環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)課程的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)探討

摘 要：隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使得虛擬實(shí)驗(yàn)室在環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用成為可能。本文重點(diǎn)介紹環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)存在的問題與虛擬實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展現(xiàn)狀、應(yīng)用過程，討論了環(huán)境微生物虛擬實(shí)驗(yàn)課程的發(fā)展趨勢，并提出改進(jìn)的建議和意見，以期為實(shí)驗(yàn)課程的網(wǎng)絡(luò)化提供科學(xué)的依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞：環(huán)境微生物 實(shí)驗(yàn)課程 虛擬實(shí)驗(yàn)室 教學(xué)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-9795（2014）02（a）-0155-02

1 環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)課程存在的問題

環(huán)境微生物是一門實(shí)驗(yàn)性和探索性性很強(qiáng)的學(xué)科，主要研究微生物與環(huán)境及人類疾病的關(guān)系問題，是環(huán)境學(xué)科重要的基礎(chǔ)課程[1]。而環(huán)境微生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)是此課程的重要組成部分，它還是很多交叉學(xué)科的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，已有很多專業(yè)領(lǐng)域都涉及微生物實(shí)驗(yàn)，如：微生物的基本形狀、微生物的分離與培養(yǎng)、微生物代謝產(chǎn)物等最基本的實(shí)驗(yàn)技術(shù)需要在專業(yè)課的講授和實(shí)驗(yàn)課中完成。環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)課程是環(huán)境類專業(yè)學(xué)生的一門實(shí)用技術(shù)[2]。但是在實(shí)際的微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)在教學(xué)過程中也存在著一些問題，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課的實(shí)際效果大打折扣，例如：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡單陳舊，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)過多缺乏設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中缺乏主動性、趣味性等問題。一般傳統(tǒng)環(huán)境微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)間安排不合理，為了教學(xué)的方便實(shí)驗(yàn)課時(shí)間安排一般較為緊密，每周一次或多次，每次兩個(gè)或者四個(gè)學(xué)時(shí)，但是微生物的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一般需要培養(yǎng)較長時(shí)間（少則一兩天，多則一兩周）的觀察分析才能得到結(jié)果，例如：微生物的間歇培養(yǎng)，一直培養(yǎng)到微生物大批量死亡，同時(shí)繪制生長曲線，在一兩天的時(shí)間內(nèi)很難完成。

2 環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室發(fā)展現(xiàn)狀

環(huán)境微生物虛擬實(shí)驗(yàn)室能很好的解決微生物實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)中出現(xiàn)的問題，虛擬實(shí)驗(yàn)課教學(xué)就是在網(wǎng)絡(luò)頁面中創(chuàng)建出一個(gè)可視化的高度仿真的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境，通過操作模擬實(shí)驗(yàn)儀器或設(shè)備，即可模擬進(jìn)行各種復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，達(dá)到與真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境相一致的教學(xué)要求和目的[3]。最為關(guān)鍵也最為困難的就是實(shí)驗(yàn)過程的操作，既要達(dá)到實(shí)驗(yàn)室的效果，又要允許學(xué)生出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的可能錯(cuò)誤操作。環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)課程的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的缺點(diǎn)，可以與實(shí)驗(yàn)室教學(xué)同時(shí)開始，突破時(shí)空限制的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)資源共享，已成為現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要手段，也是教育改革和發(fā)展的趨勢。環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)具有開放性、靈活性、交互性、協(xié)同性、共享性、時(shí)效性、個(gè)性化服務(wù)等特點(diǎn)。為了充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)優(yōu)勢，加快環(huán)境微生物學(xué)教學(xué)改革的進(jìn)程，虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)成為微生物教學(xué)的重要手段。

3 微生物實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺的應(yīng)用

隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用和迅猛發(fā)展以及多媒體技術(shù)在環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的普及，網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)的教學(xué)理念、教學(xué)方法和教學(xué)手段都發(fā)生了深刻的變化。

環(huán)境微生物學(xué)的教科書內(nèi)容較繁多，為了加深學(xué)生的印象，環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)顯得尤為重要，如何在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)達(dá)到最好的教學(xué)效果，是每一門課要解決的問題。在保留微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)所必需的操作技術(shù)的基礎(chǔ)上，開設(shè)一些設(shè)計(jì)性、綜合性和系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。虛擬實(shí)驗(yàn)室緩解以上的問題，將環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)放在真實(shí)實(shí)驗(yàn)之前，學(xué)生在上課前先做虛擬實(shí)驗(yàn)，了解實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體內(nèi)容，并有足夠的時(shí)間進(jìn)行理論預(yù)習(xí)，同時(shí)還可以進(jìn)行虛擬操作，并可以反復(fù)練習(xí)，提高了實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效率。

虛擬實(shí)驗(yàn)室在模擬環(huán)境微生物的結(jié)構(gòu)方面有獨(dú)特的優(yōu)勢，譬如細(xì)菌形態(tài)觀察實(shí)驗(yàn)，實(shí)際實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法是采用顯微鏡觀察已經(jīng)制作好的模式片，一方面占用大量的顯微鏡，需要在教學(xué)中投入大量的資金和資源購買顯微鏡；另一方面實(shí)驗(yàn)課結(jié)束之后，學(xué)生很難再有機(jī)會觀察細(xì)菌形態(tài)，同時(shí)觀察的清晰程度與學(xué)生的操作有很大關(guān)系。在環(huán)境微生物的虛擬實(shí)驗(yàn)室中就很好的解決細(xì)菌的形態(tài)觀察問題。首先收集或制作各種細(xì)菌形態(tài)示范片，掃描拍攝典型的細(xì)菌形態(tài)，并以圖片文件格式保存在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，通過虛擬顯微鏡學(xué)生隨時(shí)都可以觀察。對于耗時(shí)間比較長的實(shí)驗(yàn)，可將細(xì)菌的生長過程拍成視頻或者連續(xù)的照片或者視頻，使很多天完成的實(shí)驗(yàn)，在很短的時(shí)間內(nèi)就能觀察到結(jié)果。

4 環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)過程

環(huán)境微生物學(xué)的特點(diǎn)，使其更適合實(shí)驗(yàn)操作的虛擬化操作，豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提供了多方面的實(shí)驗(yàn)手段。虛擬實(shí)驗(yàn)突破了空間和時(shí)間的限制，改變了傳統(tǒng)教學(xué)的方式，也改變了學(xué)生學(xué)習(xí)的方式。

環(huán)境微生物學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)可以分為以下過程，實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的制定、預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)、虛擬實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)、評估交流五個(gè)部分。（見圖1）

4.1 環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的制定

根據(jù)環(huán)境微生物教學(xué)實(shí)驗(yàn)大綱的要求制定環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)，然后根據(jù)教學(xué)目標(biāo)及具體課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行確定實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，設(shè)計(jì)出切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)方案。方案的設(shè)計(jì)結(jié)合環(huán)境微生物的實(shí)際情況，由易到難，由驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)到綜合實(shí)驗(yàn)，由簡單到復(fù)雜，循序漸進(jìn)的過程，使教學(xué)目標(biāo)符合教學(xué)大綱的要求和學(xué)生的實(shí)際情況。

4.2 預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)并確定虛擬實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，了解實(shí)驗(yàn)的目的，理解和把握實(shí)驗(yàn)的基本原理和方法，明確實(shí)驗(yàn)所要測定的內(nèi)容及操作步驟，更要明確試驗(yàn)的注意事項(xiàng)。根據(jù)目的和要求合理的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并結(jié)合實(shí)際環(huán)境情況適當(dāng)?shù)恼{(diào)整方案。

4.3 虛擬實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告

實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)已經(jīng)充分把握實(shí)驗(yàn)的要點(diǎn)，在做真實(shí)實(shí)驗(yàn)之前，首先讓學(xué)生進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)階段，仿真的環(huán)境讓學(xué)生有身臨其境的感覺，并做出虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果。虛擬實(shí)驗(yàn)具有容錯(cuò)的特點(diǎn)，錯(cuò)誤的操作出現(xiàn)錯(cuò)誤的結(jié)果和現(xiàn)象，并把錯(cuò)誤的操作導(dǎo)致的危害同時(shí)顯示出來。虛擬實(shí)驗(yàn)中也有正確操作的視頻供學(xué)生學(xué)習(xí)，以便在真實(shí)的試驗(yàn)中改正過來。在虛擬實(shí)驗(yàn)報(bào)告中不但要處理數(shù)據(jù)的結(jié)果，還要把出現(xiàn)錯(cuò)誤的原因?qū)懮?，并總結(jié)教訓(xùn)，列出改正的措施。一方面防止了真實(shí)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)危險(xiǎn)的錯(cuò)誤操作；另一方面加深了學(xué)生的印象。

4.4 真實(shí)實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)報(bào)告

有了虛擬實(shí)驗(yàn)作基礎(chǔ)，通過學(xué)生已經(jīng)進(jìn)行的虛擬實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的操作步驟和實(shí)驗(yàn)方案，選擇最佳方案和操作步驟。學(xué)生自己準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)，從試劑的配置到儀器的使用，老師監(jiān)督輔導(dǎo)，尤其注意與虛擬實(shí)驗(yàn)操作不同之處，如實(shí)的記錄現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)。并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。整個(gè)過程中，如果有意外情況或者疑問隨時(shí)與老師面對面的交流和溝通。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)計(jì)算處理，并進(jìn)行總結(jié)。

4.5 實(shí)驗(yàn)的反饋與交流并做教學(xué)評估與環(huán)境評價(jià)

通過虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)，對于實(shí)驗(yàn)的目的和原理有了清楚的認(rèn)識，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程也是交流的過程，認(rèn)真分析出現(xiàn)錯(cuò)誤現(xiàn)象或者結(jié)果的原因，同時(shí)概括總結(jié)學(xué)生的建議和意見。同時(shí)改進(jìn)虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與操作，矯正其參數(shù)，對于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行優(yōu)化組合，既要鍛煉學(xué)生的動手能力，又要兼顧學(xué)生的興趣愛好。同時(shí)進(jìn)行實(shí)際的環(huán)境評價(jià)，針對不同微生物的種類和數(shù)量，評估其對環(huán)境的影響，讓學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，更好的認(rèn)識并了解環(huán)境。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對其進(jìn)行總體評估，為進(jìn)一步修正教學(xué)大綱做好前期的調(diào)研與準(zhǔn)備。

5 環(huán)境微生物虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展趨勢

5.1 有針對性的高仿真虛擬環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)

目前網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)的技術(shù)基本成熟，而虛擬實(shí)驗(yàn)室往往針對某一個(gè)實(shí)驗(yàn)的較多，而針對復(fù)雜的系統(tǒng)相對開發(fā)較少，虛擬實(shí)驗(yàn)室需要更深入的研究并開發(fā)在復(fù)雜系統(tǒng)中（環(huán)境與微生物）各元素之間的相互作用與聯(lián)動機(jī)制，使其更智能，仿真性更強(qiáng)。

5.2 重視課程人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)

為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與趣味性，虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)充分發(fā)揮人機(jī)界面互動的全部功能，具有游戲的趣味性，又有虛擬實(shí)驗(yàn)室的知識性。既要操作方便，又要交互性強(qiáng)，學(xué)生能隨意選擇實(shí)驗(yàn)時(shí)間，并進(jìn)行自主學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)。

f5.3 重視環(huán)境微生物虛擬實(shí)驗(yàn)室的共享

環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)室最大的特點(diǎn)是微觀性和宏觀性的結(jié)合，大尺度宏觀的環(huán)境現(xiàn)象與微觀的微生物種類有密切的關(guān)系。由于復(fù)雜系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)復(fù)雜，導(dǎo)致其成本偏高，不同單位平臺的共享避免了重復(fù)性的勞動和重復(fù)購買，資源共享，降低了教學(xué)的成本，有利于提高總體教學(xué)水平。同時(shí)，合作設(shè)計(jì)與研發(fā)也是資源共享的重要途徑。

參考文獻(xiàn)

[1]張松.微生物學(xué)網(wǎng)絡(luò)課程的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].微生物學(xué)通報(bào)，2006（1）：176-180.

[2]朱旭芬，賈小明.充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，深化微生物學(xué)教學(xué)改革[J].微生物學(xué)通報(bào)，2007（1）：185-187.

[3]程紅兵，張雄鷹，陳云霞，等.醫(yī)學(xué)微生物學(xué)教學(xué)模式改革探索[J].山西醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)：基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育版，2010（7）：673-674.