“食品微生物學”虛擬仿真實驗教學模式應用的SWOT分析

趙圣明，趙巖巖，周威，朱明明，焦凌霞，畢繼才

河南科技學院食品學院（新鄉 453003）

在當前新工科教育背景下，實驗教學是工科專業人才培養體系中的重要組成部分，是推進工科教育改革發展的重要環節，因此，培養工科學生的實踐能力尤為重要[1]。“食品微生物學”是食品科學與工程、食品質量與安全及糧食工程等工科專業的主干專業基礎課程。通過學習和掌握微生物學相關基礎理論和實驗技術，進一步應用于食品微生物安全控制與檢測、食品發酵生產等實踐過程?！笆称肺⑸飳W”實踐教學是知識向能力轉化的關鍵環節，也是培養食品微生物類應用型創新人才的主要途徑，實踐教學質量對學生的綜合實踐能力、創新精神和工程素質培養具有舉足輕重的影響[2]。因此，“食品微生物學”實驗教學環節至關重要，通過系統的實驗學習，可以激發學生的學習熱情，提高創新意識，有助于掌握抽象的理論知識，并將其進一步應用生產實踐中。然而，傳統的“食品微生物學”實驗教學模式及教學技術落后，主要依賴于真實的實驗室，實驗教學質量及項目設置易受實驗設施、課程教學時間、實驗資源、實驗成本及空間等條件的限制。大多學校由于軟硬件等條件的限制，實驗操作學時遠遠不夠，不能調動學生參與實驗學習的積極性，同時也不能滿足“新工科”建設及應用型創新人才培養的要求。因此，加強現代信息化技術在傳統工科高等教育中的深度融合，是強化實驗教學、提高學生實際操作能力的重要手段。

虛擬仿真實驗是依托現代化計算機硬件和軟件技術，利用動態教學模型對傳統實驗的場景、儀器設備、操作行為等進行系統性、動態性的模仿，實現與實際實驗結果一致的教學效果[3]。隨著5G時代的到來，虛擬仿真技術也得到快速發展，為實踐教學改革帶來巨大機遇。早在2017年我國教育部就印發《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》[2]，進一步深化和拓展虛擬仿真教學項目的建設工作，推動虛擬仿真技術在高校教學中的改革探索。采用虛擬仿真技術進行“食品微生物學”實踐教學改革，可促使實踐教學從傳統的知識型教學向技術應用型教學轉變，不僅可以節約實驗資源、實驗成本、拓展實踐教學時間與空間，有效突破時間、空間和儀器資源等的約束，克服實驗教學對實際客觀條件的依賴性，而且還可以激發學生的學習興趣，滿足自主學習的需求，深化對實踐知識點的理解，提高學生創新思維能力、動手能力和綜合實驗技能，培養學生的職業技能和職業素養，具有重要的理論意義和實際意義。通過運用SWOT分析法，分析開展“食品微生物學”虛擬仿真實驗教學的具體優勢、劣勢、機會和挑戰，以期拓展“食品微生物學”實驗教學模式，提升“食品微生物學”實驗教學水平，為進一步促進現代信息技術在實驗教學改革中的應用提供借鑒。

1 “食品微生物學”虛擬仿真實驗教學的必要性

以河南科技學院為例，傳統“食品微生物學”實驗教學人數每學期人數約200人，但“食品微生物學”實驗室空間只能供60人左右同時進行實驗學習。尤其是一些綜合設計型實驗，如大腸菌群測定，需要進行培養基配制與滅菌、平板制作、樣品無菌操作、菌落培養、菌落計數等操作項目，整個實驗流程需要1周左右，多個班級只能輪流進行實驗，影響實驗的連續性。由于實驗室條件限制，為滿足所有學生的實驗教學需求，因此學生需要在規定的時間完成實驗項目，這也明顯限制了學生的創新性思維訓練，影響學生科學探索精神的培養。還有一些實驗如病原微生物的檢測，可能會危害學生的身體健康。此外，一些新型實驗設備和儀器成本較高，由于經費有限，學校更新較慢，導致一些學科前沿的實驗項目無法順利開展。同時，大型設備需要專業人員定期維護和保養，以及某些學生的粗心操做也可能損壞實驗設備，這些因素都增加了實驗成本[4]。因此，傳統的“食品微生物學”實驗教學模式已不能滿足當代大學生的學習需求。傳統實驗教學手段單一、學生參與度不高，往往是參照實驗指導和教師的講解按部就班地進行實驗操作，學生缺乏深入的實驗思考。手機、電腦已成為當代大學生學習和生活的必需品。將實驗教學與信息化手段相結合，將有助于提高學生的學習興趣，發揮其主觀能動性[5]。雖然基于網絡教學平臺的信息化教學模式，如學習通、雨課堂等教學平臺在一定程度上加強了師生的互動交流，提高了“食品微生物學”實驗教學的質量和學習效率，但基于網絡教學平臺的信息化教學模式依舊偏重于實驗理論教學。而虛擬仿真實驗教學，可以利用網絡教學平臺和以Unity3D平臺為基礎的3D仿真技術開發虛擬仿真實驗平臺進行“食品微生物學”實驗教學，將實際實驗室操作和虛擬實驗課堂有機結合，不僅可以讓理論教學更加生動有趣，還可使學生身臨其境地感受實驗操作。同時虛擬仿真技術的高逼真性、交互性、沉浸性和虛幻性等特點，有利于提高學生學習興趣，豐富實驗教學內容，提高學生的實踐綜合應用能力和促進實時交互式教學活動的開展。虛擬仿真技術使實驗教學可視化、形象化、立體化，提高課程實踐教學效率，對新工科背景下的人才培養模式創新具有深遠的影響。

2 “食品微生物學”虛擬仿真實驗教學模式的SWOT分析

2.1 優勢（strength）

2.1.1 虛擬仿真技術優勢

以Unity3D平臺為基礎的3D仿真技術、多媒體技術和網絡技術為依托，以“食品微生物學”實驗操作為載體，采用面向服務的軟件架構開發，集實物仿真、創新設計、智能指導、虛擬實驗結果自動批改和教學管理于一體。整體構架分為數據層、支撐層、通用服務層、仿真層和應用層等。在數據層里，分別設置虛擬實驗的用戶信息、基礎原件庫、規則庫、答案庫、實驗教程等。支撐層是“食品微生物學”虛擬仿真實驗教學與開放共享平臺的核心框架，是實驗項目正常開放運行的基礎，負責整個基礎系統的運行、維護和管理。通用服務層是為“食品微生物學”虛擬仿真實驗教學管理平臺提供虛擬實驗教學環境的一些通用支持組件，有助于快速在虛擬實驗環境中完成虛擬仿真實驗搭建。仿真層主要針對該項目進行相應的器材建模、實驗場景構建、虛擬儀器開發、提供通用的仿真器，并為應用層提供實驗結果數據的格式化輸出。應用層針對學生提供具體應用服務[6]。同時系統開發中使用大場景三維掃描和手持式掃描等方式對實驗室場景和常用設備、材料進行采集測量，構建測量數據庫，并以此為基礎對實驗室場景和相關設備進行1︰1建模，構建高真實感的實驗場景。虛擬仿真實驗平臺對硬件設備要求低、交互性強，通過虛擬仿真技術與實驗教學的有機結合，有效解決實驗場地、成本等因素制約問題，提高學生的理論和實踐操作能力。

2.1.2 學校教學平臺優勢

河南科技學院食品科學與工程專業為國家一流本科專業建設點，專業實力強大，利用國家一流專業的優勢支撐一流課程的建設。面對教育信息化的快速發展趨勢，對開展課堂教學的信息化改革尤為重視。學校設立專項經費，保證信息化技術在高等教育教學中的推廣應用，推動虛擬仿真技術在高校教學改革中的應用創新。鼓勵教師積極申報虛擬仿真實驗教學方向的相關課題，配套購買相關的教學平臺和資源?！笆称肺⑸飳W”虛擬仿真實驗平臺開發，可有力促進食品專業教學模式的多樣化，也有助于學校精品數字化課程的開發和虛擬仿真實驗平臺的建設。同時食品科學與工程專業師資力量雄厚，博士學歷占比達80%以上，能夠快速學習和接受新的信息化教學模式。

2.1.3 教學效果優勢

虛擬仿真實驗場景和操作動畫更具有趣味性，可以在實驗場景內設置互動性問答習題，并將問答習題設置成游戲闖關模式，只有答對了問題，才能進行下一步的實驗操作。虛擬仿真實驗教學可通過啟發式學習、分步驟演示等方式呈現，提升學生自主學習能力，有效提高學生的學習興趣[7]。正常的實驗操作在實驗室內進行，由于人數較多，教師僅憑肉眼觀察，很難及時發現所有學生錯誤的實驗操作，無法實現對每個學生的一對一指導。但是，教師可以在虛擬仿真軟件中根據系統的錯誤操作提示，及時糾正學生的錯誤實驗操作，更好把握教學節奏，提高教學效果。同時，虛擬仿真實驗教學突破傳統的教學模式，促進實驗教學由教師為中心的教學模式轉變為學生為中心，學生愿意主動參與學習，積極與教師互動交流，活躍課堂學習氛圍，有效提高學生的學習興趣，并促進學生獨立思考、主動進行科學探索的學習能力的培養。

2.2 劣勢（weakness）

2.2.1 成本劣勢

虛擬仿真技術國內起步較晚，尚還處于高速發展階段，實驗項目開發費用較高，一個實驗項目的開發加上版權使用費用需十余萬元，而“食品微生物學”可開設的實驗項目20～30個，導致將實驗項目整體都開設成虛擬仿真實驗的成本較高，僅適合一些需要昂貴實驗儀器或者有健康風險的實驗項目推廣和應用。同時，虛擬仿真實驗課程制作需要既掌握“食品微生物學”實驗知識又精通軟件開發的專業技術人員，對技術人員的綜合要求較高，同時還需要花費大量精力和時間開發。此外，在實驗項目各個環節中設置的交互性問題，客觀題可由計算機進行自動批閱，而主觀題無法進行自動批閱，仍需要教師根據具體的回答情況進行手動批閱，并對學生的操作失誤進行及時的反饋和糾正，因此工作量也較大。

2.2.2 模擬現實劣勢

虛擬仿真實驗雖能較為真實地模擬實驗環境，具有沉浸性和不受時空限制等特點，但仍存在一些劣勢，主要是模擬實驗場景無法與現實環境完全對應。如：無法還原雙手接觸實驗儀器、樣品的手感和操縱感；微生物接種、倒平板、平板劃線等實驗操作需要真實感受器具和樣品間接觸的面積和摩擦力的變化，因此需要通過平衡感受并調整接種和平板劃線的力度，以免劃破培養基表面。尤其是一些“食品微生物學”實驗需要精確的實驗操作技術，而虛擬仿真實驗只能在軟件中模擬實驗過程。雖然虛擬仿真實驗一定程度上可以激發學生的學習興趣，但是實驗只能從視覺、聽覺等方面進行簡單的模擬，無法帶來實際觸覺和操作的體驗，因此不能使學生學習到真正的實驗操作技術和鍛煉學生的實際動手能力，無法保證課堂的教學質量。

2.3 機會（opportunity）

2.3.1 國家政策帶來的契機

近年來，為加快信息技術在高等教育中的快速發展，國家教育部相繼發布《關于開展2014年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》《2017年教育信息化工作要點》《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》《職業教育示范性虛擬仿真實訓基地建設指南》等相關文件，鼓勵高校開展虛擬仿真實驗項目和和實驗中心的建設，表明國家層面對虛擬仿真實驗教學的高度重視。國家的政策支持和經費投入，使虛擬仿真實驗在教學中的應用廣泛開展起來。因此，抓住信息技術變革帶來的歷史性機遇，推動實現高等教育質量的“變軌超車”成為高校關注的重點。虛擬仿真實驗在“食品微生物學”中的應用目前還處于初步發展階段，具有廣闊的開發應用前景。將現代虛擬仿真技術與傳統“食品微生物學”實驗相結合，將有利于助推食品類專業的新工科建設，探索傳統工科實驗教育的智能改造升級。隨著信息化技術的高速發展，智能手機和平板電腦等移動終端的逐步普及，以及虛擬仿真實驗項目在高等教育教學中的快速推廣和應用，教師和學生對虛擬仿真實驗的接受度越來越高，虛擬仿真實驗教學的應用領域和使用頻率也將越來越廣。

2.3.2 專業發展提供的機會

近年來，隨著社會對食品安全以及消費者飲食營養與健康的日益重視，各高校食品類專業的報考人數和錄取分數逐漸提升，說明社會對食品類專業的認知度較高。同時，工科教育主導的成果導向教育理念也為虛擬仿真實驗的開展提供新契機。因此，高校應該緊跟專業發展的快車道，將傳統實驗教學與虛擬仿真技術相結合，創新教學模式，提升教學質量。虛擬仿真實驗過程中的答題環節，教師和學生可以通過平臺共同討論、分析和解決問題，有效培養學生的自主學習能力、創新意識和工程實踐能力[8]，實現理論和實踐相結合的食品類創新應用型人才的培養。此外，虛擬仿真實驗已在較多高校中開展應用探索，已完成的或者在建的實驗項目為“食品微生物學”虛擬仿真實驗提供一定建設經驗。

2.3.3 虛擬仿真技術的快速發展帶來的機遇

近幾十年，信息技術飛速發展，虛擬仿真開發技術也越來越成熟。因此，實驗軟件和平臺的開發的成本也會越來越低，這為虛擬仿真實驗技術的廣泛應用提供良好契機。在國家政策支持和社會的需求下，虛擬仿真技術在高等教育的廣泛應用是大勢所趨。雖然虛擬仿真實驗教學模式應用的時間不長，但是快速的技術更新，使其功能越來越強大，可以根據教師和學生的意見反饋，定向開發新功能，為師生提供更好的體驗。隨著虛擬技術成本的降低，智能化、個性化和泛在化的“食品微生物學”虛擬仿真實驗教室將會逐步呈現，實驗體驗更加真實，科技感更強，創新“食品微生物學”實驗教學模式，有效彌補傳統實驗教學的不足。

2.4 威脅（threat）

2.4.1 課程開發質量要求高

虛擬仿真實驗雖然具有不限空間、時間、設備等客觀條件的優勢[9]，但是一些實驗精度要求高、操作性強、需要熟能生巧、鍛煉實驗技術的實驗類項目，虛擬仿真實驗開發難度高。這類實驗項目還是更適合于傳統課堂教學實驗操作為主。如光學顯微鏡的使用，需要通過肉眼觀察目鏡，協同手動調節載物臺和調焦螺旋觀察細菌的形態，實驗需要反復的操作才能熟悉顯微鏡的使用并觀察到細菌的微小形態結構。此外，一些涉及分子生物學的實驗操作，如質粒的提取，基因的轉化等，需要精準的實驗技術，這些實驗如果都應用虛擬仿真實驗進行教學，學生將無法得到基本實驗技能的訓練機會。因此，為進一步促進虛擬仿真實驗在傳統“食品微生物學”實驗中的應用，可將智能頭盔、智能穿戴等設備與虛擬仿真實驗項目相結合，提高數據傳輸速度、屏幕刷新技術、交互設備精確度，使實驗顯示內容和感官同步，提高實驗項目的體驗性，真正實現實驗項目的虛擬操作。教育領域對虛擬仿真實驗教學的開發應用沒有統一的標準和規范，導致開發的實驗項目與使用的虛擬仿真軟件應用平臺不兼容，如系統架構、數據庫支持、功能模塊、運轉流程等都存在差異，影響虛擬仿真實驗實驗項目的廣泛推廣和應用。

2.4.2 師資力量薄弱和學生管理難度大

教師習慣于傳統的課堂實驗教學，開設虛擬仿真實驗課程，需要重新進一步掌握信息化知識，需要與軟件開發公司對接，根據實驗需求進行虛擬仿真實驗設計，還缺乏系統、成熟的信息技術操作和管理的培訓體系。此外，因為軟件開發公司無法提供實時的技術服務，后續的虛擬仿真實驗軟件和運行平臺也需要教師進行管理和維護。因此，長期順利開展虛擬仿真實驗教學也存在一定困難。

學生剛接觸虛擬仿真實驗時，由于是新鮮事物，普遍興趣較高，可以自主、有效完成學習。一旦學習時間長久，也會逐漸產生厭倦心理，便可能通過技術手段或者尋找他人替代自己刷課，完成虛擬仿真實驗課程的學習。虛擬仿真實驗課程雖然突破時間和空間的束縛，但如果教師不在現場教學，僅通過網絡則無法有效實現對學生的監督作用。因此，結合視頻直播或者其他有效的考核監督方式是未來虛擬仿真實驗項目開發需要考慮的一個重要問題。

3 結語

虛擬仿真實驗的交互性、沉浸性和趣味性等特點，有力推動了信息技術與“食品微生物學”實驗教學的結合和發展。利用SWOT方法分析“食品微生物學”虛擬仿真實驗教學模式的應用應該考慮具體實驗的類型和內容發揮其優勢，并不是完全通過虛擬仿真實驗替代傳統的課堂實驗操作教學[10]，而是建議采用“虛”實結合的方式，將虛擬仿真實驗教學內容和傳統實驗教學內容有機結合，充分發揮各自的優勢。通過虛擬仿真實驗教學模式的應用，提高課堂的實驗技能教學效果，充分激發學生的求知欲和發揮其主觀能動性，提高學習效率。因此，虛擬仿真實驗教學模式為不斷提高“食品微生物學”實驗的教學質量和教學效果以及培養食品領域的復合型應用人才發揮重要作用。