安曉萍 王園 宋敏 劉娜 齊景偉

摘? 要 為提高水產(chǎn)養(yǎng)殖專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，基于水產(chǎn)養(yǎng)殖專業(yè)水產(chǎn)微生物學(xué)課程特點(diǎn)，通過虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建水產(chǎn)微生物虛擬仿真教學(xué)體系，克服實(shí)驗(yàn)教學(xué)困難，改善教學(xué)模式，豐富教學(xué)內(nèi)容，可最大限度地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用，深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，明顯提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真技術(shù);水產(chǎn)養(yǎng)殖專業(yè);水產(chǎn)微生物學(xué);實(shí)驗(yàn)教學(xué);教學(xué)資源;云畜牧創(chuàng)新平臺;智慧養(yǎng)殖虛擬仿真平臺

中圖分類號：G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）11-0034-03

0? 前言

改革開放以來，在“以養(yǎng)為主”的發(fā)展方針指導(dǎo)下，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，我國已成為世界上唯一的養(yǎng)殖水產(chǎn)品總量超過捕撈總量的國家[1]，隨之而來的有技術(shù)、有經(jīng)驗(yàn)、懂管理的水產(chǎn)養(yǎng)殖專業(yè)人才需求量逐年攀升。為了適應(yīng)當(dāng)代水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，作為水產(chǎn)養(yǎng)殖專業(yè)人才輸出基地，農(nóng)林院校需要進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)和實(shí)踐技能的提升。

水產(chǎn)微生物學(xué)是水產(chǎn)養(yǎng)殖專業(yè)必修基礎(chǔ)課，良好的課程教學(xué)效果是水產(chǎn)養(yǎng)殖專業(yè)學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的鋪墊，是培養(yǎng)基礎(chǔ)理論扎實(shí)、創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力強(qiáng)的優(yōu)秀水產(chǎn)養(yǎng)殖人才的基礎(chǔ)。近年來，經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和建設(shè)用地不斷擴(kuò)張，養(yǎng)殖水域空間受到嚴(yán)重?cái)D壓，養(yǎng)殖網(wǎng)箱密度過大，養(yǎng)殖水域周邊污染嚴(yán)重，各種新發(fā)、突發(fā)疾病不斷出現(xiàn)且日益復(fù)雜[2]，水產(chǎn)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、5G、云計(jì)算等技術(shù)手段的發(fā)展，我國已經(jīng)邁入全新的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。新冠疫情期間，教育部發(fā)布《關(guān)于切實(shí)做好新型冠狀病毒感染的肺炎疫情防控工作應(yīng)急預(yù)案的通知》，部署“停課不停學(xué)”的教育教學(xué)指示精神，要求高校教師更新教育觀念、重構(gòu)教學(xué)體系、變革教學(xué)模式，構(gòu)建一種集成多種信息技術(shù)的全新教育體系[3]。虛擬仿真（Virtual Reality，VR）作為一種信息技術(shù)，是綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)和數(shù)碼仿真技術(shù)，輔之以生物仿真引擎、處理因素?cái)?shù)據(jù)庫、虛擬環(huán)境界面等技術(shù)，給師生帶來源于視覺、聽覺和觸覺等感官方面的模擬體驗(yàn)[4]。筆者所在課程組依托內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院云畜牧創(chuàng)新平臺下智慧養(yǎng)殖虛擬仿真平臺，在水產(chǎn)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革方面進(jìn)行了探索。

1? 水產(chǎn)微生物學(xué)課程定位與特點(diǎn)

在水產(chǎn)養(yǎng)殖專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)體系中，水產(chǎn)微生物學(xué)是非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在人才培養(yǎng)方案中占有十分重要的地位。水產(chǎn)微生物學(xué)作為微生物學(xué)的重要分支，通過介紹細(xì)菌、真菌和病毒的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、生理特性等生命活動基本規(guī)律，了解水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)中重要病原體，闡述其與水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境、水產(chǎn)動物疾病及水產(chǎn)品關(guān)系，目的在于通過人工調(diào)控方法挖掘、利用和改善有益微生物，控制改造和消滅有害微生物[5]。通過課堂的理論集中教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)和從事水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)打下良好基礎(chǔ)，為保障水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展服務(wù)。

水產(chǎn)微生物學(xué)是一門兼具理論性和實(shí)踐性的課程。理論課涉及水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)中主要細(xì)菌、真菌和病毒，其形態(tài)結(jié)構(gòu)、營養(yǎng)、生理代謝、生長方式和生長規(guī)律等知識抽象復(fù)雜，大量概念、原理需要理解和記憶，且不同微生物之間相似性強(qiáng)，容易混淆。實(shí)驗(yàn)課則涉及微生物菌種分離和培養(yǎng)、染色和觀察、菌種保藏以及有害微生物的控制，由于微生物具有肉眼不可見和無處不在的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)過程中若不能嚴(yán)格執(zhí)行無菌操作，就會造成雜菌的污染而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。因此，實(shí)驗(yàn)操作具有特殊的規(guī)范和要求[6]。從水產(chǎn)微生物學(xué)的特點(diǎn)考慮，實(shí)驗(yàn)教學(xué)所教授的基本實(shí)驗(yàn)技能和基本實(shí)驗(yàn)方法在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識方面具有舉足輕重的作用，因此必須強(qiáng)化和改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生具備較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)操作技能。

2? 水產(chǎn)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀與存在的不足

2.1? 教學(xué)資源不足

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式受學(xué)時(shí)、設(shè)備、場地以及經(jīng)費(fèi)的限制。以內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)為例，水產(chǎn)微生物學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)數(shù)僅為16學(xué)時(shí)，菌種分離和培養(yǎng)、染色和觀察、菌種保藏等實(shí)驗(yàn)周期長，教學(xué)任務(wù)非常繁重。水產(chǎn)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室僅能提供30人的空間同時(shí)開展實(shí)驗(yàn)操作，人員擁擠嘈雜，再加上設(shè)備有限，存在多個(gè)小組共用超凈工作臺的情況，甚至出現(xiàn)只能使用酒精燈做簡單的無菌操作的情況，而教學(xué)成本高或涉及先進(jìn)儀器設(shè)備的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目更是無法開設(shè)。這些因素很大程度限制了水產(chǎn)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展，不利于實(shí)踐型水產(chǎn)養(yǎng)殖人才的培養(yǎng)。

2.2? 教學(xué)模式陳舊

傳統(tǒng)的水產(chǎn)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課中，多采用教師先口頭講解實(shí)驗(yàn)原理，再集中演示方法，最后學(xué)生動手訓(xùn)練過程中教師輔助指導(dǎo)的教學(xué)模式[7]。教師在教授實(shí)驗(yàn)原理過程中多采用PPT的形式，很難將復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)直觀、生動地展示給學(xué)生。在演示實(shí)驗(yàn)方法過程中又因?yàn)榭臻g、角度的原因，部分學(xué)生看不清操作動作，不能掌握全部實(shí)驗(yàn)操作，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。由于理解程度不同，學(xué)生在動手訓(xùn)練過程中不斷出現(xiàn)互相詢問或?qū)で蠼處熤笇?dǎo)的情況，導(dǎo)致教師對所有學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程的有效監(jiān)控缺乏。這種傳統(tǒng)的模式缺乏生動性、直觀性和互動性，難以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2.3? 專業(yè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)少

水產(chǎn)微生物學(xué)教學(xué)內(nèi)容體現(xiàn)專業(yè)特色內(nèi)容較少，主要偏重于基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[8]。基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果已知，缺乏創(chuàng)意和懸念，造成學(xué)生主動性不強(qiáng)，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析不夠深入，從而收獲較少。同時(shí)，由于考慮到生物安全、實(shí)驗(yàn)操作中的危險(xiǎn)與安全隱患，一些和水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)息息相關(guān)的致病性微生物的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)更是不能實(shí)施。

3? 水產(chǎn)微生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

筆者所在課程組結(jié)合自身教學(xué)實(shí)際和特點(diǎn)，依托內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院云畜牧創(chuàng)新平臺下智慧養(yǎng)殖虛擬仿真平臺，對虛擬仿真教學(xué)進(jìn)行了初步嘗試，建立水產(chǎn)微生物虛擬仿真教學(xué)體系，涉及培養(yǎng)基制作、滅菌及無菌操作、革蘭氏染色、分離純化、生長曲線繪制和固態(tài)發(fā)酵六部分內(nèi)容。將實(shí)際操作結(jié)合虛擬仿真預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)和考核，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合，學(xué)生可以跨時(shí)空從形態(tài)→鑒別→培養(yǎng)→應(yīng)用等方面遞進(jìn)、循環(huán)地深入學(xué)習(xí)，熟練掌握微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，圓滿地完成水產(chǎn)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)培養(yǎng)出實(shí)用、創(chuàng)新的專業(yè)人才。

3.1? 基于虛擬仿真技術(shù)的水產(chǎn)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程總體目標(biāo)

如圖1所示，水產(chǎn)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的總體目標(biāo)是夯實(shí)水產(chǎn)專業(yè)學(xué)生微生物學(xué)知識，培養(yǎng)學(xué)生的微生物資源觀和益生菌服務(wù)養(yǎng)殖觀，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.2? 基于虛擬仿真技術(shù)的水產(chǎn)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)安排

虛擬仿真技術(shù)為水產(chǎn)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)提供了一種新的教學(xué)模式。在國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目中與水產(chǎn)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容相關(guān)的項(xiàng)目有“臨床樣本病原微生物檢測虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（南開大學(xué)）”“CDC病原微生物實(shí)驗(yàn)室生物安全事故應(yīng)急處置（寧夏醫(yī)科大學(xué)）”“水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（天津農(nóng)學(xué)院）”“啤酒工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)（廣西大學(xué)）”及“固態(tài)白酒發(fā)酵的工藝原理和生物學(xué)本質(zhì)探究虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)）”。借助上述相關(guān)平臺對水產(chǎn)微生物學(xué)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段進(jìn)行一些調(diào)整，從內(nèi)容上增加五個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，從教學(xué)形式上增加了直觀、模擬和沉浸的方法，以豐富實(shí)驗(yàn)形式、填補(bǔ)教學(xué)空白（表1）。具體的教學(xué)安排如下。

1）微生物實(shí)驗(yàn)室的安全、消毒和滅菌仿真。在進(jìn)行生物安全培訓(xùn)、細(xì)菌培養(yǎng)基配制和滅菌實(shí)體實(shí)驗(yàn)之后，增設(shè)微生物實(shí)驗(yàn)室的結(jié)構(gòu)和使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生提供微生物實(shí)驗(yàn)室安全操作全流程直觀體驗(yàn)。

2）微生物形態(tài)及染色。在完成傳統(tǒng)革蘭氏染色和使用顯微鏡觀察固定裝片后，增設(shè)革蘭氏染色微觀實(shí)驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)革蘭氏染色實(shí)驗(yàn)的微觀可視化教學(xué)。

3）細(xì)菌生長曲線測定分析。在完成乳酸菌、酵母菌的液態(tài)培養(yǎng)生長曲線實(shí)驗(yàn)后，增設(shè)乳酸菌、酵母菌的液態(tài)培養(yǎng)動態(tài)、直觀的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

4）益生菌在生產(chǎn)中應(yīng)用。在掌握微生物培養(yǎng)基本實(shí)驗(yàn)操作后，增設(shè)液態(tài)發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵兩個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真，為學(xué)生體驗(yàn)益生菌在水產(chǎn)行業(yè)應(yīng)用提供直觀教學(xué)內(nèi)容。

3.3? 虛擬實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)

學(xué)生登錄內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院云畜牧創(chuàng)新平臺下智慧養(yǎng)殖虛擬仿真平臺，進(jìn)入水產(chǎn)微生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)板塊。以水產(chǎn)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)五“酵母菌的液態(tài)發(fā)酵”為例，第一步，通過“知識點(diǎn)”模塊了解細(xì)菌分離、純化基本原則;第二步，通過“實(shí)驗(yàn)過程”模塊，觀看整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程演示動畫;第三步，進(jìn)行虛擬實(shí)操訓(xùn)練，在虛擬水產(chǎn)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行培養(yǎng)基的配制、干熱滅菌、稀釋分離、平板制作、劃線分離、純化培養(yǎng)及無菌操作等步驟，操作步驟均為單向，若無法進(jìn)行，可返回“實(shí)驗(yàn)過程”模塊，再次觀看整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程演示動畫。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)共建立七個(gè)獨(dú)立的步驟和100余個(gè)交互操作。

3.4? 實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作

按照課程教學(xué)計(jì)劃，在完成虛擬實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)后，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際實(shí)操實(shí)驗(yàn)。同樣以“酵母菌的液態(tài)發(fā)酵”為例，第一步，授課教師利用PPT、圖片、視頻、動畫等多元手段講解酵母菌分離純化目的和原理;第二步，授課教師以演示示范詳解酵母菌分離純化的步驟和注意事項(xiàng)，特別強(qiáng)調(diào)無菌操作的重要性，同時(shí)不斷提出問題，檢查預(yù)習(xí)效果;第三步，學(xué)生動手實(shí)際操作，授課教師走到學(xué)生中間答疑解惑，并隨時(shí)觀察學(xué)生的操作是否規(guī)范、安全，如有錯(cuò)誤及時(shí)指出。

3.5? 課后評價(jià)

在學(xué)生完成實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作后，安排時(shí)間讓學(xué)生再次登錄內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院云畜牧創(chuàng)新平臺下智慧養(yǎng)殖虛擬仿真平臺，進(jìn)入水產(chǎn)微生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)板塊，進(jìn)行課后復(fù)習(xí)，操作與實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)過程一致。但在復(fù)習(xí)過程中要求學(xué)生結(jié)合自己實(shí)操實(shí)驗(yàn)的經(jīng)歷，找出課程測試中他人完成實(shí)驗(yàn)視頻的錯(cuò)誤點(diǎn)，并完成其他相關(guān)測試。

4? 小結(jié)與展望

虛擬仿真技術(shù)克服教學(xué)資源不足的限制，學(xué)生可多批次反復(fù)操作練習(xí)，提高實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范性和準(zhǔn)確性;克服教學(xué)模式陳舊的難題，可把枯燥的理論變?yōu)轷r活的圖形，引發(fā)學(xué)生濃厚的興趣，從而達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際的目的;克服基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)過多的問題，學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)生主動性和創(chuàng)造性;保證學(xué)生實(shí)驗(yàn)安全性，避免致病性微生物引起生物安全隱患。

作為一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)對教師的綜合素養(yǎng)及教學(xué)方法提出更高的要求，技術(shù)層面上要求教師熟練掌握和應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，教學(xué)內(nèi)容上要求保證虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一致性。同時(shí)，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中需要進(jìn)一步加強(qiáng)課后評價(jià)體系，保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1]王文秀.我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J].鄉(xiāng)村科技，2019（36）：107-108.

[2]李保.水產(chǎn)養(yǎng)殖常見病害的發(fā)生與防治[J].農(nóng)村·農(nóng)業(yè)·農(nóng)民，2020（8）：64.

[3]李樂.新冠肺炎疫情背景下的高校在線教學(xué)的特點(diǎn)及影響[J].教育教學(xué)論壇.2020（40）：5-6.

[4]常雅寧，彭鈺珂，魏東芝，等.虛擬仿真技術(shù)在酶工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)上的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2019（2）：237-239，244.

[5]張崇英.水產(chǎn)微生物課程教學(xué)的改革初探[J].農(nóng)家參謀，2019（3）：139.

[6]劉曉丹.“雙一流”背景下“水產(chǎn)微生物學(xué)”教學(xué)改革探索[J].高教學(xué)刊，2019（17）：132-134.

[7]陳容容，孫益頂，魏東盛，等.多媒體虛擬仿真教學(xué)法在微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015（11）：194-196，200.

[8]米佳麗，馮世坤，張建新，等.水產(chǎn)專業(yè)微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與探索[J].河南水產(chǎn)，2018（5）：41-43.