在食品微生物實驗教學中應用虛擬仿真教學的策略分析

關波 胡有貞 張艷 倪永清 周紅

摘? 要：虛擬仿真實驗教學是我國高等教育方式改革的方向之一，已在很多專業的實驗教學中取得了一定的成果。在新工科教育背景下，借助虛擬仿真實驗教學助力食品微生物實驗教學的改革，提高食品微生物學實驗的教學質量，需要結合食品科學學科的專業特點和學生的知識結構，更新優化食品微生物學實驗的虛擬仿真教學內容、探索建立與虛擬仿真教學相適應的教學和考核方式，從而更好地服務于培養實踐能力強、具有創新精神的食品科學專業人才。

關鍵詞：虛擬仿真;實驗教學;食品微生物學;教學模式;教學改革

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2019）25-0083-03

Abstract： Virtual simulation experiment teaching is one of the directions of higher education reform in our country， and has achieved some success in experiment teaching of various majors. In the context of new engineering education， to accelerate successful reform of food microbiology experiment teaching and improve the teaching quality of food microbiology experiment with the help of virtual simulation experiment teaching， we need to combine the professional characteristics of food science and students' knowledge structure， update and optimize the virtual simulation teaching content of food microbiology experiment， explore and establish teaching and assessment methods that are compatible with virtual simulation teaching. Only in such a way can we make the virtual simulation teaching better serve for training of food science professionals with strong practical ability and innovative spirit.

Keywords： virtual simulation; experiment teaching; food microbiology; teaching mode; teaching reform

食品微生物學實驗是針對食品科學與工程和食品質量與安全專業大二學生開設的專業基礎課，主要配合食品微生物學理論課程介紹微生物學相關的實驗技術，使學生具備基本的微生物學操作技能以及微生物的分析和檢測能力。微生物學理論課程內容與實驗結合緊密，不經歷規范的實驗教學環節，許多知識點對本科生而言是抽象的，難以在短期內較好的消化掌握。因此，食品微生物學實驗是加深學生對理論課程知識理解，培養學生綜合分析能力，激發學生創新意識，提高學生動手操作能力的重要教學環節。實驗教學環節有助于學生深入、全面的了解微生物的基本特性，并熟悉其在食品科學與工程、食品安全與檢測中的應用現狀。在當前新工科教育背景下，工科學生的實驗實踐能力培養顯得更為重要。然而，傳統基礎實驗課教學通常是先由實驗教師課堂講授知識并示范實驗過程及提及注意點，然后學生開始進行實驗操作，最后回去整理實驗數據并完成實驗報告。由于實驗內容更新緩慢，教學方式單調，傳統實驗教學的方式很難調動學生的積極性，學生對實驗內容提不起興趣，很難滿足培養學生實踐和創新能力的教學需求。

虛擬仿真實驗是指借助于多媒體技術和虛擬現實等技術，在計算機和網絡上搭建的可輔助甚至替代傳統實體實驗操作環節的相關軟硬件操作環境。借助虛擬仿真技術，虛擬仿真實驗教學可以將視、聽、觸等多種感知的虛擬實驗環境融入實驗教學，使學生產生身臨其境的感覺[1]。更重要的是，這種不依賴實驗教學場地和實驗條件的教學模式，有利于實現稀缺實驗資源的充分共享，拓展實驗教學內容的廣度和深度，延伸實驗教學的空間和時間。此外，與傳統教學模式下以教師為主體，由教師完成知識的講授和傳遞過程，而學生在學習過程中處于被動接受狀態不同，虛擬實驗教學模式下主要以學生為主體，能夠更好激發學生的學習興趣，提升實驗教學質量。作為一種新興教學工具，虛擬仿真實驗教學對于高校傳統實驗教學模式極具挑戰意義。

近年來，面對教育信息化的國際形勢，教育部連續印發《2017年教育信息化工作要點》和《關于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》兩個文件，鼓勵開展虛擬仿真實驗共享平臺建設，可見教育部對于在高校專業實踐教學中開展虛擬仿真教學的重視。為了充分調研虛擬仿真實驗教學在食品微生物實驗教學中應用的可行性和必要性，結合食品學院食品科學與工程和食品質量與安全兩個工科專業學生的知識結構特點，找出虛擬仿真教學模式在目前的教學實施過程中存在的問題，為科學的、針對性的改進食品微生物實驗教學模式提供依據，本文對虛擬仿真實驗教學在國內兄弟院校食品微生物實驗教學中的應用現狀進行了調研分析，并對如何在食品微生物實驗教學中合理利用虛擬仿真技術的策略進行了歸納總結。

一、開展虛擬仿真實驗教學的必要性

傳統實驗教學模式受到時間、空間的限制。以筆者所在學校為例，食品微生物學實驗每學期授課人數約180 人，然而現有實驗室僅能提供30-34人的空間同時開展實驗操作，實驗過程常常人員擁擠嘈雜，客觀條件不利于學生建立良好的無菌操作觀念。對于一些綜合性大實驗，多個班級輪流使用實驗室也給實驗教學帶來的諸多不便。實驗設備和實驗材料是進行實驗教學的重要基礎，現有儀器設備很大程度決定了可開展實驗的項目內容。由于實驗設備更新緩慢，現有食品微生物學實驗的實驗項目多年來基本沒有進行調整，導致學生只能通過常規基礎實驗了解微生物實驗相關技術，部分實驗項目因教學成本高或涉及先進儀器設備而無法開設，學生沒有機會建立對這類實驗的感性認識，這些因素很大程度限制了學生的思維方式，不利于培養學生對微生物實驗技術的興趣。

虛擬仿真實驗，則能夠突破實驗教學對客觀條件的依賴性，滿足實際課堂教學需要，使學生對那些真實實驗難以開展的實驗機理和實驗現象進行深入了解，使學生對抽象的實驗原理及過程產生形象、深刻的認識，為一些前沿微生物學實驗技術走進本科生課堂提供了可能。與此同時，模擬虛擬實驗環境，將知識可視化呈現也有助于調動學生參與實驗實踐的積極性和主動性。

二、食品微生物實驗教學中應用虛擬仿真教學的策略分析

就目前實施的情況看，虛擬仿真實驗教學項目在建設中也存在一些共性問題。比如，虛擬仿真教學的“內容”與“骨架”分離，專業教師沒有與提供虛擬仿真技術的公司有效合作溝通;各高校間的虛擬仿真實驗教學項目共享機制不健全等[2]。因此，如何在食品微生物實驗教學中科學合理的運用虛擬仿真技術，切實提高食品微生物實驗的課堂實訓質量，總結兄弟院校的實施經驗，筆者認為需要從以下幾方面調整應用實施虛擬仿真教學的策略。

（一）合理選擇適合虛擬仿真實驗教學的內容

虛擬仿真實驗教學的優勢在于能夠突破實驗教學對客觀條件的依賴性，因而更適合選擇對實驗精度要求較高、實驗條件受限、無法開展或涉及生理機制、實驗原理較抽象、學生理解較困難的前沿微生物實驗項目。比如，食品微生物學中遺傳學部分章節涉及的基因突變、轉導和轉化等專題實驗，對操作者的分子生物學技能和經驗要求較高，實驗周期較長，很難在課堂教學有限的時間內取得好的教學效果。因此，選擇這類實驗項目應用虛擬仿真實驗教學手段，能夠有效避免實驗因各方面原因失敗而導致學生無法體驗實驗的完整環節，提高教學效率[3]。相反，對于普通光學顯微鏡的操作使用和微生物的顯微觀察這類周期短、可操作性強的實驗項目，則應以傳統課堂教學操作演練為主，盲目在這類實驗項目中應用虛擬仿真教學技術反而會使學生失去基本的實驗技能訓練機會。此外，對于一些涉及基因工程或免疫學的教學內容，例如單克隆抗體制備、酶聯免疫吸附等，內容非常重要，但開設教學成本過高而且經常使用一些毒性較大的實驗試劑對于本科教學來說存在一定的安全隱患，且無法保證每個學生都動手完成實驗，這些實驗項目則可以優先考慮建設相應的虛擬仿真教學資源。

（二）“虛”“實”結合、提高課堂實訓的效率

建構食品微生物學虛擬仿真實驗平臺并不意味著完全替代傳統的課堂實驗操作訓練，而是為了提高課堂實驗操作訓練的效率，使得課堂教學有的放矢，充分發揮教師在課堂中啟發、引導的作用。大連工業大學食品學院建立的“多媒體+虛擬仿真+課堂實訓”多元模式的微生物實驗教學體系[4]，從時間和空間上拓展了“微生物學”課堂，學生在課前借助網絡和虛擬仿真資源充分預習實驗內容，課堂教學過程則針對大家容易出現的問題和不易理解的重點難點進行講解，將課堂時間解放出來，讓大家有更多的時間進行實驗的實際操作，拓展了學生的學術視野，提高了學生的學習效率和主觀能動性。吉林師范大學生命科學學院在虛擬仿真教學內容建設過程中也認為一定要堅持“能實不虛”的原則，一些簡單重復實驗能在正常實驗課就能完成的則沒有必要虛擬化。

此外，將虛擬仿真實驗教學的內容和傳統實驗教學的內容有機結合，充分發揮各自的優勢，也是提高課堂實訓效率有效方式。比如，在微生物學實驗“食品中大腸菌群的測定” 的教學過程中，學生往往對如何通過代謝特征判定大腸菌群理解起來困難較大。究其原因，主要是這些實驗涉及的微生物代謝相關的理論知識很難貫穿融入到實驗教學中，造成了學生對這部分內容的理解困難。建設微生物代謝途徑相關的虛擬仿真實驗教學資源，可以很好的補充傳統實驗教學的不足。利用軟件技術將大腸桿菌等不同類群的微生物對各類糖的代謝途徑設計成虛擬實驗項目，學生通過虛擬演練，能夠直觀深刻的理解微生物代謝多樣性，從而明白如何通過代謝特征判定大腸菌群的內在原理。這種教學內容上的“虛”“實”有機結合，能夠最大限度發揮兩種實驗教學模式的優勢，從根本上提高食品微生物學實驗的教學質量，培養學生的綜合分析、推理能力。

（三）充分利用已有虛擬仿真實驗平臺資源，差異化建設更新食品微生物學實驗虛擬仿真實驗項目

2018年6月，首批國家虛擬仿真實驗教學項目認定結果出爐，認定105個虛擬仿真實驗教學項目為首批國家虛擬仿真實驗教學項目，并要求相關高校要確保項目被認定后逐步面向高校和社會免費開放并提供教學服務。首批國家虛擬仿真實驗教學項目中與食品微生物學實驗相關的即有“啤酒工藝虛擬仿真實驗教學（廣西大學）”、“糖化酶催化啤酒發酵工藝虛擬仿真實驗（華東理工大學）”、“固態白酒發酵的工藝原理和生物學本質探究虛擬仿真實驗（華中農業大學）”及“虛擬仿真基因工程方法制備ScFv抗體大實驗（浙江理工大學）”5個項目。由于時間和實驗條件限制，這類與發酵食品相關的大實驗，在常規微生物學實驗課內很難完成，充分借助這些已建成的虛擬仿真實驗教學項目，能夠很好彌補現有食品微生物學實驗教學內容陳舊的不足，極大的拓展學生的視野和學習積極性。此外，目前的一些成型虛擬仿真教學資源產品與本校的教學實際情況不符，通過簡單的花錢購買無法達到預期教學目標。實驗教師應根據食品微生物學實驗的特點，獨立設計虛擬仿真教學目標、內容，與軟件開發人員合作，訂制虛擬仿真教學資源，根據實驗要求，有針對性地訂制虛擬仿真教學內容。在建設食品微生物學實驗虛擬仿真教學內容的過程中，還可以根據地方院校的實際情況，選擇具有區域特色的實驗項目內容，基于本地區優勢和特色食品產業，逐步建設相關的虛擬實驗教學項目，從而避免與兄弟院校重復建設和資金浪費的現象，保證建成的虛擬仿真教學資源能夠真正服務于課堂實驗教學，提高實驗教學的質量。

（四）探索建立與虛擬仿真教學相適應的教學模式和考核方式

虛擬仿真教學本質上是信息技術與教育教學深度融合的產物，是實驗教學改革的手段之一。在實驗教學中引入虛擬仿真教學的同時，還應思考建立與之相適應的教學模式和考核方式。一些教學實踐研究表明[5]，在虛擬仿真實驗平臺的基礎上，運用“翻轉課堂”教學法進行實驗教學，對于提高實驗教學的質量具有良好的促進效應。“翻轉課堂模型” （Model of Classroom Flipping），即在課下教師借助網絡化的課程管理工具進行在線教學并呈現學習材料，而在課上教師主要與學生開展互動，進行深入協作。對于食品微生物學實驗課，教師可以將實驗項目內容、相關的虛擬仿真教學資源上傳至網絡教學平臺，方便學生在課下預習，實現讓學生不用進實驗室在電腦前即可熟悉實驗內容，并提前進行模擬實驗操作;在課堂教學中則以學生自主實際操作為主，教師視學生的操作情況進行適時的指導，更好的幫助學生真正掌握這些基本實驗技能;課后借助網絡教學平臺的資源，學生還可多次復習相關知識，總結鞏固所學實驗的關鍵操作細節，拓展學生學習的時間和空間。

為了保證“翻轉課堂”教學模式下，虛擬教學資源得到充分的利用，保證良好的教學效果，教師在將虛擬教學資源整合如網絡教學平臺時，應當設計相應的考核環節[6]。比如，利用網絡教學平臺對學生是否在課前學習網絡教學平臺的各類教學資源進行數據采集和統計;在課堂教學環節，結合學生的實際操作情況考核學生課前預習的學習效果，或以學生為主體，在課堂教學中由學生分組介紹實驗操作過程的心得并進行評分;課后通過設計實驗操作相關的小測驗，進一步考核學生的掌握情況。總之，在食品微生物學實驗教學中引入虛擬仿真教學資源的同時，應當逐步探索建立與之相適應的教學模式和考核方式，從而更好的保證教學改革的成效。

三、結束語

信息技術和人工智能的飛速發展，給食品微生物學實驗教學的改革帶來了新的機遇和挑戰。虛擬仿真教學在食品微生物學實驗教學中具有廣闊的應用前景，只要我們加強虛擬資源共享機制建設，充分利用虛擬仿真教學的優勢，合理選擇適合自身教學實際的內容建設虛擬仿真教學資源，不斷探索建立與虛擬仿真教學相適應的教學模式和考核方式，食品微生物學實驗教學的質量和效果將得到顯著的提升，學生的實踐和創新能力將得到更好培養。

參考文獻：

[1]常雅寧，彭鈺珂，魏東芝，等.虛擬仿真技術在酶工程實驗教學上的應用[J].實驗室研究與探索，2019，38（02）：237-239+244.

[2]李磊.虛擬仿真實驗教學的必要性、存在問題及其可持續發展機制[J].湖北開放職業學院學報，2019，32（07）：151-153.

[3]金太成，楊麗萍，趙永斌.虛擬仿真實驗平臺在生物技術專業本科實踐教學中的應用[J].長春師范大學學報，2019，38（02）：139-140.

[4]林心萍，林松毅，董秀萍，等.微生物學實驗虛擬仿真教學模式的探索與實踐[J].科學大眾（科學教育），2019（05）：162.

[5]賈強，楊銳，劉小粉，等.虛擬仿真實驗平臺結合翻轉課堂在機能實驗教學中的應用[J].基礎醫學教育，2019，21（04）：321-324.

[6]錢猛，崔瑾，成丹，等.南京農業大學微生物學虛擬仿真實驗教學模式的探索[J].微生物學通報，2016，43（04）：861-866.