黃桂東 梁清翠 蔡逸夫 鐘先鋒

摘要 虛擬仿真技術(shù)是用計算機系統(tǒng)模仿真實系統(tǒng)的技術(shù)，它充分利用仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、立體顯示技術(shù)、信息技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)，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(huán)境開展一系列的教學(xué)工作。介紹了微生物學(xué)的學(xué)科定位以及虛擬仿真實驗室的技術(shù)優(yōu)勢，闡述了傳統(tǒng)微生物實驗教學(xué)在表現(xiàn)內(nèi)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(xué)教學(xué)中的應(yīng)用特點。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真技術(shù);虛擬仿真實驗室;微生物學(xué)

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(xué)（資源服務(wù)）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(xué)改革建設(shè)項目;廣東省研究生教育創(chuàng)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(dǎo)師，從事食品發(fā)酵工程研究。*通信作者，副研究員，博士，碩士生導(dǎo)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(xué)是生物學(xué)的一個分支學(xué)科，其研究方向是微小生物及其生命活動的基本規(guī)律。由于肉眼難以識別的問題給研究微生物帶來挑戰(zhàn)的同時也為學(xué)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(xué)實驗是微生物學(xué)教學(xué)中的重要組成部分，是學(xué)生學(xué)習并掌握微生物學(xué)實驗技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。微生物學(xué)實驗的內(nèi)容包括無菌操作、微生物的形態(tài)觀察和制片染色、微生物細胞大小的測定與計數(shù)、微生物的純培養(yǎng)等實驗技術(shù)和方法。這些獨特的實驗技術(shù)和方法已成為食品類學(xué)科的基本操作和技能，且與微生物理論課程緊密結(jié)合，能夠讓學(xué)生將理論知識與實踐相結(jié)合，在實驗中更好地理解理論知識，有利于學(xué)生綜合能力與創(chuàng)新意識的提高。

自改革開放以來，伴隨著經(jīng)濟的高速增長，我國計算機技術(shù)在不斷提升。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，教學(xué)模式發(fā)生了一些變化。近幾年，我國應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)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(xué)們的視野[1]。虛擬仿真實驗室的使用彌補了傳統(tǒng)微生物實驗教學(xué)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(xué)模式[2]。筆者引入虛擬仿真教學(xué)方式，闡述了其在微生物學(xué)教學(xué)過程中的應(yīng)用特點，以期克服微生物學(xué)實驗教學(xué)過程中不生動、不直觀的問題，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣以及學(xué)生思維的激發(fā)與意識的培養(yǎng)。

1 傳統(tǒng)微生物實驗教學(xué)的局限性

1.1 教學(xué)表現(xiàn)形式單一，教學(xué)內(nèi)容單調(diào)

傳統(tǒng)微生物學(xué)實驗教學(xué)的表現(xiàn)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(xué)們示范實驗操作。微生物學(xué)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(shù)的測定，單靠教師講解和提供的少量實驗圖片，學(xué)生很難掌握該項實驗的要領(lǐng)。實驗課的目的是讓學(xué)生學(xué)會動手的同時，加強對所學(xué)理論知識的理解和消化，提高學(xué)生的動手能力和專業(yè)技能。在這個傳授—接收的教學(xué)模式中，教師充當傳輸知識的角色，學(xué)生學(xué)習的興趣不高[3]。這不利于學(xué)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(xué)效果不明顯

現(xiàn)有微生物學(xué)實驗課的教學(xué)順序是任課教師先向?qū)W生講解實驗，示范實驗操作，接下來的時間由學(xué)生自主操作實驗[4]。每個同學(xué)的微生物學(xué)實驗基礎(chǔ)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(xué)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(xué)生對實驗知識的疑問得不到答案。在實驗操作環(huán)節(jié)，主動的學(xué)生會請教教師，與教師交流討論，但還要按時完成實驗，導(dǎo)致能夠同教師進行探討的學(xué)生十分有限?；硬蛔銜?dǎo)致部分學(xué)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(xué)生的實驗操作存在錯誤，但傳統(tǒng)的微生物教學(xué)實驗室，教師難以全時程觀察學(xué)生的實驗操作方式，很難發(fā)現(xiàn)他們操作存在的缺陷，不能及時予以糾正。學(xué)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(xué)實驗課結(jié)束后，教師沒有組織學(xué)生一起對該項微生物實驗進行交流，很多學(xué)生對實驗還存在疑問就離開了實驗室。實驗結(jié)束后，教師和學(xué)生沒有進行互動，也沒有給出實驗結(jié)果，每組同學(xué)的實驗結(jié)果沒有及時進行校對，導(dǎo)致學(xué)生難以發(fā)現(xiàn)自己存在的問題，使得實驗課的的教學(xué)效果不明顯，不利于微生物學(xué)人才的培養(yǎng)[5]。

1.3 時間、資源有限，課堂教學(xué)內(nèi)容受限

傳統(tǒng)微生物學(xué)實驗教學(xué)大多以驗證性實驗為主，綜合性實驗、融合性實驗等其他設(shè)計性實驗所占比例不足[6]。微生物學(xué)實驗技術(shù)涉及面廣，但實驗課課時有限，為按時完成教學(xué)任務(wù)，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(yǎng)，此外有些實驗會縮短時間，這會影響實驗結(jié)果。這使得實驗的教學(xué)內(nèi)容受到了限制，同時破壞了微生物學(xué)整體連貫的特點，使得內(nèi)容分散，不利于學(xué)生對微生物學(xué)實驗技術(shù)的掌握。

微生物學(xué)實驗所需的器材多，而學(xué)校的實驗經(jīng)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(xué)生不多，這極大地限制了大多數(shù)學(xué)生的眼界。絕大多數(shù)學(xué)生需要對一項實驗進行多次操作才能掌握該項實驗技術(shù)，但由于資源有限，學(xué)生往往只能對各項微生物學(xué)實驗進行一次操作。

1.4 學(xué)生實驗室安全意識缺乏，不利于課堂開展

微生物學(xué)的實驗課程中，學(xué)生會接觸到許多儀器，每種儀器都有自身的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、運作原理、操作方式和適用范圍，學(xué)生對儀器的了解不夠，在實驗操作中容易發(fā)生安全事故。微生物學(xué)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(xué)生微生物安全意識不強，為保障學(xué)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(nèi)容刪去，以致教師無法將這方面的相關(guān)知識真正傳授給學(xué)生。實驗課不能順利開展，不僅會影響學(xué)生學(xué)習效果，而且阻礙了新時期高水平創(chuàng)新型微生物學(xué)人才的培養(yǎng)進展。

2 虛擬仿真實驗室在微生物實驗教學(xué)中的應(yīng)用特點

虛擬仿真技術(shù)借助計算機技術(shù)生成的環(huán)境讓人產(chǎn)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(huán)境進行交互，并能及時得到其做出的相應(yīng)回應(yīng)[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(guān)器材、材料等，學(xué)生可以通過操作鼠標或是鍵盤對儀器設(shè)備進行多角度觀察，這比傳統(tǒng)實驗教學(xué)展示的圖片更加生動形象，在吸引學(xué)生注意力的基礎(chǔ)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(shù)可以獲取最新的科研資料作為補充進行講解，拓寬學(xué)生的視野，提高他們對專業(yè)知識的運用能力，其在微生物學(xué)實驗教學(xué)的應(yīng)用有著傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式所無法比擬的優(yōu)點。目前國內(nèi)外已有多所高校建立了虛擬仿真實驗室教學(xué)中心，其在實驗教學(xué)方面取得了較好的效果。

2.1 優(yōu)化微生物實驗教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)質(zhì)量

利用虛擬仿真技術(shù)建立的虛擬仿真微生物實驗室改變了傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，學(xué)生可以不受時間、空間的限制，利用計算機網(wǎng)絡(luò)自主選擇微生物學(xué)實驗進行操作訓(xùn)練，虛擬仿真平臺可以讓學(xué)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(zhuǎn)化為實驗教學(xué)資源，此外涉及到致病微生物的實驗可以讓學(xué)生親自操作。虛擬仿真實驗教學(xué)體系改善了傳統(tǒng)實驗教學(xué)內(nèi)容受限的現(xiàn)狀，有益于課堂的拓展，給學(xué)生提供一個更好的學(xué)習平臺，大大提高了微生物學(xué)實驗的教學(xué)質(zhì)量。

2.2 增加師生互動，調(diào)動學(xué)生積極性

虛擬仿真實驗教學(xué)體系具有在線答疑功能，學(xué)生可以通過文字或語音與指導(dǎo)教師進行實時交流互動，也可以到答題庫輸入問題關(guān)鍵詞進行搜索解答，這個功能設(shè)置在增加師生互動的基礎(chǔ)上可以讓同學(xué)們學(xué)會主動去尋找答案[9]。引入虛擬仿真技術(shù)可以讓學(xué)生進行多角度觀察實驗設(shè)備，與傳統(tǒng)教學(xué)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(xué)生的注意力[10]。在這個系統(tǒng)中，學(xué)生不用顧忌實驗安全問題而像傳統(tǒng)實驗教學(xué)一樣完完全全按照實驗操作步驟、設(shè)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(xué)可以給他們提供一個實踐的舞臺，讓他們最大限度地發(fā)揮自己的主動性創(chuàng)造性和創(chuàng)新性，在加強基本技能的同時又可以提高創(chuàng)新能力，更好地讓學(xué)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(xué)資源的整合和分享

將虛擬仿真技術(shù)用于微生物學(xué)實驗教學(xué)，可以提供全天候服務(wù)，只要有網(wǎng)絡(luò)就可以登錄虛擬平臺進行實驗，這打破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)授課時場地限制的局面。在有限的課時和緊張的經(jīng)費的條件下，依然可以進行重要的實驗教學(xué)，且解決了因場地有限學(xué)生必須分組做實驗存在的弊端。同學(xué)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(xué)生對理論知識的理解和掌握。虛擬仿真實驗系統(tǒng)是開放的，其中有很多的學(xué)習資源，可以開闊學(xué)生的眼界，同時也方便學(xué)生對學(xué)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(xué)生真實的感覺，但其顯示的環(huán)境是虛幻的。在真實環(huán)境實驗中出現(xiàn)大的安全事故時會給學(xué)生帶來一定的傷害，而在虛擬環(huán)境下出現(xiàn)的事故只會給人真實大的體會，不會威脅到學(xué)生的健康。在這個優(yōu)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(xué)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(tǒng)微生物學(xué)實驗測試打分只要看學(xué)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(xué)生實驗技能的掌握情況。采用虛擬仿真實驗教學(xué)模式可以增加師生間的互動，該系統(tǒng)還能保存每個學(xué)生實驗的錄像，教師可以根據(jù)互動情況和學(xué)生操作實驗的能力打分評定，讓教師更了解學(xué)生的學(xué)習情況，從而有針對性地加強指導(dǎo)。

3 結(jié)語

微生物學(xué)實驗大多為驗證性實驗，實驗內(nèi)容具有較強的連貫性，而傳統(tǒng)實驗教學(xué)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(xué)質(zhì)量，紛紛引入虛擬仿真教學(xué)，將虛擬仿真技術(shù)運用于微生物學(xué)實驗教學(xué)可以很好地保持該學(xué)科的優(yōu)點。該技術(shù)的原則是虛實結(jié)合，不僅能夠提高學(xué)生的注意力，激發(fā)他們的求知欲望，而且方便任課教師掌握學(xué)生的學(xué)習狀態(tài)及能力，更有針對性地給他們加強輔導(dǎo)。尤其重要的是，在虛擬環(huán)境中進行實驗不會對學(xué)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(shè)虛擬仿真實驗室可以豐富微生物學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容，有利于實驗課堂拓展，極大地提高了實驗教學(xué)質(zhì)量。與傳統(tǒng)實驗教學(xué)相比，虛擬仿真實驗教學(xué)可以更好地提高學(xué)生的實驗操作技能，響應(yīng)了對培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的號召，是新時期的必然產(chǎn)物。

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