利用發酵工藝虛擬仿真平臺強化問題導向的微生物學實踐

張言 周姚利 洪鍵 王歡莉

摘要：微生物學實驗是生物技術或生物工程專業的基礎課程，是發酵工程、發酵工藝實驗、生物工程實驗等課程的基礎，是培養學生實踐技能和創新能力的關鍵性課程。但是，在教學中存在課程時間有限、實驗內容與其他課程缺乏銜接、實驗內容形式單一，這些因素限制了對學生實踐能力和創新能力的培養。為了解決上述不利因素，通過發酵工藝虛擬仿真平臺，采用問題導向的教學方式，突破傳統實體實驗教學的局限，延伸和拓展微生物學實驗技能訓練的教學途徑和教學資源。并通過“項目化教學”方法讓學生利用微生物學實驗技能挖掘傳統釀造工藝的精髓，既有利于學生專業素養的提高，也有利于學生核心價值觀的培養。

關鍵詞：微生物學實驗;虛擬仿真;發酵工藝;問題導向

中圖分類號：Q936 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

微生物學實驗是生物工程專業開設的一門實踐性較強的專業基礎必修課程，是學生學習發酵工程、發酵工藝實驗、生物工程實驗等的基礎，是培養學生專業實踐技能和創新能力的關鍵性課程。但是，目前的微生物學實驗多以重現經典操作技術為主，學生學習時缺乏熱情，感覺所學技術與應用沒有太大聯系。導致學生形成這樣認識的原因主要是由實驗內容設置造成的，實際上微生物學實驗是開展發酵工程實驗、發酵工藝實驗的技術基礎，也是發酵工業生產的主要技術基礎，具有很強的實踐性。因此，通過近兩年的教學經歷，結合近幾年現代信息科技在教學中的應用情況，教學中開展了基于虛擬仿真平臺的“問題導向”的微生物學實驗，增加學生學習的積極性，使學生充分認識到微生物學實驗的實踐價值，并利用平臺以“傳統釀醋工藝法果醋釀造虛擬仿真實驗項目”為例，綜合訓練學生的微生物學實驗技能及實踐能力。

目前，以強化學生實踐能力為目標的“虛擬仿真實驗項目”建設已經成為高等教育信息化建設和人才培養模式改革的發展趨勢[1-2]，通過構建高度仿真的虛擬實驗場景和實驗項目[3]，并與實體實驗實訓有機結合、相互補充，突破傳統實驗教學的局限性，切實提高學生的實踐能力和創新能力[4]。

1 ? 建設發酵工藝虛擬仿真平臺的必要性

以微生物培養為基礎的發酵工藝具有工藝流程多、周期長，依賴專業設備，專業技能要求高等特點[5]。顯然，對于那些僅掌握微生物學、發酵工程基本原理，剛做過基礎實驗和專業實驗的本科生而言，難以通過一次專業綜合實驗或實訓就能讓學生深入理解發酵工藝原理和熟練掌握微生物學實驗技能[6-7]。而教學中卻難以安排多次的實驗或實訓以強化學生的實踐技能，主要是受專業設備投資高，設備數量建設不足;運行消耗成本大，實驗成本高;實驗時間不能靈活安排等因素的限制[8-9]。因此，除了加強實體實訓平臺的建設外，有必要通過建設虛擬仿真實驗平臺，突破傳統實驗教學的局限，達到如下實驗目的。

（1）利用“傳統釀醋工藝法果醋釀造虛擬仿真實驗項目”模擬傳統釀醋工藝，引導學生利用微生物學原理與技術解析釀造機制，幫助學生理解、掌握中國傳統固態發酵工藝中涉及的微生物學實驗技能。

（2）模擬利用傳統釀醋工藝釀制不同風味、品質果醋的工藝條件，引導學生探究如何有效利用微生物的生長特性發酵釀制不同的果醋產品。

（3）將虛擬實驗項目嵌入課堂教學，探索構建“仿真模擬+實踐檢驗+仿真探究”的混合式教學方式、“項目化教學”的教學方法、“知識建構-能力生成-創新發展”的學生學習體系和“過程性考核”評價體系，切實提高學生的微生物學實驗技能和創新能力[8-9]。

（4）該實驗項目融合傳統釀造工藝和現代微生物發酵技術，利用微生物學原理與技術解析工藝原理和改進釀造工藝，通過創新以更好地傳承和發展傳統釀造工藝，既有利于提高學生的專業素養，也有利于學生核心價值觀的培養。

2 ? 利用發酵工藝虛擬仿真平臺強化微生物學實驗技能的實施措施

依托鹽城師范學院基礎生物實驗教學示范中心，利用互聯網、仿真技術搭建1個24 h開放的網絡環境，并結合實體實驗平臺設備，擬通過建設“傳統釀醋工藝法果醋釀造虛擬仿真實驗項目”改變《微生物學實驗》、《發酵工藝實驗》傳統教學方式和方法，探索構建“仿真模擬+實踐檢驗+仿真探究”的教學方式和“項目化教學”方法。構建如圖1所示教學模式。

2.1 教學方法

項目采用虛實有機融合，相互補充的“仿真模擬+實踐檢驗+仿真探究”的教學方式和“項目化教學”方法。采用的“仿真模擬+實踐檢驗+仿真探究”教學方式有利于突破傳統發酵工藝實驗教學中因專業設備投資高，設備數量建設不足;運行消耗成本大，實驗成本高;實驗時間不能靈活安排等因素的限制。通過高度仿真的虛擬實驗環境和實驗項目，為學生提供多次重復的、專業的微生物學實驗技能模擬訓練和工藝原理學習。同時，將虛擬實驗項目納入傳統教學過程，有機融合，相互補充，克服虛擬仿真無法真實訓練的弊端，將虛擬仿真模擬訓練的效果通過利用實體實驗進行檢驗和鞏固，也有利于學生理論聯系實際，使學生具備分析解決復雜問題的能力，并將實際操作得到的經驗和方法用于優化虛擬仿真實驗項目的建設，以更好地發揮虛擬仿真實驗的教學效果，通過虛實結合，相互補充，強化學生的實踐技能。

在“仿真模擬+實踐檢驗+仿真探究”教學方式的基礎上，通過“項目化教學”的方法有利于將最新科研成果和行業發展前沿融入教學資源中去，保證教學內容的先進性;有利于靈活選取案例，做到有難有易、有高有低，激發學生學習興趣，因材施教引領學生核心價值觀的養成。因此，“項目化教學”方法的使用能夠將虛擬仿真實驗和實體實驗有機結合，有利于“仿真模擬+實踐檢驗+仿真探究”教學方式的構建，滿足學生的個性化發展需求，提高學生的實踐技能和創新能力，使學生學會利用現代發酵技術，通過創新以更好地傳承和發展傳統釀造工藝。

2.2 評價體系