環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)課虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討

趙金博 劉夢(mèng)媛

【摘要】虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式是我國高等院校教育方式改革的方向之一，并取得了一定的成果。該方式由于尚在起步階段，在改革的同時(shí)也暴露出了一些現(xiàn)象和問題。本文以北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院大二本科生的環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)課為例，從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式上對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)建設(shè)提出一些自己的理念和設(shè)想，為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)程添磚加瓦。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真 環(huán)境微生物 實(shí)驗(yàn)

【中圖分類號(hào)】X172-4 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2019）10-0169-02

一、研究背景

《環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)課》是針對(duì)北師大環(huán)境學(xué)院大二學(xué)生開設(shè)的基礎(chǔ)必修課程。本門課程與《環(huán)境微生物》教學(xué)課程相呼應(yīng)，以環(huán)境科學(xué)與環(huán)境工程科學(xué)實(shí)驗(yàn)中與微生物相關(guān)的科學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)，讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)微生物的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、生理生化、功能及其在環(huán)境科學(xué)和工程中的重要作用，并使學(xué)生熟練掌握微生物學(xué)基本實(shí)驗(yàn)的操作原理、方法、技巧， 領(lǐng)悟微生物學(xué)獨(dú)特的研究方法和實(shí)驗(yàn)手段。然而，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法已經(jīng)不能滿足教學(xué)需求。具體存在問題如下：

1.實(shí)驗(yàn)空間有限?！董h(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)課》每學(xué)期授課人數(shù)約60人，然而現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室僅能供30人的空間同時(shí)操作實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致一門實(shí)驗(yàn)課分2次教學(xué)，增加了人力成本也降低了實(shí)驗(yàn)室的使用效率。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本過高。實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)材料是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的物質(zhì)基礎(chǔ)。但實(shí)驗(yàn)室目前僅有14臺(tái)顯微鏡，2臺(tái)電子天平，2個(gè)光照培養(yǎng)箱，3個(gè)超凈臺(tái)。按照一個(gè)班級(jí)30人計(jì)算，則需要每2-3人使用一臺(tái)顯微鏡，每15人使用一臺(tái)天平。硬件基礎(chǔ)差使得實(shí)驗(yàn)課的效率很低，并且每節(jié)授課任務(wù)都需要延遲下課15-30分鐘才能完成。

3.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有限?！董h(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)課》由于教學(xué)成本及空間的約束缺乏創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)使學(xué)生對(duì)授課內(nèi)容興趣不大。

4.教學(xué)力量薄弱。《環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)課》共有2位老師授課，平均每個(gè)老師需要同時(shí)指導(dǎo)30名學(xué)生。由于學(xué)生個(gè)體存在能力上差異，總會(huì)遇到很多問題，而實(shí)驗(yàn)教師不足不能做到1對(duì)1傳授或解答，使得學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題不能及時(shí)解決，進(jìn)而影響教學(xué)質(zhì)量。

綜上，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于不受場(chǎng)地，儀器數(shù)量等限制，有益于操作和重復(fù)[1]，使得每個(gè)同學(xué)可以獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，增加學(xué)生的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)。同時(shí)，虛擬仿真給教學(xué)提供了創(chuàng)新的可能，能夠充分激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量的完成[2-3]。從講師的角度講，老師上課傳授的內(nèi)容可能還沒有查閱百度的內(nèi)容全面詳細(xì)，因此教師要從知識(shí)的傳授者向組織者、協(xié)調(diào)者進(jìn)行轉(zhuǎn)變，慕課教學(xué)、虛擬仿真教學(xué)是我國教育改革的大勢(shì)所趨[4-6]。

二、環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)課虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討

《環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)課》虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念是“科學(xué)規(guī)劃，虛實(shí)結(jié)合，跨介質(zhì)，重應(yīng)用”。科學(xué)規(guī)劃，是指《環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)課》不但緊扣《環(huán)境微生物》理論課，同時(shí)也傳授學(xué)生從觀察（現(xiàn)象）-發(fā)現(xiàn)問題-建立邏輯方法-獲得數(shù)據(jù)-進(jìn)行驗(yàn)證的科學(xué)實(shí)驗(yàn)思維，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力、獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。具體內(nèi)容如下：

從顯微鏡觀察微生物入手，讓學(xué)生從形態(tài)、結(jié)構(gòu)、大小、顏色、透明度等物理性質(zhì)對(duì)微生物有理性的認(rèn)識(shí)。 從觀察引出學(xué)生思考問題，由于絕大多數(shù)微生物都是透明的，學(xué)生將通過對(duì)微生物的染色對(duì)其進(jìn)行初步的分類（陰性和陽性），并運(yùn)用到環(huán)境工程中活性污泥的觀察及初篩中。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合環(huán)境科學(xué)與工程的實(shí)際實(shí)驗(yàn)需求將傳授學(xué)生對(duì)（已知和未知）微生物的定性和定量分析手段。在實(shí)驗(yàn)過程中教授學(xué)生滅菌、培養(yǎng)基制備、培養(yǎng)、分離、篩選、樣本凍存與復(fù)蘇、超凈臺(tái)操作等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，將微生物實(shí)驗(yàn)的具體操作方法滲透在各實(shí)驗(yàn)中。

虛實(shí)結(jié)合是指《環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)課》可以通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提供教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生興趣，但是本實(shí)驗(yàn)課設(shè)計(jì)到大量的動(dòng)手能力與技能需要在現(xiàn)實(shí)情境中進(jìn)行操作，包括很多實(shí)驗(yàn)的技巧和經(jīng)驗(yàn)都是在錯(cuò)誤操作中獲得和總結(jié)出來的。因此，本實(shí)驗(yàn)課將抽象的、成本高的實(shí)驗(yàn)及步驟納入虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，同時(shí)兼顧實(shí)體教學(xué)。

跨學(xué)科是環(huán)境學(xué)科的學(xué)科特點(diǎn)，是指環(huán)境學(xué)科包含了物理，化學(xué)，生物，地質(zhì)學(xué)，地理，資源技術(shù)和工程等的物理科學(xué)，也含有資源管理和保護(hù)，人口統(tǒng)計(jì)學(xué)，經(jīng)濟(jì)學(xué)，政治和倫理學(xué)等社會(huì)科學(xué)。

而環(huán)境微生物學(xué)從傳統(tǒng)的教學(xué)科研領(lǐng)域僅僅從單一介質(zhì)中進(jìn)行研究或教學(xué)。例如，研究水里面的微生物就不會(huì)涉及土壤和大氣帶來的影響和作用。然而在復(fù)雜的環(huán)境現(xiàn)實(shí)中，一個(gè)知識(shí)點(diǎn)或者一個(gè)科學(xué)的問題往往需要多介質(zhì)的綜合考慮，由于教學(xué)條件、經(jīng)費(fèi)、人力資源等原因，環(huán)境微生物的教學(xué)科研一直停留在單一介質(zhì)的研究中，這就局限了學(xué)生只能從局部或者部分的發(fā)現(xiàn)、研究和學(xué)習(xí)科學(xué)問題，無法從更高的層次去學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)，在創(chuàng)新思維和技術(shù)應(yīng)用都具有局限性。

跨介質(zhì)是指突破傳統(tǒng)的水、大氣、土壤的單一介質(zhì)作為研究媒介，發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，從一個(gè)區(qū)域或一個(gè)局部的實(shí)際問題出發(fā)，將環(huán)境微生物融入多介質(zhì)的整體學(xué)習(xí)研究中，作為一個(gè)體系進(jìn)行知識(shí)傳授。例如一個(gè)流域區(qū)間的氮循環(huán)為例，農(nóng)田中的氨肥由土壤中的微生物通過消化作用生成硝氮并伴隨氧化亞氮和一氧化氮向大氣排放，空氣中的氮氧化物由光氧化生成HNO3、NO3-以及臭氧等二次污染，氣溶膠或PM2.5作為微生物的載體又可以將病毒、細(xì)菌擴(kuò)散出去，最終以干沉降或濕沉降的形式回歸土地。部分氮肥經(jīng)過土壤微生物轉(zhuǎn)化后被植物根莖吸收，富集在果實(shí)里最終被人體吸收并排放到水體中。部分氮素會(huì)隨經(jīng)雨水徑流流入天然水體改變了水生微生物的生長(zhǎng)環(huán)境。因此，多介質(zhì)的虛擬仿真模擬技術(shù)有助于學(xué)生理解，微生物在每一個(gè)環(huán)節(jié)中的作用。

重應(yīng)用是在傳授學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的基礎(chǔ)上，著重培養(yǎng)學(xué)生自己解決問題能力、技能結(jié)合和應(yīng)用推廣能力。以《環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)課》傳授的理論-技術(shù)-經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，鼓勵(lì)學(xué)生申請(qǐng)本科生基金、北創(chuàng)、國創(chuàng)等自主創(chuàng)新項(xiàng)目并給予指導(dǎo)。

三、虛擬仿真與傳統(tǒng)教學(xué)結(jié)合案例

傳統(tǒng)教學(xué)中第3-5節(jié)課分別是“環(huán)境中的微生物”、“革蘭氏染色”和“藻類的計(jì)數(shù)”。其教學(xué)目的分別是傳授獨(dú)立設(shè)計(jì)微生物實(shí)驗(yàn)的基本方法，了解處理組與對(duì)照組在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的意義。以“革蘭氏染色”為例傳授簡(jiǎn)單的定性分析，以“藻類的計(jì)數(shù)”傳授基礎(chǔ)的定量分析。然而在這個(gè)模塊中由于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和器材的缺乏，常規(guī)教學(xué)很難做到方法的應(yīng)用與推廣，借助虛擬仿真技術(shù)上述模塊被設(shè)計(jì)成如下案例教學(xué)。

EDTA對(duì)土壤中微生物群落的影響實(shí)驗(yàn)研究：

實(shí)驗(yàn)背景：通過視頻畫面，學(xué)生先認(rèn)識(shí)到我國土壤重金屬污染問題嚴(yán)重并亟需解決；目前我國現(xiàn)有的土壤修復(fù)方法的匯總；簡(jiǎn)述用挖掘方法將重金屬污染的土壤集中后用1.5M 的EDTA進(jìn)行洗脫的方法和原理；提出問題，EDTA會(huì)在土壤中保留有一定的殘留液，這類土壤回歸自然后土壤中微生物群落生長(zhǎng)是否會(huì)受到影響，有什么程度的影響？

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：通過軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的目的。 具體包括方法設(shè)計(jì)、培養(yǎng)過程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)分析設(shè)計(jì)。方法設(shè)計(jì)，如學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)變量，包括：EDTA的濃度梯度，土壤的類型，同等條件下對(duì)照組的設(shè)計(jì)； 培養(yǎng)過程設(shè)計(jì)包括：培養(yǎng)時(shí)間和條件，采樣時(shí)間和方法，平板劃線分析等操作過程；實(shí)驗(yàn)分析包括：篩選出的微生物定性和定量分析并得出初步的結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證部分：運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生可以虛擬操作流式細(xì)胞儀進(jìn)行簡(jiǎn)單的細(xì)菌染色及計(jì)數(shù)， 通過虛擬操作高通量測(cè)序得出定量結(jié)果并作為課堂實(shí)操的驗(yàn)證。

四、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)展望

從環(huán)境科學(xué)與工程的學(xué)科特點(diǎn)上分析，環(huán)境科學(xué)一般是針對(duì)特定的微生物樣品進(jìn)行處理和條件化干預(yù)，進(jìn)而獲得特定微生物與其它事物之間的關(guān)系模式，通過探索其發(fā)生-發(fā)展-過程的機(jī)理，總結(jié)出規(guī)律進(jìn)而形成理論，為自然的認(rèn)知提供知識(shí)。因此，環(huán)境科學(xué)涉及的是對(duì)已知微生物的研究，其標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)包括微生物的定性（微生物是否存在）、定量（個(gè)數(shù)）、功能（酶）、理化特征（形狀、大小、化學(xué)性質(zhì)等）。對(duì)于環(huán)境工程來說，微生物樣品往往是環(huán)境樣品，即未知樣品。其標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)一般包括：微生物群落結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)勢(shì)種群篩選、簡(jiǎn)單的分類（革蘭氏染色）、某種特征微生物的鑒定等。

從表1不難看出，如果結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，傳統(tǒng)教學(xué)的內(nèi)容需要進(jìn)行修改和提高，鑒于儀器缺乏和場(chǎng)地的限制，虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展空間很大，可以設(shè)計(jì)出很多在滿足現(xiàn)有教學(xué)要求的同時(shí)還可以重視實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。進(jìn)而提高學(xué)生認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)科研興趣。

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作者簡(jiǎn)介：

趙金博（1980-），男， 漢族，吉林梅河口人，博士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師， 主要研究方向?yàn)榄h(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)境微生物。

劉夢(mèng)媛（1996-），女，漢族，湖北武漢人，本科生，研究方向?yàn)榄h(huán)境科學(xué)。