國 輝 金 一 李志茹 張柏林
(北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京 100083)
“微生物學(xué)實驗”是一門非常重要的生物學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程。微生物學(xué)是研究微生物在一定條件下的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化、遺傳變異以及微生物進化、分類、生態(tài)等規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科。微生物學(xué)實驗技術(shù)和方法是微生物學(xué)建立和發(fā)展的基礎(chǔ),隨著分子生物學(xué)的誕生及其技術(shù)的應(yīng)用,各學(xué)科交叉滲透,豐富了微生物學(xué)實驗技術(shù)的內(nèi)容,并將其推向新的發(fā)展階段。“微生物學(xué)實驗”課程是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力的必要手段,對微生物學(xué)理論知識的鞏固和加深具有重要意義。
在我國多數(shù)高等院校中,“微生物學(xué)實驗”課程是生物科學(xué)、生物技術(shù)、環(huán)境科學(xué)、草業(yè)科學(xué)等多個專業(yè)的一門重要的必修課程或選修課程,通過對微生物相關(guān)實驗技術(shù)的掌握,使得學(xué)生更好地理解書本上學(xué)到的理論知識,并將所掌握的知識更好地融會貫通。隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的普及,虛擬仿真教學(xué)作為一種現(xiàn)代化教學(xué)模式,被越來越多的應(yīng)用到實驗課程教學(xué)中,并獲得了良好的教學(xué)效果。北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院微生物學(xué)教研室以目前國家“微生物學(xué)”精品課程為基礎(chǔ),結(jié)合林業(yè)院校的專業(yè)特色,為不同專業(yè)(生物科學(xué)、生物技術(shù)及食品科學(xué)等專業(yè))的學(xué)生講授“微生物學(xué)實驗”課程。筆者以此為例,根據(jù)當(dāng)下“微生物學(xué)實驗”課程面臨的主要問題,結(jié)合新冠肺炎疫情防控常態(tài)化的相關(guān)要求,探討在該課程教學(xué)中引入虛擬仿真教學(xué)模式,開展虛實結(jié)合的課程教學(xué)改革問題。
北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院開設(shè)的“微生物學(xué)實驗”課程共有32學(xué)時,主要的實驗內(nèi)容有:典型微生物的形態(tài)觀察、培養(yǎng)基的制備,環(huán)境微生物分離、培養(yǎng)和鑒定,微生物的大小和計數(shù)測定以及菌種保藏等。該課程采用的教學(xué)模式和流程如下。①課前,學(xué)生通過雨課堂在線獲得教學(xué)課件,撰寫預(yù)習(xí)報告。②課上,教師對該課程涉及的知識點進行講解,并示范實驗操作,然后學(xué)生進行實驗操作,教師在學(xué)生操作過程中予以檢查和指導(dǎo);學(xué)生當(dāng)堂完成實驗報告的撰寫并上交。③課后,教師根據(jù)學(xué)生課上的表現(xiàn)和實驗報告的撰寫情況給出學(xué)習(xí)成績。這種教學(xué)模式雖然經(jīng)過多年摸索已較為成熟,但也逐漸顯露出一些問題。
首先,學(xué)生課前雖然通過雨課堂等在線方式對“微生物學(xué)實驗”課程所涉及知識點有所認(rèn)識,但對比較抽象的知識掌握還不夠系統(tǒng)。由于缺乏虛擬仿真手段的輔助,有些知識不便于學(xué)生提前進行較為直觀的理解,只能在較短的課上時間去見識和接觸實物。
其次,雖然“微生物學(xué)實驗”課程在固定的實驗教室進行小班(15~25人/班)教學(xué),但由于受課堂地點、空間和教室條件的限制,授課教師很難實現(xiàn)實驗操作過程中一對一多維度的展示,不同位置的學(xué)生存在觀察視角的限制和差異,無法做到全方位的獲得。
最后,受“微生物學(xué)實驗”課程時間和地點的限制,實驗操作的相關(guān)內(nèi)容很難拓展,對于實驗內(nèi)容不同而存在內(nèi)在關(guān)聯(lián)的知識很難從整體層面進行邏輯聯(lián)系和貫通,學(xué)生學(xué)習(xí)到的實驗技術(shù)相對比較零散、獨立,缺乏知識點之間的連貫性,不利于學(xué)生對“微生物學(xué)實驗”課程的總體學(xué)習(xí)和理解,也不利于學(xué)生對具體微生物實驗技術(shù)的掌握和應(yīng)用。
隨著虛擬仿真教學(xué)模式的發(fā)展和進步,上述這些問題都可以通過相關(guān)技術(shù)手段得到彌補和解決,因此基于虛擬仿真教學(xué)模式的“微生物學(xué)實驗”課程教學(xué)改革逐漸成為本領(lǐng)域的熱點問題。
虛擬仿真教學(xué)是在多媒體、虛擬現(xiàn)實、人機交互、網(wǎng)絡(luò)和通信等技術(shù)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上,將傳統(tǒng)教學(xué)模式與仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的高層次的仿真教學(xué)手段,具有沉浸性、交互性、虛幻性和逼真性的特點[1]。基于“微生物學(xué)實驗”課程所面臨的問題,筆者將虛擬仿真教學(xué)引入到該課程教學(xué)中。
“微生物學(xué)實驗”課程沿用傳統(tǒng)微生物教學(xué)的基本內(nèi)容,在此基礎(chǔ)上加強該課程內(nèi)容與其他課程內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)性,以擴展知識面。同時借助目前學(xué)校及學(xué)院的虛擬仿真平臺,構(gòu)建了“多媒體+虛擬仿真+課堂訓(xùn)練”的“微生物學(xué)實驗”課程教學(xué)模式,具體思路見圖1。
圖1 “微生物學(xué)實驗”課程教學(xué)改革的思路
首先,利用在線教學(xué)資源,開展“微生物學(xué)實驗”課程教學(xué)活動。教師除將該課程簡介、內(nèi)容、課外拓展知識點等文本教學(xué)資源上傳至線上教學(xué)平臺外,還補充上傳相關(guān)的微視頻資源,幫助學(xué)生在課前預(yù)習(xí)消化,并完成知識的拓展。對于該課程的難點、重點及抽象內(nèi)容,學(xué)生可通過反復(fù)觀看視頻以強化對知識的理解。
其次,建構(gòu)微生物學(xué)虛擬仿真實驗平臺。參考學(xué)校已有課程的虛擬仿真實驗平臺,對“微生物學(xué)實驗”課程涉及的微生物學(xué)實驗構(gòu)建一個高度仿真的虛擬實驗環(huán)境,讓學(xué)生提前模擬實驗操作,將分散的實驗內(nèi)容串聯(lián)起來,形成完整的實驗體系。例如,學(xué)生可以完整地從土壤中分離獲得一株純菌,可在虛擬仿真實驗平臺上進行具體規(guī)范操作,包括培養(yǎng)基的配置、超凈工作臺無菌操作、菌種的分離、純化及保藏等。這樣可以拓展學(xué)生學(xué)習(xí)的時間和空間,讓學(xué)生無需進入實驗室就可以在線模擬實驗操作,并不斷反復(fù)鞏固知識。
最后,提高課堂訓(xùn)練的效率和效果。結(jié)合課前在線教學(xué)資源和虛擬仿真實驗平臺內(nèi)容,“微生物學(xué)實驗”課程課堂訓(xùn)練變得更有針對性,學(xué)生針對預(yù)習(xí)模擬操作過程中的重點和難點問題,認(rèn)真聽取教師的指導(dǎo),并在實際操作過程中反復(fù)訓(xùn)練,更有利于學(xué)生對所學(xué)知識的理解、掌握和應(yīng)用,真正實現(xiàn)“習(xí)得”,提高學(xué)生綜合創(chuàng)新和實踐的能力。
隨著北京林業(yè)大學(xué)教學(xué)軟硬件條件的不斷升級和完善、信息技術(shù)(云平臺)的快速發(fā)展、電子設(shè)備的低成本化和大眾化,基于虛擬仿真教學(xué)模式的“微生物學(xué)實驗”課程改革時機已經(jīng)成熟,具備了較高的可行性和較好的可操作性。筆者在分析“微生物學(xué)實驗”課程面臨問題的基礎(chǔ)上,提出了引入虛擬仿真教學(xué)的教改思路,具體從提升教學(xué)硬件設(shè)備、豐富軟件資源、多維度培育綜合化人才、全面開展實驗考核4個方面進行了改革,旨在拓展學(xué)生的視野,提高學(xué)生綜合實驗操作能力,見圖2。
圖2 “微生物學(xué)實驗”課程教學(xué)改革內(nèi)容
近幾年,隨著北京林業(yè)大學(xué)對本科教學(xué)質(zhì)量及教學(xué)條件的重視,教務(wù)處對本科生實踐教學(xué)的硬件設(shè)施進行了補充,使微生物學(xué)本科教學(xué)實驗室部分基礎(chǔ)設(shè)備得到了更新,這為后期虛擬仿真教學(xué)平臺的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。教師的授課電腦更換新機型后,使操作更方便,能快速將在線三維教學(xué)資源展示給學(xué)生;顯微鏡的更換,保證了典型微生物形態(tài)觀察、微生物顯微技術(shù)和大小測定的精準(zhǔn)化和高效化。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展,教師和學(xué)生自身配置的電腦和手機兼容性越來越好,更保證了課前、課后在線數(shù)字資源的共享以及學(xué)生親自在虛擬仿真實驗平臺上的模擬操作。
傳統(tǒng)實驗教學(xué)的資源是通過雨課堂、課堂派等方式上傳基礎(chǔ)課件的[2]。北京林業(yè)大學(xué)微生物教學(xué)研究室整合面向?qū)W校各學(xué)院開設(shè)的幾門微生物學(xué)(含實驗)課程,建立了以信息技術(shù)為支撐的微生物系列課程[3],錄制了在線精品課程,并且每章節(jié)設(shè)置題目讓學(xué)生通過在線課程開展有針對性和自主性的個性化學(xué)習(xí)。在此基礎(chǔ)上,“微生物學(xué)實驗”課程組利用已有的在線資源,不斷豐富、完善和優(yōu)化新的數(shù)字資源,將與“微生物學(xué)實驗”相關(guān)的、近幾年發(fā)表在《Science》《Nature》《Cell》等國際頂尖雜志的覆蓋林業(yè)領(lǐng)域不同研究方向的最新前沿動態(tài)和微生物分支學(xué)科(如林業(yè)微生物、食品微生物、環(huán)境微生物等)的發(fā)展動態(tài)擴充到在線資源系統(tǒng)中,同時將高質(zhì)量的教學(xué)操作視頻和實驗技術(shù)視頻資料上傳至該平臺供學(xué)生查找、閱讀和觀看。另外,還補充了不同專業(yè)相對應(yīng)的微生物學(xué)內(nèi)容和實際應(yīng)用案例,同時完善了在線平臺的課后答疑功能,使學(xué)生能夠針對課上學(xué)習(xí)內(nèi)容向教師一對一提出問題,并得到及時答復(fù)。
在教學(xué)設(shè)備和在線信息資源升級的基礎(chǔ)上,“微生物學(xué)實驗”課程組探索建立了軟硬件充分結(jié)合、信息化較為完備、資源化充分共享的虛擬仿真教學(xué)平臺,使得學(xué)生在課前就可以身臨其境地開展在線模擬實驗[4-6]。比如,“倒固體培養(yǎng)基平板”實驗需要學(xué)生在固體培養(yǎng)基上開展不連續(xù)劃線、試管斜面等接種,并掌握油鏡的使用操作方法。即便是這些最基本最簡單的實驗操作,對初學(xué)者來講只能憑空去想象理解,所謂“百聞不如一見,百見不如動手一遍”,學(xué)生缺少感性認(rèn)識,到課上實際操作時就會出現(xiàn)很多問題。
因此,在“微生物學(xué)實驗”課程教學(xué)中,把虛擬仿真教學(xué)平臺嵌入基本實驗技術(shù)和綜合實驗設(shè)計2個模塊中,方便不同程度的學(xué)生選擇使用。每一個基本操作是一個操作模塊,操作模塊賦予了試劑儀器的選取和具體實驗步驟。如果學(xué)生對某一技術(shù)不熟練,就可以在線反復(fù)練習(xí)掌握基本實驗操作技能。基本實驗技術(shù)模塊主要是傳統(tǒng)微生物實驗課程涉及的主要內(nèi)容;綜合實驗設(shè)計模塊是對基本實驗技術(shù)的整合與延伸,內(nèi)容可以包括纖維素降解菌的分離及鑒定、16S rDNA序列系統(tǒng)發(fā)育進化樹構(gòu)建、蛹蟲草活性成分的分離與測定、林木根際微生物多樣性的檢測與分析、森林保護微生物的開發(fā)與利用等。綜合實驗設(shè)計周期較長,取樣點不好選取,實驗成本較高,但在虛擬仿真教學(xué)平臺上可以突破時間、地點和經(jīng)費等的限制。學(xué)生通過在線虛擬操作可以將孤立知識點串聯(lián)起來,實現(xiàn)內(nèi)容的多維度交叉融合,在鞏固基礎(chǔ)知識的同時,綜合提升學(xué)生的實踐技能和創(chuàng)新思維。
在傳統(tǒng)“微生物學(xué)實驗”課程教學(xué)中,該課程的考核成績由實驗報告(50%)、卷面考試(30%)和實驗匯報(20%)構(gòu)成,不利于學(xué)生綜合實踐能力的提升。因此,筆者對該課程的考核方式進行了調(diào)整,強化了實驗過程的考核,該課程的考核成績包括在線操作情況(10%)、實驗報告完成情況(40%)、課上實驗操作情況(30%)以及課后平臺反饋情況(20%)。在線操作情況的考核主要考察學(xué)生課前預(yù)習(xí)和針對基本實驗操作的練習(xí)情況,在完成該部分內(nèi)容的同時書寫實驗預(yù)習(xí)報告;實驗報告完成情況考核主要考察學(xué)生對實驗過程的了解程度、對實驗中主要問題的解決能力和實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;課上實驗操作考核主要通過對實驗內(nèi)容抽簽的方式一對一考核,保證學(xué)生能夠掌握該課程主要技術(shù),動手能力有較大提高;課后平臺反饋情況考核主要包括學(xué)生在線完成課后思考題的情況,以及教師對該課程教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計和對教學(xué)內(nèi)容的講解情況的反饋建議。
“微生物學(xué)實驗”課程“多媒體+虛擬仿真+課堂訓(xùn)練”多元結(jié)合的教學(xué)模式不僅有利于學(xué)生系統(tǒng)地掌握該課程的知識,而且還提高了教學(xué)的質(zhì)量和效率。
“微生物學(xué)實驗”課程的專業(yè)知識內(nèi)容廣泛且豐富,涉及教科書、文獻、視頻等資料。該課程通過虛擬仿真教學(xué)模式,將大量的資料集中化、在線化、信息化,不僅有利于選擇該課程的學(xué)生即時、方便地觀看視頻、查閱資料,而且也可以根據(jù)學(xué)生自身學(xué)習(xí)需求獲得相關(guān)的知識點,極大地豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容,是對教師課堂教學(xué)的有效補充和完善。
基于虛擬仿真教學(xué)模式的“微生物學(xué)實驗”課程教學(xué)使學(xué)生在課上課下隨時都可以通過教學(xué)客戶端對該課程進行預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí),大大提升了教學(xué)效率。同時,互動的模式、多維的教學(xué)體驗、綜合化的實驗設(shè)計、多元的知識建構(gòu)、前沿的技術(shù)進展充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,學(xué)生積極主動地打開在線平臺探索、了解和學(xué)習(xí)課程相關(guān)知識,培養(yǎng)自己的技術(shù)技能,促進了教學(xué)質(zhì)量的提高。
“微生物學(xué)實驗”課程課堂操作環(huán)節(jié)仍是課程的主體部分,學(xué)生在操作過程中經(jīng)常遇到很多干擾因素或異常情況,比如微生物細(xì)胞染色時間過長或過短、無菌操作控制不好出現(xiàn)雜菌污染等,為切實反映實驗的復(fù)雜性,增加學(xué)生利用所學(xué)知識處理實際問題的機會,培養(yǎng)學(xué)生的團隊配合意識,課堂實驗操作必不可少。但虛擬仿真教學(xué)的即時性、可重復(fù)性、對教學(xué)環(huán)境的低依賴性等特點又充分彌補了課堂教學(xué)的不足。因此,在滿足新冠肺炎疫情防控常態(tài)化的前提要求下,“微生物學(xué)實驗”課程仍要以現(xiàn)實中的實踐教學(xué)和動手操作為核心,只有二者有機結(jié)合、互補互促,才能實現(xiàn)“1+1>2”的效果。
資助項目:北京林業(yè)大學(xué)2019年教學(xué)改革項目“信息技術(shù)支撐的林業(yè)特色微生物學(xué)系列課程教學(xué)改革與探索”,項目編號BJFU2019JY042。