虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

金萍 邸佳妮

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為理論教學(xué)的補(bǔ)充，可以有效地培養(yǎng)學(xué)生的分析與解決問題的能力，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的環(huán)境對于現(xiàn)代高等教育有著十分重要的意義[1]，是實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的一大重要組成部分。由此看，實(shí)驗(yàn)教學(xué)勢必要進(jìn)行改革。新型的實(shí)驗(yàn)環(huán)境則將變?yōu)樘摂M仿真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，虛擬仿真技術(shù)的環(huán)境將會(huì)取代原始的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。新型的虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)即將成為我國微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一大方向。新型的虛擬仿真環(huán)境打破了傳統(tǒng)微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的瓶頸。巧妙的提高了微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。食品微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)是針對食品科學(xué)與工程和食品質(zhì)量與安全專業(yè)，配合理論課開展的食品微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)。課程主要培養(yǎng)了學(xué)生的微生物實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)水平[2-4]。食品微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程必不可少，因此食品微生物學(xué)的檢測技術(shù)至關(guān)重要。經(jīng)歷了理論課程對于本科生來說是很抽象難懂的。因此，食品微生物學(xué)可以在加深理論課程的理解方面發(fā)揮作用。傳統(tǒng)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)方法單調(diào)，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是利用虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。借助虛擬仿真技術(shù)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)將視覺、聽覺、觸覺等感官虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中[5]，使學(xué)生有身臨其境的感覺。更重要的是，它不受實(shí)驗(yàn)場地和無菌操作實(shí)驗(yàn)條件的限制，適合實(shí)驗(yàn)資源缺乏的情況下使用。擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的范圍和深度，同時(shí)不受時(shí)間和空間的限制。虛擬技術(shù)可以為學(xué)習(xí)者提供一個(gè)交互的環(huán)境，學(xué)習(xí)者可以通過電腦的界面同環(huán)境進(jìn)行交互，即從個(gè)人精神感受的層面“進(jìn)入”環(huán)境。仿真主要是從原系統(tǒng)抽取的抽象模型，反映了系統(tǒng)的人機(jī)交互。整個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)由服務(wù)器、教師客戶端、學(xué)生客戶端和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫組成。其中，服務(wù)器是教師與學(xué)生的客戶端中心。負(fù)責(zé)對教師和學(xué)生進(jìn)行身份認(rèn)證和信息傳遞，而教師和學(xué)生信息、實(shí)驗(yàn)室的信息等均儲(chǔ)存在管理的信息庫中。另外，教師客戶端的主要任務(wù)是負(fù)責(zé)學(xué)生的信息以及實(shí)驗(yàn)信息的遠(yuǎn)程管理。

1 傳統(tǒng)食品微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀及弊端

1.1 環(huán)境與場地受限

食品微生物學(xué)[6]研究對象是肉眼看不見的，需要嚴(yán)格的無菌操作。隨著高等學(xué)校擴(kuò)招的同時(shí)也帶來了一定的問題。比如實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目比較單一落后，已經(jīng)嚴(yán)重妨礙了食品微生物學(xué)教學(xué)的發(fā)展。

1.2 學(xué)生主動(dòng)性不高

以往的微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法主要先說明原則,然后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，而后學(xué)生自己動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)。課后再撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這樣的實(shí)驗(yàn)方法不夠生動(dòng)與直觀，難以吸引學(xué)生的注意力；同時(shí)，由于課程分組時(shí)學(xué)生數(shù)量較多，不能保證每個(gè)學(xué)生都親自進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。僵化的教學(xué)方法也會(huì)使學(xué)生失去興趣。這只是模仿老師的做法。這種教學(xué)模式不利于學(xué)生思維能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.3 不能保證無菌操作規(guī)范性

由于微生物很微小，用肉眼看不見的，食品微生物實(shí)驗(yàn)操作時(shí)應(yīng)該確保在無菌條件下進(jìn)行。如果染菌將會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的失敗。因此，微生物實(shí)驗(yàn)是一門非常實(shí)用的學(xué)科，有著獨(dú)特的操作標(biāo)準(zhǔn)和要求。傳統(tǒng)的食品微生物教學(xué)方法不容易激發(fā)學(xué)生的積極性，由于表達(dá)形式過于單一，因此學(xué)生不容易掌握與理解。此外，大多數(shù)微生物實(shí)驗(yàn)室操作要求無菌操作。對于微生物學(xué)新生來說，看不見的微生物作為操作對象，往往感覺很抽象。平板劃線技術(shù)、斜面劃線技術(shù)，以及無菌接種等實(shí)驗(yàn)操作手段都需要牢記操作要領(lǐng)并且要進(jìn)行反復(fù)的訓(xùn)練才能掌握。否則只通過枯燥的圖片和文字講授不能直觀的展現(xiàn)給學(xué)生。由于學(xué)生的視角和注意力集中程度不同，一次演示難以掌握所有的規(guī)范操作和動(dòng)作要領(lǐng)。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)在食品微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 適應(yīng)新時(shí)代辦學(xué)要求

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)[7]符合開放辦學(xué)的要求，提高了人才培養(yǎng)的質(zhì)量，為大學(xué)生的開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)合適的平臺(tái)。針對傳統(tǒng)的微生物實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中出現(xiàn)過的問題，如一些致病菌檢測等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在現(xiàn)實(shí)中開展時(shí)存在一定的人身安全，這時(shí)候就需要將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)帶入到學(xué)生課堂中并且與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的融合，兩者結(jié)合后能夠很好地解決食品微生物教學(xué)存在的問題。

2.2 豐富教學(xué)表現(xiàn)形式

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是以三維動(dòng)畫[8]的形式把實(shí)驗(yàn)課本應(yīng)所講授的內(nèi)容用直觀生動(dòng)地動(dòng)畫實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)給學(xué)生。展現(xiàn)形象生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，利用此種方法可以進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的熱情。大學(xué)生們可以通過各種感覺來感知知識(shí)。學(xué)生在玩中學(xué)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法跟不上時(shí)代的腳步，并且在教學(xué)過程中存在的諸多問題也大大的限制了教學(xué)水平的提高。利用多媒體虛擬仿真技術(shù)對教學(xué)的方法和內(nèi)容進(jìn)行改革，可以滿足高水平創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)的要求。同傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比，虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)的模式上有很大的不同?？梢酝ㄟ^音頻、視頻、圖像等多媒體技術(shù)在課堂上具體、直觀地呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容。師生互動(dòng)性增強(qiáng)，吸收知識(shí)的難度降低，促進(jìn)了師生之間的教學(xué)互動(dòng)，激發(fā)了學(xué)生對自主實(shí)驗(yàn)的興趣，取得了良好的效果。

2.3 降低實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性

由于微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)生物安全等因素的限制，有很多重要的實(shí)驗(yàn)比較難以開展，比如某些致病菌的檢測等不適合教學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室大規(guī)模操作和培養(yǎng)[9]，如沙門氏菌、致病性大腸桿菌、炭疽桿菌、結(jié)核菌、布氏桿菌等。通過直觀的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以遠(yuǎn)離這些致病菌的威脅，對這些致病菌有更直觀的了解和更深刻的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，與傳統(tǒng)的教學(xué)方法相比，虛擬仿真技術(shù)讓實(shí)驗(yàn)課堂具有非常好的可延續(xù)性，可以與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，并且安全性高，提高了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

2.4 安全性高，時(shí)間和物品消耗少

在做微生物實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于生物安全的問題有可能會(huì)遇到危險(xiǎn)。例如在做微生物實(shí)驗(yàn)時(shí)，有可能由于誤操作而導(dǎo)致細(xì)菌感染等，以上出現(xiàn)的這幾種情況，在虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)時(shí)這些情況在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境當(dāng)中，上課的學(xué)生們是在虛擬仿真的網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的。所以避免了微生物感染等危險(xiǎn)情況的發(fā)生。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)也使一次性實(shí)驗(yàn)品的消耗大大減少。學(xué)生在進(jìn)行傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，一次性實(shí)驗(yàn)品的消耗是必須的[10]，選擇虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)則沒有實(shí)驗(yàn)用品的消耗。同時(shí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還節(jié)省了大量準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)的時(shí)間[11]，例如微生物實(shí)驗(yàn)課的培養(yǎng)基需要花長時(shí)間去配制并滅菌，而且存放培養(yǎng)基的溫度和時(shí)間都要有所控制，而如果學(xué)生做微生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的時(shí)候則不需要準(zhǔn)備很多容易壞掉的而且量很大的培養(yǎng)基等實(shí)驗(yàn)物品。既節(jié)省了時(shí)間，又節(jié)約了經(jīng)費(fèi)。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在食品微生物學(xué)教學(xué)中應(yīng)用的可行性

3.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的原理

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是基于虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互、多媒體、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，通過用戶的視覺、聽覺和觸覺效果，使用戶進(jìn)入實(shí)時(shí)的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的實(shí)驗(yàn)室，而無需或難以實(shí)現(xiàn)教學(xué)功能。這種教學(xué)環(huán)境增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)課堂的有趣性，更加吸引學(xué)生的興趣。虛擬仿真技術(shù)通過視頻與音頻的方法，將實(shí)踐課堂上的知識(shí)點(diǎn)更加生動(dòng)的展示出來。各個(gè)元素直觀具體地呈現(xiàn)于課堂上，會(huì)給學(xué)生全新的體驗(yàn)感，用以增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

3.2 應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源整合和共享

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)軟件可有效地合并教學(xué)資源。構(gòu)建了多種教學(xué)資源共享平臺(tái)，形成了綠色實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教師講授為主體的教學(xué)方法，而學(xué)生只是被動(dòng)地接受知識(shí)。而虛擬仿真技術(shù)卻是能夠變成以學(xué)生為主體實(shí)現(xiàn)知識(shí)的傳遞。有效激發(fā)了學(xué)生的興趣，提高了教學(xué)質(zhì)量。近年來，面對教育國際形勢的變化，教育部也逐漸重視并鼓勵(lì)開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)共享平臺(tái)建設(shè)，用以充分調(diào)查虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在食品微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的可行性和必要性[12-14]。

3.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的模塊及其功能

微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果主要通過教師、學(xué)生及系統(tǒng)自動(dòng)測評(píng)3 大模塊體現(xiàn)。這些模塊相互獨(dú)立。且還是本科生學(xué)習(xí)和訓(xùn)練的主要的技術(shù)環(huán)節(jié)。微生物實(shí)驗(yàn)主要為微生物觀察，無菌操作和無菌分離技術(shù)，這些技術(shù)都在生物類學(xué)科中占據(jù)著重要的作用。因此，微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果在培養(yǎng)學(xué)生微生物操作技能具有重要的作用。因?yàn)榭陬^講解比較枯燥，無法調(diào)動(dòng)起學(xué)生的積極性，學(xué)生的學(xué)習(xí)效率低。限制了教學(xué)的效果[15]。

3.4 依托虛擬仿真技術(shù)建立創(chuàng)新式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

利用虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)技術(shù)教育高校學(xué)生已經(jīng)成為未來發(fā)展的方向，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法存在枯燥，安全等方面的缺點(diǎn)。已經(jīng)無法順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展。虛擬仿真可以利用多種技術(shù)完成操作實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這是傳統(tǒng)的微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中無法比擬的。從以往基于教師操作和學(xué)生模仿的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，逐漸演變?yōu)榛趯W(xué)生主動(dòng)思維和操作的設(shè)計(jì)性、綜合性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。依托虛擬仿真系統(tǒng)，學(xué)生可以積極發(fā)揮主觀能動(dòng)性和思維創(chuàng)新能力，為醫(yī)學(xué)院校培養(yǎng)創(chuàng)新型人才奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

綜上所述，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的研究與開發(fā)，有利于食品微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展。除了按照實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求精心設(shè)計(jì)課程結(jié)構(gòu)外，還要注意網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的真實(shí)性，選擇合適的多媒體材料進(jìn)行編輯、組織和壓縮，充分利用聲像等載體，提高教學(xué)效果，增加學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中的體驗(yàn)?，F(xiàn)在信息技術(shù)越來越成熟，在教學(xué)環(huán)節(jié)中應(yīng)用信息技術(shù)將會(huì)產(chǎn)生良好的效果。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建突破了傳統(tǒng)教學(xué)方法的一些弊端，滿足了學(xué)生進(jìn)行微生物實(shí)驗(yàn)的各種條件。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)使學(xué)生成為教學(xué)過程中的主體，實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為理論教學(xué)的延伸具有廣闊的前景。通過對通過對食品微生物學(xué)教學(xué)的研究和創(chuàng)新，可以看到虛擬仿真軟件的重要性。通過開發(fā)一套具有可操作性的虛擬模擬軟體，實(shí)現(xiàn)教學(xué)實(shí)踐與信息技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。伴隨著虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目的開展，大大提高了學(xué)生的分析能力，同時(shí)也減輕了教師的工作量。重要的是提高了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，也將傳統(tǒng)的教學(xué)模式推向信息技術(shù)的轉(zhuǎn)變方向。