虛擬仿真實驗教學可以給他們提供一個實踐的舞臺，讓他們最大限度地發揮自己的主動性創造性和創新性，在加強基本技能的同時又可以提高創新能力，更好地讓學生們積極主動地參與課堂。
2.3 沖破時間空間限制，提高教學資源的整合和分享
將虛擬仿真技術用于微生物學實驗教學，可以提供全天候服務，只要有網絡就可以登錄虛擬平臺進行實驗，這打破了傳統實驗教學授課時場地限制的局面。在有限的課時和緊張的經費的條件下，依然可以進行重要的實驗教學，且解決了因場地有限學生必須分組做實驗存在的弊端。同學們可以在虛擬實驗室獨自一人完成整個實驗，獲得與真實實驗一樣的感受，有效提高了學生對理論知識的理解和掌握。虛擬仿真實驗系統是開放的，其中有很多的學習資源，可以開闊學生的眼界，同時也方便學生對學習資源的獲取[11]。
2.4 降低實驗危險性
虛擬仿真實驗室雖然可以給學生真實的感覺，但其顯示的環境是虛幻的。在真實環境實驗中出現大的安全事故時會給學生帶來一定的傷害，而在虛擬環境下出現的事故只會給人真實大的體會，不會威脅到學生的健康。在這個優勢下仍能讓他們注意實驗安全問題，也不會損壞實驗室，使得學生可以放心進行實驗探索。 2.5 完善微生物實驗測試考核體系
傳統微生物學實驗測試打分只要看學生平時交的實驗報告和考勤情況，這使得教師不能很好地掌握學生實驗技能的掌握情況。采用虛擬仿真實驗教學模式可以增加師生間的互動，該系統還能保存每個學生實驗的錄像，教師可以根據互動情況和學生操作實驗的能力打分評定，讓教師更了解學生的學習情況，從而有針對性地加強指導。
3 結語
微生物學實驗大多為驗證性實驗，實驗內容具有較強的連貫性，而傳統實驗教學授課由于場地等的限制，不能很好地保留該特點。近些年，各高校越來越重視教學質量，紛紛引入虛擬仿真教學，將虛擬仿真技術運用于微生物學實驗教學可以很好地保持該學科的優點。該技術的原則是虛實結合，不僅能夠提高學生的注意力，激發他們的求知欲望，而且方便任課教師掌握學生的學習狀態及能力，更有針對性地給他們加強輔導。尤其重要的是，在虛擬環境中進行實驗不會對學生的安全造成威脅的同時，還可以讓他們更加了解實驗存在的危險。
實踐表明，建設虛擬仿真實驗室可以豐富微生物學實驗教學內容，有利于實驗課堂拓展，極大地提高了實驗教學質量。與傳統實驗教學相比，虛擬仿真實驗教學可以更好地提高學生的實驗操作技能，響應了對培養創新型人才的號召，是新時期的必然產物。
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