基于OBE理念的“食品微生物檢驗”虛擬仿真教學改革與探索

朱丹實，劉雪飛，呂艷芳，趙麗紅，薛 鵬，曹雪慧，劉 賀

（1.渤海大學食品科學與工程學院，遼寧 錦州 121013；2.北京歐倍爾軟件技術開發有限公司，北京 100192）

成果導向教育（Outcome-based education，OBE）是指教育教學過程中一切教學活動都圍繞學生實現預期學習成果開展的教學過程[1]。自1981年由Spad首次提出后，OBE如今已成為歐美很多國家工程教育改革的主流理念[2-3]。OBE理念強調學生的主體作用，將工程教育認證標準作為指導性綱領，以社會需求為導向，注重培養學生將學術知識轉化為解決實際問題的能力，對創新型、應用型人才培養具有重要意義。

虛擬仿真實驗是以計算機為基礎的虛擬現實技術，利用動態教學模型實時模擬實體實驗的場景、儀器設備、操作流程，達到與實體實驗基本一致的實驗現象和實驗結果。在虛擬仿真實驗的開發過程中，要求構筑出綜合多種技術和工具的信息化、網絡化的集成環境[4-5]。虛擬仿真技術能夠克服實體實驗周期長、危險性大、參與度低、靈活性小等諸多缺點，實現低成本、全天候的實驗教學和即時的實驗反饋。

“食品微生物檢驗”是高等院校食品學科的一門重要課程。該課程的實驗課學時較多，應用性和實踐性很強。目前，傳統的“食品微生物檢驗”課程實驗多是為了加強學生對有關理論知識的驗證和鞏固，很難激發學生對食品專業知識的學習興趣。而且，在實際教學中一般以演示性、驗證性的實驗內容為主，而綜合性、設計性、研究性的實驗內容較少。學生學習缺乏主動性和積極性，實踐動手能力、綜合運用知識能力和創新思維的鍛煉也較少[6]，難以滿足培養創新應用型人才的需求。

OBE模式強調對實踐教學的要求，虛擬仿真平臺增強了實踐教學的即時性、靈活性。在OBE模式的教學過程中引入虛擬仿真技術，能夠較好地解決食品專業實踐教學環節中的共性及個性問題，更好地培養學生的自主學習能力和工程實踐能力，提升學生的創新意識。若要最大程度地貫徹OBE教育模式，最充分地利用虛擬仿真實驗資源，就需要增強實驗教學的開放性與自主性[7]。根據“食品微生物檢驗”課程實踐性和應用性強的特點，基于OBE理念的“食品微生物檢驗”課程虛擬仿真實驗建設改革方案，利用虛擬仿真技術為“食品微生物檢驗”實驗教學提供新穎的教學模式，符合當前信息化的趨勢，使學生能獲得更便利的學習機會，提高學生創新意識和實踐技能，對培養創新應用型專業人才的轉型發展十分必要。

1 “食品微生物檢驗”OBE模式虛擬仿真教學思路

渤海大學食品科學與工程學院的“食品微生物檢驗”課程是食品質量與安全專業的必修課程，其中“食品中菌落總數測定”和“大腸菌群計數”也是食品科學與工程專業學生的必修學習內容。“食品微生物檢驗”課程的實踐性非常強，實驗操作要點很多、規范性要求強，僅靠傳統課堂和有限的實踐教學時間，學生往往不能完全掌握所有的操作技能。而且，致病菌的檢測項目還帶有一定的危險性，具有安全隱患。因此，圍繞OBE模式，根據應用型人才創新實踐能力培養需要，將虛擬仿真技術引入食品專業實踐教學過程中，開發和豐富“食品微生物檢驗”虛擬仿真教學和實驗資源，可以實現理論教學、實體實驗教學、虛擬實驗教學和創新型實驗教學的有機結合[8]。

“食品微生物檢驗”OBE模式虛擬仿真教學改革建設原則為“虛實結合、虛創結合、實創結合”，即理論教學與虛擬實驗及實體基礎性實驗、驗證型實驗和綜合性實驗操作結合；虛擬實驗與大學生創新創業訓練、各類大學生競賽項目、畢業設計、畢業論文實驗、課程設計、科研創新、校企合作等創新型實驗結合；實體基礎性實驗、驗證型實驗和綜合性實驗與各類創新型實驗結合。通過“食品微生物檢驗”OBE模式虛擬仿真教學改革，可以進一步強化學生實踐能力，培養和鍛煉創新思維，構建綜合性強、開放度高、互動豐富的實踐教學體系。

開展“食品微生物檢驗”OBE模式虛擬仿真教學改革時，要注意3個方面問題：一是要以學生為主體，以社會對食品專業人才的需求為導向，重點培養學生工程執業能力，突出培養創新應用意識。激發學生主觀能動性為前提，培養學生將理論知識轉化為實踐應用的能力為目的，提高學生專業素養為目標。構建高度仿真、虛實結合、開放共享的虛擬仿真實驗系統，探索理論知識學習與實踐能力培養的最優結合方式，創新實踐教學體系。二是要以實驗項目驅動為主導，將實驗項目“模塊化”設置，并著重培養學生的科研思維和創新意識。重視科研成果向實驗項目有效轉化，實現教學與科研的有機結合和有效反饋，強化創新、科研意識，促進學生科學研究能力培養。三是要大力推動校企合作，將“食品微生物檢驗”課程實驗與企業需求結合，并與創新創業訓練、各類大學生競賽項目、畢業實習、畢業設計等實踐教學內容有機融合，開發面向食品專業的“多層次、立體化”的虛實結合教學資源體系。不斷健全虛擬仿真實驗教學資源管理，建立共享機制與兼容平臺，維護保障虛擬仿真實驗教學的安全高效運行。

2 “食品微生物檢驗”OBE模式虛擬仿真教學設計

“食品微生物檢驗”課程專業性強，涉及學科廣泛、內容多，要達成課程教學目標，教學內容的設計十分重要。根據學生培養目標和食品行業生產廠家需求相結合的原則，基于OBE教學理念，將微生物檢驗實踐教學構建為“菌落總數測定”“大腸菌群計數”“沙門氏菌檢驗”“金黃色葡萄球菌檢驗”四大實驗模塊，并增加“食品微生物檢驗基礎理論”和“食品微生物檢驗考核”1個軟件模塊。食品微生物檢驗四大檢測項目方法，緊緊圍繞中華人民共和國國家“食品微生物學檢驗”標準GB 4789.2—2016“菌落總數檢測”，GB 4789.3—2016“大腸菌群計數”，GB4789.4—2016“沙門氏菌檢驗”和GB 4789.10—2016“金黃色葡萄球菌檢驗”中相應標準化檢測的流程和方法，將規范化微生物檢驗操作以計算機虛擬技術呈現。

虛擬仿真軟件中包含理論知識、實驗演示、虛擬練習、易錯點考核、擴展應用知識等內容，力爭實現理論學習、虛擬練習、實體實踐、擴展研究相結合的原則。理論教學內容的設置由淺入深、循序漸進，既強調基礎性和系統性，又突出重點，緊密聯系實際。在虛擬仿真教學時，一方面要思考如何在該體系中應用學科知識，如何將虛擬和實踐銜接，在實踐中操作怎樣應用理論解決具體實際問題；另一方面要給學生補充學科外的知識。在理論知識模塊中還要加大練習和擴展環節。通過練習環節，使學生具備相應的理論知識和檢測能力，并有助于培養獨立思考能力。擴展環節，一方面可沿橫向進行跨學科擴展；另一方面也可沿縱向從表層認知向深層次學科問題探究擴展。在虛擬仿真練習環節可以設置一些共性任務，擴展環節可以針對部分感興趣的學生深入學習，體現因材施教的原則。

實踐教學過程中，對每一個檢測模塊都進行梳理和調整，結合虛擬仿真3D可視化軟件感知設計的優勢，將“菌落總數檢測”“大腸菌群計數”“沙門氏菌檢驗”和“金黃色葡萄球菌檢驗”這4個實驗模塊的實驗目的、實驗原理、實驗方法、實驗結果報告原則、實驗的注意事項要求等制作成三維微課件。根據實驗內容準備實驗材料和儀器，確定操作步驟，重點分析實驗操作過程中容易出現的問題、分析問題產生的可能原因、提出問題的解決方案。模擬實體實驗轉換虛擬操作關鍵環節，展示不同實驗結果。力爭在每個實驗模塊中實現理論、虛擬、實踐、創新一體化教學模式，融理論、虛擬實踐、實體實踐于一體，融技能和創新意識培養于一體。此外，要注意充分調動學生的學習積極性，增強學生自主探究的興趣，在理論知識充分掌握的前提下提高學生實踐動手能力，培養基礎扎實、本領過硬、素質全面、創新能力強的專業型人才。

借助微生物虛擬仿真軟件實現互動畫面，使學生對微生物檢驗實驗操作的每個環節進行虛擬仿真控制，自由掌握實驗進度，反復修正和重復標準化操作。解決因設備、實驗場地不足和原料安全性帶來的實踐教學缺陷。學生結合理論教學和真實實驗過程，將虛擬仿真實驗作為輔助和擴展，實現虛實結合、互為補充。通過虛擬仿真訓練，強化實際操作能力，開拓學生眼界和思路，充分體現以學生為主導的實踐教學模式，充分調動學生自主學習興趣，提高實踐教學效果。虛擬實驗場所與學校現有微生物檢驗實驗室結合，學生在虛擬仿真實驗過程中，可以進行軟硬結合、虛實結合的綜合性實驗，利用虛擬實驗補充實體實驗的缺點，使實驗內容更加豐富，實驗的趣味性增強，激發學生學習和實驗熱情，從而獲得更好的實踐教學效果。學生在實驗過程中可以單獨完成實驗，也可以以小組形式協作完成實驗，從而適應不同的實驗模式，便于實現學生之間和師生之間的交流。學生進行虛擬實驗操作過程中，教師也要進行適當指導和講解，學生可以根據自身掌握的程度反復演練，熟悉操作要點和操作規范性。當學生進行實驗室實體操作時可以避免虛擬操作中的問題，提高學生的檢驗操作的準確性，提升實踐動手能力。

3 基于OBE理念的虛擬仿真教學評價體系

OBE理念模式強調學生本人完成相應成果的能力，因此“食品微生物檢驗”虛擬仿真教學考核應注重學生的真才實學，教學評價體系還要體現過程性、隨機性、個性化的特點。

過程性考核可以依托實驗報告展開。每次實驗均設有獨立的實驗報告，在實驗報告中設有任務成果說明欄、教師問詢欄、評語欄、簽章欄、評分欄等。實驗報告同樣按照遞進式設計，學生首先完成實驗內容，在此基礎上接受關于實驗內容的問詢，由于提問的內容是隨機的，學生必須對自己的實驗內容充分了解，要注重問詢前的理論和實踐過程的學習及相應能力的獲得。學生必需能夠完成相應虛擬和實踐教學任務，并通過了教師的問詢和檢驗，才可以獲得實驗簽章進入到下一實驗的學習，并獲得該實驗的成績。過程性考核過程中，教師對學生的問詢和評價是客觀、透明的，學生可看到自己的不足，并可在后續環節中予以關注和改進。各項實驗是按照遞進式設計，學生按照先后順序獲得相應實驗的簽章才能進入下一環節，從源頭上保證了每個學生能夠掌握相應的知識。為了便于學生課堂外自學和討論，所有教學過程中講解的理論教學資料、實驗操作要求和相關拓展資料都面向學生開放，教師在授課過程中主要講重點、講難點、答疑、檢驗成果和評定成績等。過程性考核模式與遞進式教學設計相匹配，可以最大限度地保障學生獲得相應能力。

隨機性考核模式中，學生隨機抽取題目并在指定時間完成相應任務。該環節不允許學生討論，重點考查學生對所學知識的掌握程度、綜合運用的能力和獨立完成實驗任務的能力。由于隨機性考核環節的任務是隨機抽取的，允許學生在制定時間內多次完成該項任務，可以在課下對任務庫中的多個任務進行反復練習。任務庫包含基礎理論內容、對課堂內容的擴展、實踐操作要點及近年來食品領域的一些真實案例。通過綜合性的隨機考核，可以在課程的學習過程中，培養學生解決復雜工程問題的能力，滿足OBE理念的培養要求。

個性化考核模式是針對每個學生的獨創性成果，開展個性化考核，有利于學生學習過程的持續改進。個性化考核可以結合實驗操作和易出錯情況及小結開展。通過虛擬仿真軟件進行在線評估，根據實驗配套操作指導評價系統，按照實驗目的完成實驗原理的認知、實驗操作的規范進行客觀打分，學生培訓后由計算機自動給出客觀分數，軟件系統按照學習計劃進度，對學生進行評級。在此評級說明，學生可以有針對性地練習和改進，并重新申請考核評級，從而達到OBE持續改進、不斷進步的理念，進一步提高培養創新應用型專業人才的質量。

4 結語

面對工程認證的要求，基于OBE教育模式引入虛擬仿真教學手段，對“食品微生物檢驗”課程教學內容與體系進行改革，可以實現以學生為主體，虛實結合、虛創結合、實創結合的三位一體的教學體系。通過虛擬仿真教學改革的開展可以激發學生學習興趣、增加師生互動、沖破空間時間限制、提高教學資源整合和分享、降低微生物實驗危險性、完善考核體系等，切實提高“食品微生物檢驗”教學質量。通過改革，進一步實現以成果為導向、結合社會需求、強化學生專業實踐能力、鍛煉綜合素質與科研創新素養，達到培養高素質復合型應用人才的目的。教學改革不可能一步到位，要建立長效機制，從主觀和客觀上持續改進，才能不斷推動教學質量的持續提高。