環(huán)境微生物實驗課虛擬仿真實驗教學探討

趙金博 劉夢媛

【摘要】虛擬仿真實驗教學方式是我國高等院校教育方式改革的方向之一，并取得了一定的成果。該方式由于尚在起步階段，在改革的同時也暴露出了一些現(xiàn)象和問題。本文以北京師范大學環(huán)境學院大二本科生的環(huán)境微生物實驗課為例，從教學內(nèi)容和教學方式上對虛擬仿真實驗的教學建設(shè)提出一些自己的理念和設(shè)想，為虛擬仿真實驗教學改革進程添磚加瓦。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真 環(huán)境微生物 實驗

【中圖分類號】X172-4 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）10-0169-02

一、研究背景

《環(huán)境微生物實驗課》是針對北師大環(huán)境學院大二學生開設(shè)的基礎(chǔ)必修課程。本門課程與《環(huán)境微生物》教學課程相呼應(yīng)，以環(huán)境科學與環(huán)境工程科學實驗中與微生物相關(guān)的科學知識為基礎(chǔ)，讓學生通過實驗學習微生物的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、生理生化、功能及其在環(huán)境科學和工程中的重要作用，并使學生熟練掌握微生物學基本實驗的操作原理、方法、技巧， 領(lǐng)悟微生物學獨特的研究方法和實驗手段。然而，傳統(tǒng)實驗教學方法已經(jīng)不能滿足教學需求。具體存在問題如下：

1.實驗空間有限。《環(huán)境微生物實驗課》每學期授課人數(shù)約60人，然而現(xiàn)有實驗室僅能供30人的空間同時操作實驗，導致一門實驗課分2次教學，增加了人力成本也降低了實驗室的使用效率。

2.實驗教學成本過高。實驗設(shè)備和實驗材料是進行實驗教學的物質(zhì)基礎(chǔ)。但實驗室目前僅有14臺顯微鏡，2臺電子天平，2個光照培養(yǎng)箱，3個超凈臺。按照一個班級30人計算，則需要每2-3人使用一臺顯微鏡，每15人使用一臺天平。硬件基礎(chǔ)差使得實驗課的效率很低，并且每節(jié)授課任務(wù)都需要延遲下課15-30分鐘才能完成。

3.實驗項目有限。《環(huán)境微生物實驗課》由于教學成本及空間的約束缺乏創(chuàng)新型實驗使學生對授課內(nèi)容興趣不大。

4.教學力量薄弱。《環(huán)境微生物實驗課》共有2位老師授課，平均每個老師需要同時指導30名學生。由于學生個體存在能力上差異，總會遇到很多問題，而實驗教師不足不能做到1對1傳授或解答，使得學生在實驗過程中遇到的問題不能及時解決，進而影響教學質(zhì)量。

綜上，虛擬仿真實驗教學由于不受場地，儀器數(shù)量等限制，有益于操作和重復[1]，使得每個同學可以獨立完成實驗，增加學生的實驗機會。同時，虛擬仿真給教學提供了創(chuàng)新的可能，能夠充分激發(fā)學生實驗興趣，提高教學質(zhì)量的完成[2-3]。從講師的角度講，老師上課傳授的內(nèi)容可能還沒有查閱百度的內(nèi)容全面詳細，因此教師要從知識的傳授者向組織者、協(xié)調(diào)者進行轉(zhuǎn)變，慕課教學、虛擬仿真教學是我國教育改革的大勢所趨[4-6]。

二、環(huán)境微生物實驗課虛擬仿真實驗教學探討

《環(huán)境微生物實驗課》虛擬仿真實驗教學理念是“科學規(guī)劃，虛實結(jié)合，跨介質(zhì)，重應(yīng)用”。科學規(guī)劃，是指《環(huán)境微生物實驗課》不但緊扣《環(huán)境微生物》理論課，同時也傳授學生從觀察（現(xiàn)象）-發(fā)現(xiàn)問題-建立邏輯方法-獲得數(shù)據(jù)-進行驗證的科學實驗思維，培養(yǎng)學生的獨立思考能力、獨立設(shè)計實驗能力。具體內(nèi)容如下：

從顯微鏡觀察微生物入手，讓學生從形態(tài)、結(jié)構(gòu)、大小、顏色、透明度等物理性質(zhì)對微生物有理性的認識。 從觀察引出學生思考問題，由于絕大多數(shù)微生物都是透明的，學生將通過對微生物的染色對其進行初步的分類（陰性和陽性），并運用到環(huán)境工程中活性污泥的觀察及初篩中。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合環(huán)境科學與工程的實際實驗需求將傳授學生對（已知和未知）微生物的定性和定量分析手段。在實驗過程中教授學生滅菌、培養(yǎng)基制備、培養(yǎng)、分離、篩選、樣本凍存與復蘇、超凈臺操作等基礎(chǔ)實驗技術(shù)，將微生物實驗的具體操作方法滲透在各實驗中。

虛實結(jié)合是指《環(huán)境微生物實驗課》可以通過虛擬仿真實驗提供教學效果，激發(fā)學生興趣，但是本實驗課設(shè)計到大量的動手能力與技能需要在現(xiàn)實情境中進行操作，包括很多實驗的技巧和經(jīng)驗都是在錯誤操作中獲得和總結(jié)出來的。因此，本實驗課將抽象的、成本高的實驗及步驟納入虛擬實驗教學體系，同時兼顧實體教學。

跨學科是環(huán)境學科的學科特點，是指環(huán)境學科包含了物理，化學，生物，地質(zhì)學，地理，資源技術(shù)和工程等的物理科學，也含有資源管理和保護，人口統(tǒng)計學，經(jīng)濟學，政治和倫理學等社會科學。

而環(huán)境微生物學從傳統(tǒng)的教學科研領(lǐng)域僅僅從單一介質(zhì)中進行研究或教學。例如，研究水里面的微生物就不會涉及土壤和大氣帶來的影響和作用。然而在復雜的環(huán)境現(xiàn)實中，一個知識點或者一個科學的問題往往需要多介質(zhì)的綜合考慮，由于教學條件、經(jīng)費、人力資源等原因，環(huán)境微生物的教學科研一直停留在單一介質(zhì)的研究中，這就局限了學生只能從局部或者部分的發(fā)現(xiàn)、研究和學習科學問題，無法從更高的層次去學習科學知識，在創(chuàng)新思維和技術(shù)應(yīng)用都具有局限性。

跨介質(zhì)是指突破傳統(tǒng)的水、大氣、土壤的單一介質(zhì)作為研究媒介，發(fā)揮虛擬仿真實驗的優(yōu)點，從一個區(qū)域或一個局部的實際問題出發(fā)，將環(huán)境微生物融入多介質(zhì)的整體學習研究中，作為一個體系進行知識傳授。例如一個流域區(qū)間的氮循環(huán)為例，農(nóng)田中的氨肥由土壤中的微生物通過消化作用生成硝氮并伴隨氧化亞氮和一氧化氮向大氣排放，空氣中的氮氧化物由光氧化生成HNO3、NO3-以及臭氧等二次污染，氣溶膠或PM2.5作為微生物的載體又可以將病毒、細菌擴散出去，最終以干沉降或濕沉降的形式回歸土地。部分氮肥經(jīng)過土壤微生物轉(zhuǎn)化后被植物根莖吸收，富集在果實里最終被人體吸收并排放到水體中。部分氮素會隨經(jīng)雨水徑流流入天然水體改變了水生微生物的生長環(huán)境。因此，多介質(zhì)的虛擬仿真模擬技術(shù)有助于學生理解，微生物在每一個環(huán)節(jié)中的作用。

重應(yīng)用是在傳授學生實驗技能的基礎(chǔ)上，著重培養(yǎng)學生自己解決問題能力、技能結(jié)合和應(yīng)用推廣能力。以《環(huán)境微生物實驗課》傳授的理論-技術(shù)-經(jīng)驗為基礎(chǔ)，鼓勵學生申請本科生基金、北創(chuàng)、國創(chuàng)等自主創(chuàng)新項目并給予指導。

三、虛擬仿真與傳統(tǒng)教學結(jié)合案例

傳統(tǒng)教學中第3-5節(jié)課分別是“環(huán)境中的微生物”、“革蘭氏染色”和“藻類的計數(shù)”。其教學目的分別是傳授獨立設(shè)計微生物實驗的基本方法，了解處理組與對照組在實驗設(shè)計中的意義。以“革蘭氏染色”為例傳授簡單的定性分析，以“藻類的計數(shù)”傳授基礎(chǔ)的定量分析。然而在這個模塊中由于實驗場地和器材的缺乏，常規(guī)教學很難做到方法的應(yīng)用與推廣，借助虛擬仿真技術(shù)上述模塊被設(shè)計成如下案例教學。

EDTA對土壤中微生物群落的影響實驗研究：

實驗背景：通過視頻畫面，學生先認識到我國土壤重金屬污染問題嚴重并亟需解決；目前我國現(xiàn)有的土壤修復方法的匯總；簡述用挖掘方法將重金屬污染的土壤集中后用1.5M 的EDTA進行洗脫的方法和原理；提出問題，EDTA會在土壤中保留有一定的殘留液，這類土壤回歸自然后土壤中微生物群落生長是否會受到影響，有什么程度的影響？

實驗設(shè)計：通過軟件技術(shù)實現(xiàn)學生自行設(shè)計實驗的目的。 具體包括方法設(shè)計、培養(yǎng)過程設(shè)計、實驗分析設(shè)計。方法設(shè)計，如學生自行設(shè)計實驗變量，包括：EDTA的濃度梯度，土壤的類型，同等條件下對照組的設(shè)計； 培養(yǎng)過程設(shè)計包括：培養(yǎng)時間和條件，采樣時間和方法，平板劃線分析等操作過程；實驗分析包括：篩選出的微生物定性和定量分析并得出初步的結(jié)果。

實驗驗證部分：運用虛擬仿真技術(shù)，學生可以虛擬操作流式細胞儀進行簡單的細菌染色及計數(shù)， 通過虛擬操作高通量測序得出定量結(jié)果并作為課堂實操的驗證。

四、虛擬仿真實驗教學展望

從環(huán)境科學與工程的學科特點上分析，環(huán)境科學一般是針對特定的微生物樣品進行處理和條件化干預，進而獲得特定微生物與其它事物之間的關(guān)系模式，通過探索其發(fā)生-發(fā)展-過程的機理，總結(jié)出規(guī)律進而形成理論，為自然的認知提供知識。因此，環(huán)境科學涉及的是對已知微生物的研究，其標準化實驗包括微生物的定性（微生物是否存在）、定量（個數(shù)）、功能（酶）、理化特征（形狀、大小、化學性質(zhì)等）。對于環(huán)境工程來說，微生物樣品往往是環(huán)境樣品，即未知樣品。其標準化實驗一般包括：微生物群落結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)勢種群篩選、簡單的分類（革蘭氏染色）、某種特征微生物的鑒定等。

從表1不難看出，如果結(jié)合實際應(yīng)用，傳統(tǒng)教學的內(nèi)容需要進行修改和提高，鑒于儀器缺乏和場地的限制，虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展空間很大，可以設(shè)計出很多在滿足現(xiàn)有教學要求的同時還可以重視實驗應(yīng)用。進而提高學生認識，培養(yǎng)學生實驗科研興趣。

參考文獻：

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作者簡介：

趙金博（1980-），男， 漢族，吉林梅河口人，博士，高級實驗師， 主要研究方向為環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境微生物。

劉夢媛（1996-），女，漢族，湖北武漢人，本科生，研究方向為環(huán)境科學。