虛擬仿真技術在微生物學實驗教學中的應用探索

李文穎　閔璐　邱鑫源　劉傳揚

摘要：微生物學實驗教學作為生物相關專業(yè)的基礎必修課程，對課程內(nèi)容的系統(tǒng)性和實驗操作的精確度都有較高的要求。傳統(tǒng)微生物學實驗教學存在教學手段形式單一，教學內(nèi)容完整性欠缺等方面的問題。將虛擬仿真技術引入到微生物學實驗教學過程中，能夠有效的對教學手段、教學內(nèi)容起到重要的補充和完善作用。

關鍵詞：微生物學實驗;虛擬仿真技術

微生物學實驗是生物相關專業(yè)本科生的學科基礎必修課程之一。該課程的主要任務是使學生掌握研究與應用微生物的主要方法與技術，包括經(jīng)典的、常規(guī)的、以及現(xiàn)代的方法與技術，使學生具有從事相關學科的基礎理論研究與實際生產(chǎn)應用的微生物學實驗技能。

1.傳統(tǒng)微生物實驗教學存在的問題

1.1教學手段形式較單一，影響教學效果

傳統(tǒng)的微生物學實驗課程多采用講授加演示型教學模式。教員首先對實驗的原理和操作步驟進行講解，并在講解的過程中通過簡單的演示向?qū)W員進行操作示范，提示注意事項。學員通過模仿開展實驗，進而掌握操作技術。這種教學模式下，取得較好的教學效果的關鍵在于學員自身對課程前期的預習和把握程度。只有學員在課前對實驗內(nèi)容有一定程度的理解，才能在進行實驗操作的過程中，將理論知識與實操技能進行有效的結(jié)合，達到理想的教學效果。但事實上，學員僅根據(jù)教材上簡單的步驟描述和極少的實驗操作示意圖，較難取得較好的預習效果。此外，受到學時限制以及微生物實驗需要較長反應時間的影響，教員通常不能對整個實驗過程進行完整的演示，這也在一定程度上影響學員對實驗要領的完整把握。

1.2師生互動較少，影響學員積極性

根據(jù)實驗課程注重實操性的特點，各高校實驗課程的開設通常都是采取小班制的形式?？杉幢闶切“嘀频氖谡n模式，也是一個教員對十幾甚至幾十個學員的授課比例。以我校為例，微生物學實驗課程面向生物專業(yè)學員開設，共25名學員，設置一名主講教員和一名教學輔助教員進行教學活動。教員與學員的比例是1比12.5。每個學員對知識掌握程度不同，接受新知識的能力存在差異，對操作過程的疑問點也各不相同就需要在教員在學員實操的過程中，進行單獨的有針對性的輔導和答疑。這往往就會造成，一個課堂中只有少數(shù)積極主動的學員與教員進行了有效的溝通和交流，大部分學員只是機械的按照步驟走一遍流程，完成實驗，對實驗過程所涉及的原理要領掌握不牢。微生物學實驗作為基礎的實驗課程，應該著重培養(yǎng)學員養(yǎng)成良好的實驗操作習慣，尤其是在無菌操作和顯微操作的學習和把握上。但是在傳統(tǒng)的微生物學實驗的教學過程中，教員很難全程觀察學生的實驗操作方式，無法保證對學員們操作過程中的每一錯誤進行及時糾正，學員可能形成錯誤的習慣，實驗技能也很難得到有效的提高。

1.3教學時長、資源有限，影響教學內(nèi)容的體系性

傳統(tǒng)微生物學實驗教學大多以驗證性實驗為主，綜合的設計性實驗所占比例不多。微生物學實驗通常會涉及到培養(yǎng)基的無菌處理，微生物的生長，免疫反應等需要耗時較長的實驗受實驗課課時的限制，為保障教學任務的順利完成，教員通常會在課前將這些耗時較長的實驗操作步驟提前完成，或者讓學員完成前部分操作，等下次課再進行實驗結(jié)果的觀察。這就使得課程的連貫性和系統(tǒng)性受到嚴重影響，不利于學員對整體實驗的把握。同時，由于學員無法完整及時的獲取實驗結(jié)果，也會在一定程度上影響他們對實驗課程學習與操作的積極性和主動性。

1.4生物安全因素的考量，影響教學內(nèi)容的完整性

生物安全教育是整個實驗教學的首要任務，培養(yǎng)學員生物安全防護意識，規(guī)范實驗室生物安全操作應該貫穿實驗教學的整個過程，微生物實驗教學更應如此。微生物實驗的教學內(nèi)容中涉及一些具有感染性的病原微生物的檢測。在進行這類實驗操作時，如果操作不規(guī)范，就容易發(fā)生安全事故，尤其是對于處于軍事化管理的軍校學員來說，一旦發(fā)生生物安全問題，很可能造成大規(guī)模的爆發(fā)導致非戰(zhàn)斗減員。因此出于安全因素的考慮，這類實驗通常是作為演示實驗由教員示范完成，或者直接從教學內(nèi)容中刪除。從而破壞了教學內(nèi)容的完整性。

2.虛擬仿真技術在微生物學實驗教學的應用特點

虛擬仿真實驗是專業(yè)學科信息化的產(chǎn)物，它依托構(gòu)建高度仿真的虛擬環(huán)境讓實驗者感受沉浸式的深度體驗，加之一系列人機互動操作可有效激發(fā)實驗者求知欲，提升學習興趣，培養(yǎng)探究性思維和開放性思維，極大地提升實驗學習效果。目前，虛擬仿真實驗在生物教學中已有廣泛應用。

2.1虛擬仿真技術可以豐富教學手段，提高教學質(zhì)量

虛擬仿真技術通過三維構(gòu)圖逼真的向?qū)W員展示實驗室中各種實驗相關設備和輔助材料，學員們可以通過鼠標或鍵盤的操作，對儀器設備進行多角度的觀察，有利于學員更加生動形象的理解實驗操作。與此同時，虛擬仿真技術還可以通過軟件模擬操作，讓學員可以對反應發(fā)生的動態(tài)微觀過程進行直觀的了解。通過多維度的信息輸入，幫助學員實現(xiàn)對實驗要領的整體把握。

2.2虛擬仿真技術可以加強師生互動，提升學員興趣

一套完整的虛擬仿真系統(tǒng)通常會包括圖片、文字說明、儀器操作演示及講解、課程大綱、知識點、配套練習等。學員可以通過系統(tǒng)中豐富的學習資源，在課前完成充分的預習準備。學員還可以通過系統(tǒng)中的模擬軟件在進行實驗實操之前，對實驗過程進行反復的模擬練習。這樣一方面可以通過不斷的試錯，了解操作錯誤對實驗結(jié)果的影響，進而加強學員的操作規(guī)范性意識。另一方面，經(jīng)過多次模擬練習，學員對實驗流程的把握度更高，可以有效的提高實操的成功率，提升學員的成就感和興趣度。

2.3虛擬仿真技術可以作為實驗教學的重要輔助資源。

微生物學實驗教學體系中，有一些在教學體系中比較重要的教學內(nèi)容，由于耗時較長不可能在有限的教學課時中完成或者所涉及的實驗設備過于精細、貴重，不適合作為本科基礎實驗教學等原因，不得不在傳統(tǒng)的微生物學實驗的教學活動中刪除，比如發(fā)酵培養(yǎng)實驗和激光共聚焦顯微鏡的使用等。這些實驗都可以通過虛擬仿真系統(tǒng)中的模擬軟件進行補充。讓學員可以系統(tǒng)的把握微生物學在生產(chǎn)生活中的應用場景，以及最新的觀察技術手段，為開拓和培養(yǎng)學員創(chuàng)新的科研素養(yǎng)具有積極意義。

2.4虛擬仿真技術為實驗室安全教育提供有效技術手段

剛進實驗室的本科學員普遍存在實驗室安全意識不強，對生物安全沒有足夠的重視程度。盡管教員三令五申的強調(diào)安全規(guī)范操作，多數(shù)學員還是會有“不至于如此”的僥幸。借助VR等虛擬技術，可以既不對學員產(chǎn)生實際危害后果，又“聲臨其境”的對學員進行震撼的安全教育，加強他們的實驗室安全意識。與此同時，一些受實驗室客觀條件制約無法開展的具有一定安全隱患的微生物實驗，比如病原微生物的檢測、流感病毒分離培養(yǎng)等，通過虛擬仿真實驗，也可以讓學員在保障生物安全的前提下，對實驗過程和相關實驗原理有更直觀和感性的認識。

總結(jié)

微生物學實驗的教學內(nèi)容具有較強的連貫性和系統(tǒng)性，對實驗操作的精確性和規(guī)范性都有較高的要求，但是傳統(tǒng)實驗教學方式由于教學時長、場地、設備以及安全因素等限制，不能很好的實現(xiàn)上述教學要求。虛擬仿真技術的引入可以有效的豐富和補充微生物學實驗教學內(nèi)容，為形成系統(tǒng)完整的教學體系提供有效的技術支撐和輔助資源，有利于培養(yǎng)創(chuàng)新性復合科研人才。

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作者簡介：

李文穎（1987.4），女，瑤族，湖南永州人，博士，助理研究員，從事合成生物學研究。

閔璐（1985.12），女，漢族，湖南益陽人，博士，實驗師，從事合成生物學研究。

邱鑫源（1994.1），男，漢族，四川廣安人，碩士，助理實驗師，從事合成生物學研究。

劉傳揚（1995.11），男，漢族，湖北隨州人，碩士，助理實驗師，從事合成生物學研究。