“環(huán)境工程微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)”虛擬仿真教學(xué)資源 建設(shè)的探討

宋曉紅 李艷紅 張立浩 朱宗強(qiáng) 曾鴻鵠

[摘 要] 在傳統(tǒng)環(huán)境工程微生物實(shí)驗(yàn)實(shí)際教學(xué)基礎(chǔ)上，探討多維應(yīng)用現(xiàn)代教育信息技術(shù)構(gòu)建與課程密切相關(guān)的教學(xué)資源素材，專項(xiàng)整合環(huán)境工程微生物實(shí)驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目庫、實(shí)體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目庫、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象圖庫、模擬動畫庫、規(guī)范操作視頻庫五大教學(xué)資源庫，搭建“環(huán)境工程微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)網(wǎng)站，通過圖文并茂、動靜結(jié)合的形式，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與熱情，增強(qiáng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)技巧的認(rèn)識和理解，強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能，有效提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效。

[關(guān)鍵詞] 環(huán)境工程微生物學(xué)實(shí)驗(yàn);虛擬仿真教學(xué)資源;教學(xué)改革

[基金項(xiàng)目] 2020年度廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目“‘新工科背景下基于信息化的環(huán)境類本科微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐”（2020JGA195）;2019年度廣西研究生教育改革課題“新工程教育改革背景下資源與環(huán)境領(lǐng)域?qū)I(yè)學(xué)位型研究生培養(yǎng)模式的改革與探索”（JGY2019090）;2020年度桂林理工大學(xué)本科教學(xué)改革工程立項(xiàng)項(xiàng)目“環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)資源的專項(xiàng)整合與建設(shè)”（2020B06）

[作者簡介] 宋曉紅（1990—），女（壯族），廣西荔浦人，碩士，桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，主要從事環(huán)境毒理學(xué)研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）09-0107-04? ? [收稿日期] 2020-12-29

隨著現(xiàn)代教育理念的不斷深入，“互聯(lián)網(wǎng)+”引發(fā)了教育的歷史性變革，如何利用信息技術(shù)改革教學(xué)方式、提高教學(xué)效率、擴(kuò)大教學(xué)規(guī)模、實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)等是高等教育教學(xué)改革發(fā)展的必然趨勢[1]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)和傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)兩種實(shí)驗(yàn)方式相互補(bǔ)充、相得益彰，能拓展常規(guī)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，進(jìn)一步促進(jìn)對學(xué)生創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力的培養(yǎng)。教學(xué)團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)圍繞“環(huán)境工程微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)”虛擬仿真教學(xué)資源的建設(shè)開展了探討與構(gòu)思。

一、開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足

虛擬仿真技術(shù)通過模擬構(gòu)建實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，再現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)場景，營造出高效、安全、的實(shí)驗(yàn)環(huán)境[2]，具有沉浸性、交互性等特點(diǎn)，體驗(yàn)直觀、真實(shí)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域格外受到關(guān)注。相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（一）實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的再現(xiàn)性，確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安全性

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可輔助教師直觀演示復(fù)雜或危險的實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果不易觀察的實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)周期過長的實(shí)驗(yàn)、無法控制反應(yīng)過程等傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中無法完成的實(shí)驗(yàn)，虛擬再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程，降低實(shí)驗(yàn)過程中毒、爆、腐、火、水等風(fēng)險，確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重復(fù)性和安全性。

（二）增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)課堂的趣味性，保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)效性

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合應(yīng)用多種技術(shù)，立體逼真地演示抽象的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，豐富課堂教學(xué)手段，彌補(bǔ)由于實(shí)驗(yàn)室生物安全和場地設(shè)施緊張等問題而不能開設(shè)的教學(xué)內(nèi)容，擴(kuò)充課前預(yù)習(xí)階段的學(xué)習(xí)資源，從而激發(fā)學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)興趣，強(qiáng)化學(xué)生實(shí)驗(yàn)基本技能，提高預(yù)習(xí)的效果，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的完整性和有效性。

（三）降低設(shè)備使用試劑消耗，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的集約性

教師可根據(jù)實(shí)際教學(xué)需求建設(shè)不同類型的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)不受時空限制，降低大型儀器設(shè)備的使用消耗，減少器材和藥劑損耗，綠色減排，降低實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的集約性和持續(xù)性。

二、虛擬仿真技術(shù)在“環(huán)境工程微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)”的應(yīng)用具有廣闊空間

基于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的限制和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)無可比擬的優(yōu)勢，從2013年開始，教育部做出了進(jìn)一步建設(shè)國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的部署，許多院校在各個領(lǐng)域都開展了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)并取得了較好的成效。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)也成了“金課”建設(shè)的重要內(nèi)容，如何圍繞“金課標(biāo)準(zhǔn)”構(gòu)建具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程是當(dāng)前的重點(diǎn)研究內(nèi)容。

教育部在2017—2020年開展了示范性國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)和認(rèn)定工作，涉及多個專業(yè)類別，2017—2019年分別認(rèn)定了105、296和327項(xiàng)國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，2020年認(rèn)定了728門首批國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程。其中，與微生物相關(guān)的項(xiàng)目主要集中于醫(yī)學(xué)、公共衛(wèi)生和生命科學(xué)領(lǐng)域，比如揚(yáng)州大學(xué)的“高致病性病原微生物檢測虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”、青島大學(xué)的“單純皰疹病毒的分離與鑒定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”、四川大學(xué)的“結(jié)核分枝桿菌實(shí)驗(yàn)室檢測的虛擬仿真項(xiàng)目”、中山大學(xué)的“禽類交易市場外環(huán)境禽流感病毒監(jiān)測采樣操作虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的“高致病性禽流感診斷虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”、武漢大學(xué)的“病毒感染與檢測虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)”、安徽醫(yī)科大學(xué)的“腸道致病菌分離與鑒定虛擬實(shí)驗(yàn)”等。

目前，虛擬仿真教學(xué)在食品、農(nóng)業(yè)等專業(yè)的微生物實(shí)驗(yàn)課程中具有一定的研究或應(yīng)用，比如微生物數(shù)字切片系統(tǒng)、大型真菌虛擬3D模擬識別系統(tǒng)、細(xì)菌分子生物學(xué)分類鑒定仿真系統(tǒng)、根瘤菌發(fā)酵工藝仿真實(shí)驗(yàn)、真菌栽培工藝仿真實(shí)驗(yàn)、污水微生物處理工藝仿真實(shí)驗(yàn)等。虛擬仿真技術(shù)在微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了可視化、形象化、立體化的教學(xué)，但也存在相關(guān)教學(xué)數(shù)據(jù)庫不足、教師在制作教學(xué)數(shù)據(jù)庫較傳統(tǒng)、教學(xué)方法需要花費(fèi)較多時間和精力、教學(xué)投入不夠、共享性不強(qiáng)等問題。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在環(huán)境工程微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的研究與應(yīng)用還處于起步階段，具有廣闊的研究和建設(shè)前景。開發(fā)和建設(shè)與實(shí)際教學(xué)密切契合的環(huán)境工程微生物實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)資源，可為環(huán)境工程微生物虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐奠定基礎(chǔ)，促進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的深入融合，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，擴(kuò)展學(xué)生自主學(xué)習(xí)的選擇空間。

三、“環(huán)境工程微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)”虛擬仿真教學(xué)資源的建設(shè)內(nèi)容構(gòu)思

“環(huán)境工程微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)”是桂林理工大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)的重要專業(yè)核心必修課，課堂上的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括微生物的顯微鏡觀察、微生物的染色、培養(yǎng)基的制備和滅菌、水中細(xì)菌總數(shù)的測定、水中大腸菌群數(shù)的測定、細(xì)菌的分離純化、細(xì)菌生化特性的測定、綜合實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容，本教學(xué)團(tuán)隊(duì)圍繞實(shí)驗(yàn)教學(xué)全過程進(jìn)行了教學(xué)改革研究與持續(xù)性改進(jìn)[3，4]。依托水污染控制國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，以及環(huán)境污染防治與生態(tài)保護(hù)虛擬仿真國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)觀念，以“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的科學(xué)發(fā)展理念為指導(dǎo)，在本課程虛擬仿真教學(xué)資源的建設(shè)方面開展了構(gòu)思與探討（見表1）。