環境微生物實驗課程的網絡虛擬實驗室教學探討

摘 要：隨著網絡技術的發展，使得虛擬實驗室在環境微生物實驗教學中的運用成為可能。本文重點介紹環境微生物實驗存在的問題與虛擬實驗室的發展現狀、應用過程，討論了環境微生物虛擬實驗課程的發展趨勢，并提出改進的建議和意見，以期為實驗課程的網絡化提供科學的依據和參考。

關鍵詞：環境微生物 實驗課程 虛擬實驗室 教學

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2014）02（a）-0155-02

1 環境微生物實驗課程存在的問題

環境微生物是一門實驗性和探索性性很強的學科，主要研究微生物與環境及人類疾病的關系問題，是環境學科重要的基礎課程[1]。而環境微生物學的實驗是此課程的重要組成部分，它還是很多交叉學科的基礎實驗課程，已有很多專業領域都涉及微生物實驗，如：微生物的基本形狀、微生物的分離與培養、微生物代謝產物等最基本的實驗技術需要在專業課的講授和實驗課中完成。環境微生物實驗課程是環境類專業學生的一門實用技術[2]。但是在實際的微生物學實驗在教學過程中也存在著一些問題，導致實驗課的實際效果大打折扣，例如：實驗內容簡單陳舊，驗證性實驗過多缺乏設計性和創新性實驗，學生在實驗過程中缺乏主動性、趣味性等問題。一般傳統環境微生物學實驗時間安排不合理，為了教學的方便實驗課時間安排一般較為緊密，每周一次或多次，每次兩個或者四個學時，但是微生物的實驗內容一般需要培養較長時間（少則一兩天，多則一兩周）的觀察分析才能得到結果，例如：微生物的間歇培養，一直培養到微生物大批量死亡，同時繪制生長曲線，在一兩天的時間內很難完成。

2 環境微生物實驗網絡虛擬實驗室發展現狀

環境微生物虛擬實驗室能很好的解決微生物實際實驗教學中出現的問題，虛擬實驗課教學就是在網絡頁面中創建出一個可視化的高度仿真的實驗操作環境，通過操作模擬實驗儀器或設備，即可模擬進行各種復雜的實驗，達到與真實實驗環境相一致的教學要求和目的[3]。最為關鍵也最為困難的就是實驗過程的操作，既要達到實驗室的效果，又要允許學生出現實驗室的可能錯誤操作。環境微生物實驗課程的網絡教學彌補實驗室教學的缺點，可以與實驗室教學同時開始，突破時空限制的特點，實現資源共享，已成為現代實驗教學的重要手段，也是教育改革和發展的趨勢。環境微生物實驗網絡教學具有開放性、靈活性、交互性、協同性、共享性、時效性、個性化服務等特點。為了充分利用網絡教學優勢，加快環境微生物學教學改革的進程，虛擬實驗室教學成為微生物教學的重要手段。

3 微生物實驗網絡虛擬實驗室平臺的應用

隨著信息技術和計算機網絡技術的廣泛應用和迅猛發展以及多媒體技術在環境微生物實驗教學中應用的普及，網絡虛擬教學的教學理念、教學方法和教學手段都發生了深刻的變化。

環境微生物學的教科書內容較繁多，為了加深學生的印象，環境微生物實驗課的教學顯得尤為重要，如何在有限的學時內達到最好的教學效果，是每一門課要解決的問題。在保留微生物實驗教學所必需的操作技術的基礎上，開設一些設計性、綜合性和系統性的實驗項目。虛擬實驗室緩解以上的問題，將環境微生物實驗教學環節放在真實實驗之前，學生在上課前先做虛擬實驗，了解實驗教學的具體內容，并有足夠的時間進行理論預習，同時還可以進行虛擬操作，并可以反復練習，提高了實驗課程的教學效率。

虛擬實驗室在模擬環境微生物的結構方面有獨特的優勢，譬如細菌形態觀察實驗，實際實驗的教學方法是采用顯微鏡觀察已經制作好的模式片，一方面占用大量的顯微鏡，需要在教學中投入大量的資金和資源購買顯微鏡；另一方面實驗課結束之后，學生很難再有機會觀察細菌形態，同時觀察的清晰程度與學生的操作有很大關系。在環境微生物的虛擬實驗室中就很好的解決細菌的形態觀察問題。首先收集或制作各種細菌形態示范片，掃描拍攝典型的細菌形態，并以圖片文件格式保存在虛擬實驗室中，通過虛擬顯微鏡學生隨時都可以觀察。對于耗時間比較長的實驗，可將細菌的生長過程拍成視頻或者連續的照片或者視頻，使很多天完成的實驗，在很短的時間內就能觀察到結果。

4 環境微生物實驗課程網絡教學過程

環境微生物學的特點，使其更適合實驗操作的虛擬化操作，豐富了實驗內容，提供了多方面的實驗手段。虛擬實驗突破了空間和時間的限制，改變了傳統教學的方式，也改變了學生學習的方式。

環境微生物學的虛擬實驗可以分為以下過程，實驗目標的制定、預習實驗、虛擬實驗、現實試驗、評估交流五個部分。（見圖1）

4.1 環境微生物實驗教學目標的制定

根據環境微生物教學實驗大綱的要求制定環境微生物實驗的教學目標，然后根據教學目標及具體課程的教學內容進行確定實驗的內容，設計出切實可行的實驗方案。方案的設計結合環境微生物的實際情況，由易到難，由驗證性實驗到綜合實驗，由簡單到復雜，循序漸進的過程，使教學目標符合教學大綱的要求和學生的實際情況。

4.2 預習實驗并確定虛擬實驗方案

根據教學目標，了解實驗的目的，理解和把握實驗的基本原理和方法，明確實驗所要測定的內容及操作步驟，更要明確試驗的注意事項。根據目的和要求合理的設計實驗方案，并結合實際環境情況適當的調整方案。

4.3 虛擬實驗及實驗報告

實驗的預習已經充分把握實驗的要點，在做真實實驗之前，首先讓學生進入虛擬實驗階段，仿真的環境讓學生有身臨其境的感覺，并做出虛擬實驗結果。虛擬實驗具有容錯的特點，錯誤的操作出現錯誤的結果和現象，并把錯誤的操作導致的危害同時顯示出來。虛擬實驗中也有正確操作的視頻供學生學習，以便在真實的試驗中改正過來。在虛擬實驗報告中不但要處理數據的結果，還要把出現錯誤的原因寫上，并總結教訓，列出改正的措施。一方面防止了真實實驗中出現危險的錯誤操作；另一方面加深了學生的印象。

4.4 真實實驗與實驗報告

有了虛擬實驗作基礎，通過學生已經進行的虛擬實驗，改進真實實驗的操作步驟和實驗方案，選擇最佳方案和操作步驟。學生自己準備實驗，從試劑的配置到儀器的使用，老師監督輔導，尤其注意與虛擬實驗操作不同之處，如實的記錄現實實驗現象及數據。并撰寫實驗報告。整個過程中，如果有意外情況或者疑問隨時與老師面對面的交流和溝通。實驗結束后，將數據通過計算機計算處理，并進行總結。

4.5 實驗的反饋與交流并做教學評估與環境評價

通過虛擬實驗和真實實驗，對于實驗的目的和原理有了清楚的認識，兩個實驗的過程也是交流的過程，認真分析出現錯誤現象或者結果的原因，同時概括總結學生的建議和意見。同時改進虛擬實驗的設計與操作，矯正其參數，對于設計性實驗改進設計方案，進行優化組合，既要鍛煉學生的動手能力，又要兼顧學生的興趣愛好。同時進行實際的環境評價，針對不同微生物的種類和數量，評估其對環境的影響，讓學生理論聯系實際，更好的認識并了解環境。實驗結束后對其進行總體評估，為進一步修正教學大綱做好前期的調研與準備。

5 環境微生物虛擬實驗教學的發展趨勢

5.1 有針對性的高仿真虛擬環境微生物實驗

目前網絡虛擬實驗系統的設計與開發的技術基本成熟，而虛擬實驗室往往針對某一個實驗的較多，而針對復雜的系統相對開發較少，虛擬實驗室需要更深入的研究并開發在復雜系統中（環境與微生物）各元素之間的相互作用與聯動機制，使其更智能，仿真性更強。

5.2 重視課程人機交互界面的設計

為了提高學生的學習積極性與趣味性，虛擬實驗室的設計充分發揮人機界面互動的全部功能，具有游戲的趣味性，又有虛擬實驗室的知識性。既要操作方便，又要交互性強，學生能隨意選擇實驗時間，并進行自主學習與實驗。

f5.3 重視環境微生物虛擬實驗室的共享

環境微生物實驗室最大的特點是微觀性和宏觀性的結合，大尺度宏觀的環境現象與微觀的微生物種類有密切的關系。由于復雜系統虛擬實驗室的設計復雜，導致其成本偏高，不同單位平臺的共享避免了重復性的勞動和重復購買，資源共享，降低了教學的成本，有利于提高總體教學水平。同時，合作設計與研發也是資源共享的重要途徑。

參考文獻

[1]張松.微生物學網絡課程的設計與開發[J].微生物學通報，2006（1）：176-180.

[2]朱旭芬，賈小明.充分調動學生的學習積極性，深化微生物學教學改革[J].微生物學通報，2007（1）：185-187.

[3]程紅兵，張雄鷹，陳云霞，等.醫學微生物學教學模式改革探索[J].山西醫科大學學報：基礎醫學教育版，2010（7）：673-674.