虛擬仿真技術在中醫藥院校微生物學實驗教學中的應用

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.22.019

摘 要 傳統微生物實驗教學模式表現形式單一，受課堂時間、教學資源和生物安全等因素的影響較大，不利于實驗教學的開展。虛擬仿真實驗是一種以計算機技術為基礎模擬真實實驗環境的新型實驗模式，學生可以隨時在計算機終端進行實驗操作。闡述傳統微生物學實驗教學在表現內容、課時、實驗條件、生物安全等方面的局限性，探討虛擬仿真技術在微生物學實驗教學中的應用特點，分析目前虛擬仿真實驗教學存在的問題，展望虛擬仿真實驗教學的未來發展。

關鍵詞 虛擬仿真實驗；微生物學；實驗教學；課程思政

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）22-00-04

0 引言

微生物學屬于生物學的一個分支，是與人類關系密切且發展迅速的學科，在生命科學領域發揮著重要作用。該課程也是中醫藥院校的一門專業基礎課，其研究方向是微小生物生命活動和人為控制微生物代謝的基本規律，以及微生物在醫藥、發酵、食品和環境等領域的應用。微生物學的研究不僅推動了重要基礎理論的發展，也促進了現代生物技術的飛躍。為了更好地認識和研究微生物，實驗方法和技術必不可少，微生物學實驗技術和方法是微生物學建立與發展的基礎，隨著各學科的交叉融合，微生物學實驗內容得到進一步的擴充和豐富[1]。微生物學實驗是培養中醫藥院校學生掌握科學實驗方法和實驗技能，提升學生分析問題和解決問題能力的重要環節，對深入理解和鞏固微生物學理論知識具有重要意義[2]，也可以為中醫藥的守正創新和傳承發展作出積極貢獻。微生物學實驗主要包括微生物分離與純化、形態學觀察、生理生化分析、菌種選育和菌種保藏等內容。通過實驗課的學習，學生能利用掌握的實驗原理和技術對實驗步驟的合理性進行分析與評估，能采用正確的技術方法解決實驗中出現的問題[3]。

互聯網技術的快速發展推動我國高等教育模式不斷變革，越來越多的信息化技術被應用到實驗教學中，這也是當前實驗教學改革的重要內容，如虛擬仿真實驗技術。虛擬仿真實驗是指借助多媒體和虛擬現實等技術，在計算機和網絡上構建逼真的實驗操作環境，使學生在開放、自主、交互的虛擬環境中開展實驗[4-5]。虛擬仿真實驗的使用突破了傳統微生物學實驗教學模式的局限性，利于實驗教學資源的共享，激發互聯網時代大學生的求知興趣和探索未知世界的好奇心。此外，虛擬仿真實驗平臺的實驗教學內容可以隨時更新，有利于實驗內容與最新的前沿實驗技術和方法接軌[6]，更有利于教師科研成果向實驗教學內容的轉化。所以，新時代的教學思想要更加開放、靈活、多樣，充分發揮信息技術賦能實驗教學帶來的便利與優勢，多渠道、全方位強化學生對知識點的理解和掌握[7]，增強微生物學實驗教學效果。

1 現階段微生物學實驗教學的局限性

1.1 教學表現形式單一，不利于學生理解與掌握

傳統微生物學實驗的講授一般是由任課教師對實驗原理和實驗步驟進行講解，并向學生示范部分實驗操作。由于微生物微小，且實驗操作時要求嚴格無菌，這對于初學微生物學實驗的學生來說往往會感到困惑，因為他們需要處理肉眼不可見的微生物。此外，微生物學實驗涉及的知識點繁多，需要注意的細節較多，實驗操作有一定的難度。如微生物菌種的分離與純化，目前只依靠教師上課時的講授和圖片展示，不能把具體的實驗操作及技術要點更直觀、生動地展現給學生[8]。另外，由于課堂時間的限制，學生如果在實驗操作過程中出現失誤，就沒有多余時間來重復該實驗，會造成難以掌握全部的規范操作和動作要領，無法保證教學效果和教學質量。

1.2 課堂時間、資源有限，不利于教學內容的增加與創新

微生物學實驗具有整體性和連貫性的特點，但是實驗課時有限，學生只能動手操作實驗的關鍵步驟，前期實驗準備工作由實驗輔助人員完成，不利于學生對實驗的整體性理解和掌握。除此之外，微生物學實驗所需儀器、耗材較多，部分儀器、耗材價格昂貴，上課時往往采用分組的方式完成實驗，不能保證每個學生都能操作一遍，但是大多數學生往往需要對一項實驗進行多次操作才能掌握該實驗的要領。傳統微生物學實驗教學模式在時間和資源上的局限性也限制了教學內容的增加與創新，不利于創新型人才的培養[9]。

1.3 學生實驗室安全意識淡薄，不利于相關實驗的開展

微生物學實驗室除了肉眼可見的實驗儀器設備外，還有肉眼不可見的微生物，包括一些致病性微生物。在實驗過程中要用到較多的儀器設備，學生對一些儀器設備的工作原理、結構和使用方法等不熟悉，在操作過程中易發生安全事故。微生物學實驗中部分實驗涉及病原微生物的使用，如金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌、致病性大腸埃希菌等是常見的三類安全等級的微生物，應在BSL-2生物安全實驗室進行操作，但是目前許多高校沒有配備相應級別的生物安全實驗室[10]。此外，學生生物安全認知水平不高也是影響實驗順利開展的重要因素。

上述因素不僅會降低教學質量，而且會阻礙新時代創新型微生物學人才的培養。

2 虛擬仿真技術在微生物學實驗教學中的

應用特點

2.1 豐富教學表現形式，適應新時代辦學要求

微生物學虛擬仿真實驗將教學內容、虛擬設備和實驗對象有機融合，構建逼真的實驗場景[5]，學生可以通過控制鼠標或鍵盤實現人機交互，相比傳統微生物學實驗教學展示的圖片更加生動形象，從而激發學習熱情。虛擬仿真實驗教學符合教育教學信息化的要求，也為學生開展創新實驗提供了一個合適的平臺[11]。《教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》（教高函〔2018〕5號）明確提出：“將實驗教學信息化作為高等教育系統性變革的內生變量，以高質量實驗教學助推高等教育教學質量變軌超車，助力高等教育強國建設。”虛擬仿真技術的應用已經成為微生物學實驗教學改革的方向之一，該技術的利用突破了傳統微生物學實驗教學模式的瓶頸，增強了微生物學實驗教學的效果。

2.2 突破時間與空間限制，優化實驗教學內容

虛擬仿真技術應用于微生物學實驗，可以有效地打破傳統教學模式下時間、空間和實驗資源的局限性，使實驗課程不受課時、場地和實驗條件的限制，也改變了因實驗資源有限，學生需要分組共同完成實驗的情況。每個學生都可以在虛擬實驗室獨立完成整個實驗，并且虛擬仿真實驗系統是開放的，學生可以全天候進入平臺重復練習，有效提高對實驗技能的理解和掌握水平。

科研是大學發展的動力，將科研項目內容引入本科實驗教學有利于拓展教學資源，更能考查學生基本實驗技能的掌握和應用情況。科教融合也是目前實驗教學改革的熱點[12]。科研成果的轉化是虛擬仿真實驗內容的重要來源，科學研究的前沿性也使得虛擬仿真實驗內容不斷更迭。將基礎知識點和前沿知識點融入教學和科研，加強學生對知識點的深入理解和知識面的擴充，有助于為學生提供更廣闊的探索創新空間。

2.3 減少昂貴設備購置，降低實驗危險系數

工程實踐是培養專業人才的重要環節，隨著產業的快速發展，對工程技術人才的培養提出更高的要求。但實驗教學過程中存在諸多困難，如高成本、高消耗、高危等問題，使得部分實驗難以在實踐教學中開展。還有生物安全因素的限制，如病原微生物的檢測等，病原微生物無法在常規實驗室大規模培養[13-14]。虛擬仿真實驗恰好可以解決上述問題。虛擬仿真實驗無須購置價格昂貴的儀器設備和實驗耗材，就可以為學生提供仿真度高、交互性強的實驗操作過程；也可以有效克服生物安全要求的限

制，在安全、無風險的條件下開展實驗，讓學生更直觀地了解和認識某些致病菌[15]。通過虛擬仿真實驗，學生遠離某些致病菌的威脅，從而降低相關實驗的危險系數。除此之外，虛擬仿真實驗不涉及實體實驗儀器設備，解決了科研成果內容因儀器設備昂貴和實驗危險系數高而無法線下教學的問題，從而降低優秀科研成果轉化為實驗教學內容的難度，更利于科研教學資源的整合，實現資源的最大化利用。

2.4 融入課程思政，實現潤物無聲

以課程為載體、以課堂為陣地開展全員參與、全課程覆蓋的思政教育，落實立德樹人根本任務，是新時代高等學校的重要使命。專業課教學中融入課程思政是高校實現全員育人、全程育人、全方位育人的重要途徑，以專業知識為載體的思政元素比單純的思政類課程更有說服力[16]。在虛擬仿真實驗系統中有機融入課程思政內容，可以使該系統更好地發揮作用。微生物學與人們生產生活聯系極為密切，學科前沿發展迅速，教學素材豐富，微生物學發展歷程中蘊含了眾多體現科學探索精神和人文精神的案例。在虛擬仿真實驗過程中涉及相關思政元素時，頁面可以彈出相應的對話框，讓學生閱讀對話框中思政教育的內容。如微生物的分離純化實驗，可以融入“中國疫苗之父”湯飛凡冒著失明的危險，將沙眼病毒滴入眼睛，觀察病程，收集臨床資料，將沙眼的發病率大大降低的事跡，展現我國老一輩科學家對真理的不懈追求、對我國微生物學發展的偉大貢獻，弘揚科學家的奉獻精神、科學精神和創新精神。

2020年初新冠疫情的暴發，再次讓生物安全成為人類關注的焦點，我國于2020年10月通過《中華人民共和國生物安全法》，以保障人民群眾的健康和國家的安全。而在同嚴重的新冠疫情的殊死較量中，中國人民和中華民族以敢于斗爭、敢于勝利的大無畏氣概，鑄就了生命至上、舉國同心、舍生忘死、尊重科學、命運與共的偉大抗疫精神。在病毒基本結構實驗中，可以將道德規范、法律意識等元素融入實驗內容，開展課程思政，提高學生的生物安全意識，培養具有良好生物安全道德修養的專業人才。

課程思政融入微生物學虛擬仿真實驗，旨在回歸以人為本和教書育人的初心，通過多元教學形式設計，培養學生追求真理、甘于奉獻的精神，讓學生意識到學習的重要性和自身的價值，增強責任感和使命感，牢固樹立家國情懷，最終實現微生物學虛擬仿真實驗知識傳授與價值引領相統一。

3 虛擬仿真實驗存在的問題

將虛擬仿真技術應用于微生物學實驗教學，解決了傳統微生物學實驗教學存在的諸多問題，但是仍有一些問題需要優化。

1）虛擬仿真實驗平臺的搭建等需要較高的配置，不是所有學校都能承擔相應的軟硬件成本。此外，開發的軟件后期還需要經常維護，這對一般高校來說是具有挑戰性的。

2）虛擬仿真實驗雖然可以提供更豐富的視覺和聽覺的感官體驗，但是目前還無法提供嗅覺和觸覺的體驗，用戶體驗有待進一步提高。

3）盡管虛擬仿真實驗可以逼真地模擬現實實驗環境，但是仍然無法完全替代真實線下實驗。這是因為虛擬仿真實驗是一種理想狀態下的實驗，學生在實驗中的每一步操作都是成功的，而這種情況在線下實驗室中是很難順利達到的。

4）目前建設好的虛擬仿真實驗利用率很低，多數虛擬仿真實驗驗收完成后就基本廢棄了。如何提高虛擬仿真實驗利用率，實現高校之間虛擬仿真實驗資源共享，也是亟待統籌解決的問題。

4 結論和展望

微生物學實驗是與科研和工業生產聯系緊密的實驗課程，是培養復合應用型人才的重要環節，然而傳統微生物學實驗由于時間、空間和實驗資源的局限性，減弱了教學內容的應用性與實踐性。基于創新型人才培養目標和教育信息化的時代背景，將虛擬仿真技術應用于微生物學實驗教學，可以打破時間、空間和實驗資源對傳統實驗的束縛，豐富教學表現形式，優化實驗教學內容，也有利于優秀科研成果向教學資源轉化。同時，可以有機融入思政元素，實現潤物無聲的育人效果。虛擬仿真技術的應用使實驗教學緊跟時代的發展，可以培養學生的科研精神和主動創新意識，推動學生綜合能力的提升，培養適應新時代發展的微生物學專業人才。

在當前教育信息化背景下，虛擬仿真實驗是現代教育發展的重要組成部分。隨著人工智能的快速發展，實驗教學應用虛擬仿真技術將會迎來更大的發展機遇和挑戰，除了可以解決上述虛擬仿真實驗存在的問題外，還可以利用大數據和人工智能，使虛擬仿真實驗教學更加智能化和個性化，更加穩定和高效，為師生提供實時的數據服務，解決學生的實際需求。

5 參考文獻

[1] 國輝，金一，李志茹，等.基于虛擬仿真教學模式的“微生物學實驗”課程教學改革探索[J].中國林業教育，2022，40（1）：75-78.

[2] 張會香，李子院，李靜，等.“以成果為導向，以賽促學”理念下微生物學實驗教學改革與實踐[J].工業微生物，2023，53（3）：145-147.

[3] 王智文，馮遠航，朱勇.“三位一體”育人理念在微生物

學實驗教學中的探索與實踐[J].微生物學通報，2022，

49（6）：2378-2387.

[4] 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（2）：

237-239，244.

[5] 張碧魚，何素敏，陳笑霞，等.虛擬仿真實驗在生物學

本科教學中的開發應用[J].實驗室科學，2017，20（1）：

128-130.

[6] 董彬，吳濤，姚志剛，等.基于虛擬仿真技術的生物工

程類綜合實驗教學改革與實踐[J].生物工程學報，2022，

38（4）：1671-1684

[7] 劉金庫，盧怡，張敏，等.科研成果向虛擬仿真實驗教

學一線轉化的模式：以首批國家級虛擬仿真實驗教學

一流課程建設為例[J].化學教育（中英文），2022，

43（10）：58-61.

[8] 陳容容，孫益頂，魏東盛，等.多媒體虛擬仿真教學法

在微生物學實驗中應用[J].實驗室研究與探索，2015，

34（11）：194-196，200.

[9] 王嫻，劉暢，牛驍.實驗教學及資源信息化管理平臺的研究與實現[J].實驗室研究與探索，2012，31（3）：201-204.

[10] 彭華松，劉闖，謝亞萍，等.高校實驗室病原微生物管

理現狀調查及對策[J].微生物學通報，2019，46（6）：

1549-1554.

[11] 李利敏，于英翠，劉思春，等.雙一流大學建設背景下高校實驗室建設與管理[J].高校實驗室工作研究，2018（4）：74-76.

[12] 董桂偉，趙國群，王桂龍，等.科研成果轉化為實驗教

學資源的探索[J].實驗技術與管理，2019，36（4）：114-117，124.

[13] 陳鋼，呂春芳，賈然然，等.高校微生物教學實驗室安

全管理現狀及對策[J].中國現代教育裝備，2022（21）：

45-47.

[14] 金海萍，胡凱，樊偉，等.新形勢下高校病原微生物實

驗室安全管理探索[J].實驗室科學，2022，25（3）：207-209，212.

[15] 金萍，邸佳妮.虛擬仿真實驗在微生物實驗教學中的應用[J].中國繼續醫學教育，2022，14（14）：168-171.

[16] 廖陽，李常健，袁志輝，等.生物類專業基礎課“生物化學”課程思政教育探索與創新[J].微生物學通報，2022，49（4）：1415-1425.

*項目來源：2023年河南省第二批本科高校虛擬仿真實驗教學項目“生物制藥典型工藝虛擬仿真實驗”（教高〔2023〕271 號）；2023年河南省虛擬教研室項目“生物化學與分子生物學課程虛擬教研室”（教高〔2023〕394號）；2022年河南省研究生優質課程項目“分子生物學理論及實踐”（YJS2022KC23）。

作者簡介：賈浩宇，博士，校聘教授；馬利剛，博士，副教授；趙樂，博士，教授；鄭曉珂，通信作者，博士，二級教授。