多媒體虛擬仿真教學(xué)法在微生物學(xué)實驗中應(yīng)用

陳容容, 孫益頂, 魏東盛, 牛淑敏, 張金紅, 劉 方

(南開大學(xué) a. 生物實驗教學(xué)中心微生物實驗室； b. 物理基礎(chǔ)實驗教學(xué)中心， 天津 300071)

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多媒體虛擬仿真教學(xué)法在微生物學(xué)實驗中應(yīng)用

陳容容a, 孫益頂b, 魏東盛a, 牛淑敏a, 張金紅a, 劉 方a

(南開大學(xué) a. 生物實驗教學(xué)中心微生物實驗室； b. 物理基礎(chǔ)實驗教學(xué)中心， 天津 300071)

傳統(tǒng)教學(xué)模式在實驗教學(xué)中具有表現(xiàn)形式單一、過程控制力不夠、學(xué)生積極性不高等問題。引入多媒體、虛擬仿真現(xiàn)代教學(xué)方式能夠更加生動、形象、直觀地將實驗技能教授給學(xué)生，尤其是對于操作肉眼不可見的微生物相關(guān)實驗技能，可很好地解決以往常出現(xiàn)的學(xué)生操作動作不規(guī)范、師生互動較少以及課堂教學(xué)內(nèi)容有限等問題，明顯提高課堂教學(xué)效果和質(zhì)量。

多媒體教學(xué)法; 微生物學(xué); 虛擬仿真實驗; 顯微互動

0 引 言

微生物學(xué)實驗是本科生學(xué)習(xí)和訓(xùn)練微生物學(xué)實驗技術(shù)的最基本環(huán)節(jié)，其中涉及到的微生物觀察、無菌操作、純種分離等獨特的實驗技術(shù)和方法已成為生物類學(xué)科的基本技術(shù)和手段，在生命科學(xué)實驗研究中占據(jù)著突出的位置[1]，因此，微生物學(xué)實驗的教學(xué)效果在培養(yǎng)學(xué)生基本實驗操作能力方面具有舉足輕重的作用。傳統(tǒng)的微生物實驗教學(xué)主要采用教師口頭講解實驗原理和方法、學(xué)生動手訓(xùn)練過程中教師輔助指導(dǎo)的模式，這種傳統(tǒng)的模式缺乏生動性、直觀性和互動性，又受到時間、空間及條件的限制，難以調(diào)動學(xué)生的積極性，課堂指導(dǎo)效率較低，不利于培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能和創(chuàng)新能力，限制了教學(xué)效果的提高[2]。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，我國的教育模式在不斷變革，越來越多的信息化技術(shù)被應(yīng)用到實驗教學(xué)中，利用先進的多媒體、虛擬仿真及網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的現(xiàn)代化教育模式已成為我國教育發(fā)展的方向[3-4]。南開大學(xué)微生物學(xué)實驗課程是校級精品課程，歷來十分重視教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方式的改革。在長期教學(xué)過程中我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法不能跟上時代的步伐，教學(xué)中面臨的諸多問題限制了教學(xué)效果的提高，不能滿足高水平創(chuàng)新型人的培養(yǎng)需求。為了突破傳統(tǒng)教學(xué)模式的局限性，進一步提高教學(xué)質(zhì)量，課題組充分利用多媒體、虛擬仿真等計算機技術(shù)對實驗教學(xué)方法和內(nèi)容進行改革，取得較好的效果。本文從傳統(tǒng)微生物實驗教學(xué)方法面臨的問題出發(fā)，就利用現(xiàn)代計算機、多媒體和虛擬仿真技術(shù)對實驗教學(xué)進行改革的探索進行介紹。

1 傳統(tǒng)微生物實驗教學(xué)方法的問題

微生物具有肉眼不可見和無處不在的特點，實驗中如果不能保證嚴格的無菌操作就會造成雜菌的污染導(dǎo)致實驗失敗，因此微生物實驗是實踐性很強的學(xué)科，具有獨特的操作規(guī)范和要求[5]。傳統(tǒng)的微生物實驗教學(xué)方法是教師首先對實驗原理和主要操作過程進行講解，然后進行操作動作示范，學(xué)生觀看后動手操作。這種教學(xué)方法主要有以下幾個弊端：

(1) 表現(xiàn)形式單一，不利于學(xué)生理解、記憶和掌握。大多數(shù)微生物學(xué)實驗都要求嚴格的無菌操作，對于剛剛接觸微生物學(xué)理論課的學(xué)生來說，要把肉眼不可見的微生物當(dāng)成操作對象，常常會感到抽象和迷茫。再加上有些實驗技術(shù)，比如平板劃線分離技術(shù)、小室培養(yǎng)技術(shù)等，都具有一定的操作難度，需要掌握操作要領(lǐng)并經(jīng)反復(fù)的練習(xí)才能掌握。只通過文字和少許圖片的方式講授實驗過程不能把各種實驗技術(shù)的操作方法及技術(shù)要點直觀、生動地展現(xiàn)給學(xué)生[6]。而在教師進行動作示范時，由于學(xué)生觀看角度不同、注意力集中程度不同，一次操作動作示范也難以讓學(xué)生很好地掌握全部規(guī)范操作和動作要領(lǐng)。

(2) 缺乏互動性，不利于教師的課堂指導(dǎo)。學(xué)生對教師講解與示范內(nèi)容的理解和掌握程度不同，必然會導(dǎo)致學(xué)生在實驗過程中出現(xiàn)不斷互相詢問或?qū)で蠼處煄椭那闆r，這無形中大幅增加了教師課堂指導(dǎo)的工作量，同時也會使課堂氣氛嘈雜混亂，影響教師對所有學(xué)生實驗過程進行有效監(jiān)控。更重要的是，如果學(xué)生的錯誤操作沒有被及時糾正，一旦形成習(xí)慣后就很改正過來，這對于學(xué)生今后從事科學(xué)研究是非常不利的[7]。在實驗結(jié)果查看方面，傳統(tǒng)教學(xué)法缺乏互動性，不利于實驗結(jié)果的展示與交流，學(xué)生間不能互相觀看各自的實驗結(jié)果，也就不能對自己的實驗結(jié)果進行比較和改進[8]。如能將好的和不好的實驗結(jié)果都展示在全班學(xué)生面前，并且由教師分析成敗的原因，會更加有利于幫助學(xué)生提高實驗技能。

(3) 受課時、資源限制，不利于教學(xué)內(nèi)容的擴充與創(chuàng)新。微生物實驗技術(shù)涉及面廣，學(xué)時又有限，因此微生物實驗往往只能講授一部分基本實驗技術(shù)，再加上受到毒性菌株、試劑以及設(shè)備的限制，很多在生產(chǎn)和科研領(lǐng)域應(yīng)用廣泛、有代表性的實驗技術(shù)，如微生物生長曲線測定、食品致病微生物檢測、抗生素校價測定等，無法在課上教授給學(xué)生。傳統(tǒng)教學(xué)模式在空間和時間上的局限性，限制了教學(xué)內(nèi)容的擴充與更新，不利于高水平創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)[9]。

2 應(yīng)用多媒體互動、虛擬仿真技術(shù)提高實驗教學(xué)效果

心理學(xué)家瑞特拉研究表明，同樣的知識采用不同的教學(xué)方式呈現(xiàn)時，其效果有著顯著的差異[10]。將依托于計算機的多媒體、網(wǎng)絡(luò)互動技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)具有傳統(tǒng)教學(xué)法不可比擬的優(yōu)點：首先，聲音和影像疊加的動態(tài)系統(tǒng)能將抽象的內(nèi)容直觀化、生動化，可有效地吸引學(xué)生的注意力，調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性，有利于學(xué)生對所學(xué)知識的快速掌握和深刻記憶；其次，多媒體及虛擬仿真技術(shù)可突破實驗課在時間與空間上的局限，充分延伸課堂教學(xué)內(nèi)容，展現(xiàn)那些在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中無法實現(xiàn)的教學(xué)過程；再有，該技術(shù)具有互動性和可重復(fù)性，更能靈活和具體地動態(tài)演示實驗流程，可以幫助教師更好、更有效地進行課堂指導(dǎo)，有效彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法的缺憾[11]。我課題組于2013年開始嘗試充分發(fā)揮多媒體及虛擬技術(shù)的優(yōu)勢，將其更多地應(yīng)用于實驗教學(xué)，取得了較好的效果。

2.1 錄制操作視頻，提高課堂教學(xué)效果

我課題組將微生物實驗中涉及到的關(guān)鍵的實驗操作技術(shù)錄制成系列短片，替代課上教師的動作示范，主要包括顯微鏡油鏡的使用與清潔、細菌無菌涂片技術(shù)、革蘭氏染色技術(shù)、細菌芽孢染色技術(shù)、無菌操作技術(shù)、血球計數(shù)板使用操作、小室制作技術(shù)、培養(yǎng)基制備技術(shù)及純種分離技術(shù)。教師可以在視頻播放過程中隨時暫停，將關(guān)鍵動作重復(fù)播放或強調(diào)給學(xué)生，加深了其對操作流程細節(jié)的記憶和理解，因此在學(xué)生進行實驗操作時，互相詢問的情況較少發(fā)生，操作動作也比以往要明顯規(guī)范。例如，我課題組將油鏡擦拭清潔的方法錄制成短片播放后，學(xué)生普遍反映記憶深刻，以往經(jīng)常出現(xiàn)的油鏡因清潔不到位而被損壞的情況大幅減少。再如，將無菌操作技術(shù)錄制成小專題，在實驗課最初就播放給學(xué)生觀看，幫助其盡快樹立無菌意識，使后續(xù)實驗的染菌情況明顯減少。

2.2 引入數(shù)碼顯微互動系統(tǒng)，提升師生交流互動

針對教學(xué)中出現(xiàn)的缺乏交流互動、實驗結(jié)果難以共享的問題，我課題組專門引入了數(shù)碼顯微互動系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在每個學(xué)生(學(xué)生端)及教師的顯微鏡(教師端)上都連接一個數(shù)碼攝像機和一臺筆記本電腦，通過局域網(wǎng)將整個實驗室的顯微鏡連接在一起，利用教師端控制軟件及學(xué)生端采集系統(tǒng)實現(xiàn)教師對全班學(xué)生實驗過程的全程監(jiān)控及實驗結(jié)果的互動共享[12-13]。

通過顯微互動系統(tǒng)，每個學(xué)生顯微鏡下的視野都可在教師端的電腦上同時顯示，教師可隨時監(jiān)看全班的操作過程及實驗結(jié)果，更加及時地進行指導(dǎo)，使課堂指導(dǎo)效率大幅提升。同時，教師還可以根據(jù)學(xué)生實驗的情況將較好的、典型的或錯誤的結(jié)果投放到其他學(xué)生端，展示給全班觀看，并進行有針對性的講解，從而更好地幫助學(xué)生進行實驗結(jié)果的分析及實驗操作的改進。教師在對學(xué)生的操作技能進行評分時，亦可參照全班的整體水平打分，會更加公平、客觀。

除此之外，教師還可以將教師端示教的內(nèi)容投放到學(xué)生端電腦，以直接在顯微鏡下操作的形式講授實驗操作流程，使學(xué)生能夠更直觀生動地理解一些肉眼看不見的操作方法。比如在微生物計數(shù)及測微實驗中，顯微鏡測微尺及血球計數(shù)板都是具有精密刻度的實驗工具，需要借助顯微鏡才能看清，并且微生物計數(shù)和大小測量的整個實驗操作都是在顯微鏡下進行的。以往用文字和圖片的方式講授時，學(xué)生常常對顯微測微尺的“對格”及計數(shù)板的大格、小格計數(shù)理解不清，以至于在實驗中多數(shù)學(xué)生都需要借助教師的幫助才能正確完成實驗，課堂氣氛混亂嘈雜，實驗持續(xù)時間也較長。引入顯微互動系統(tǒng)后，大多數(shù)學(xué)生都能較快、較順利地完成實驗，使教學(xué)效果明顯提高。

2.3 利用虛擬仿真技術(shù)，擴充實驗教學(xué)時間與空間

虛擬仿真技術(shù)是近年來應(yīng)用到高校實驗教學(xué)中的新型教學(xué)方式，它利用計算機技術(shù)構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境，通過人機交互及網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)模擬實驗操作的流程和場景，以實現(xiàn)虛擬實驗教學(xué)的目的，具有可控性強、操作危害小、可重復(fù)進行等優(yōu)點[14]。但是虛擬仿真技術(shù)涉及到大量的動畫、影像資料的制作和處理，具有較高的前期制作成本，因此在生物實驗教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段。

利用虛擬仿真技術(shù)，可有效地突破傳統(tǒng)教學(xué)時間、空間以及實驗條件的限制，在有限的學(xué)時、經(jīng)費內(nèi)利用計算機和軟件為學(xué)生教授普通教學(xué)無法進行而又十分常用、重要的微生物實驗項目，達到增加學(xué)生知識量、延伸課時的作用[15]。比如，生長曲線的測定需要連續(xù)監(jiān)測菌液濃度達12小時以上，正常學(xué)時內(nèi)無法完成，但是這些技術(shù)在學(xué)生今后從事科研工作中很可能會用到，因此非常重要。另外還有一些如厭氧菌的培養(yǎng)、致病微生物檢測、菌種保藏等技術(shù)由于實驗室條件所限不能開設(shè)，然而這些技術(shù)在微生物技術(shù)中具有重要的代表意義，缺失了這些環(huán)節(jié)會使學(xué)生對整個微生物技術(shù)的認識失去系統(tǒng)性和全面性。

我課題組結(jié)合自身教學(xué)實際和特點，對虛擬仿真教學(xué)進行了初步的嘗試：建立微生物虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，分為實驗預(yù)習(xí)、實驗?zāi)M操作和數(shù)據(jù)處理三個部分。學(xué)生首先通過觀看實驗動畫及視頻及在線習(xí)題對實驗過程進行提前預(yù)習(xí)，然后進行實驗?zāi)M操作，最后將處理后的實驗數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)，系統(tǒng)自動對實驗結(jié)果評定。實驗?zāi)M操作部分全部基于WEB操作，不需獨立安裝程序，利用目前流行的HTML5 3D引擎實現(xiàn)對操作儀器、設(shè)備、材料和物品建模，然后通過JAVASCRIP編寫操作流程控制代碼實現(xiàn)虛擬操作。目前我課題組正在嘗試使用虛擬仿真技術(shù)進行教學(xué)的實驗項目包括活體染色及觀察技術(shù)、厭氧微生物培養(yǎng)技術(shù)、生長曲線的測定、抗生素效價測定、噬菌體效價測定、食品中大腸菌群的測定、高產(chǎn)蛋白酶和淀粉酶芽胞桿菌分離篩選、菌落計數(shù)法測定微生物數(shù)量、菌種保藏技術(shù)等。

實踐證明，學(xué)生對這種形式的教學(xué)十分有興趣，對調(diào)動學(xué)生的積極性有明顯的作用。盡管利用虛擬仿真技術(shù)模擬實驗過程并不能代替實際動手操作，但可以作為課堂實驗教學(xué)的一種有益補充，突破傳統(tǒng)教學(xué)模式的制約，開拓教育信息交流的新渠道。

3 結(jié) 語

實驗教學(xué)不僅要求學(xué)生掌握堅實的理論知識，更重要的是要求學(xué)生具備熟練的操作技能?，F(xiàn)代多媒體、虛擬仿真及網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)利用豐富的聲音、運動的圖像以及多彩的文字，直觀、生動地展現(xiàn)各種實驗技術(shù)的基本原理和實驗流程，可激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，同時也可幫助教師更加方便及時地了解學(xué)生實驗中出現(xiàn)的問題，從而更有針對性地進行指導(dǎo)，因而在實驗教學(xué)中有傳統(tǒng)教學(xué)無法比擬的優(yōu)勢。實踐證明，充分挖掘和發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)在實驗教學(xué)中的優(yōu)勢，可增強學(xué)生感性認識、培養(yǎng)學(xué)生動手能力、提高實驗效率和節(jié)約實驗經(jīng)費，明顯提高實驗教學(xué)效率和效果，為進一步提高學(xué)生實驗技能培養(yǎng)，造就創(chuàng)新性人才打下堅實的基礎(chǔ)。

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Application of Interactive Multimedia and Virtual Simulation Teaching Method in Microbiology Experiment

CHENRong-ronga,SUNYi-dingb,WEIDong-shenga,NIUShu-mina,ZHANGJin-honga,LIUFanga

(a. Microbiological laboratory of biological experiment center； b. Physical basic experiment center,Nankai University, Tianjin 300071, China)

The traditional teaching mode has many disadvantages such as single form, poor process control, less enthusiasm and so on. Application of interactive multimedia and virtual simulation teaching method in experiment can teach experimental skills to students more lively and intuitively. Especially, in microbiology experiment interactive multimedia teaching method can enhance the quality and effect of teaching by reducing the nonstandard operation of students, increasing interaction between teacher and students and expanding teaching content in class.

interactive multimedia teaching method; microbiology; virtual simulation experiment; microscopic interaction

2015-04-30

南開大學(xué)校級教改項目

陳容容(1981-)，女，天津人，碩士，實驗師，主要從事微生物實驗室管理及微生物實驗教學(xué)工作。

Tel.：13752349993; E-mail：chenrongrong@nankai.edu.cn

劉 方(1959-)，女，天津人，博士，教授，博士生導(dǎo)師。南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副院長，國家級生物實驗教學(xué)示范中心副主任，主要從事天然生物活性物質(zhì)研究。

Tel.: 022-23509491; E-mail: liufang312@nankai.edu.cn

TP 393.08;G 642

A

1006-7167(2015)11-0194-03