基于虛擬仿真教學模式的“微生物學實驗”課程教學改革探索

國 輝 金 一 李志茹 張柏林

(北京林業大學生物科學與技術學院，北京 100083)

“微生物學實驗”是一門非常重要的生物學專業基礎課程。微生物學是研究微生物在一定條件下的形態結構、生理生化、遺傳變異以及微生物進化、分類、生態等規律及其應用的學科。微生物學實驗技術和方法是微生物學建立和發展的基礎，隨著分子生物學的誕生及其技術的應用，各學科交叉滲透，豐富了微生物學實驗技術的內容，并將其推向新的發展階段。“微生物學實驗”課程是培養學生創新能力和實踐能力的必要手段，對微生物學理論知識的鞏固和加深具有重要意義。

在我國多數高等院校中，“微生物學實驗”課程是生物科學、生物技術、環境科學、草業科學等多個專業的一門重要的必修課程或選修課程，通過對微生物相關實驗技術的掌握，使得學生更好地理解書本上學到的理論知識，并將所掌握的知識更好地融會貫通。隨著多媒體技術的發展和網絡應用的普及，虛擬仿真教學作為一種現代化教學模式，被越來越多的應用到實驗課程教學中，并獲得了良好的教學效果。北京林業大學生物科學與技術學院微生物學教研室以目前國家“微生物學”精品課程為基礎，結合林業院校的專業特色，為不同專業(生物科學、生物技術及食品科學等專業)的學生講授“微生物學實驗”課程。筆者以此為例，根據當下“微生物學實驗”課程面臨的主要問題，結合新冠肺炎疫情防控常態化的相關要求，探討在該課程教學中引入虛擬仿真教學模式，開展虛實結合的課程教學改革問題。

一、“微生物學實驗”課程教學面臨的問題

北京林業大學生物科學與技術學院開設的“微生物學實驗”課程共有32學時，主要的實驗內容有：典型微生物的形態觀察、培養基的制備，環境微生物分離、培養和鑒定，微生物的大小和計數測定以及菌種保藏等。該課程采用的教學模式和流程如下。①課前，學生通過雨課堂在線獲得教學課件，撰寫預習報告。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，然后學生進行實驗操作，教師在學生操作過程中予以檢查和指導；學生當堂完成實驗報告的撰寫并上交。③課后，教師根據學生課上的表現和實驗報告的撰寫情況給出學習成績。這種教學模式雖然經過多年摸索已較為成熟，但也逐漸顯露出一些問題。

首先，學生課前雖然通過雨課堂等在線方式對“微生物學實驗”課程所涉及知識點有所認識，但對比較抽象的知識掌握還不夠系統。由于缺乏虛擬仿真手段的輔助，有些知識不便于學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“微生物學實驗”課程在固定的實驗教室進行小班(15～25人/班)教學，但由于受課堂地點、空間和教室條件的限制，授課教師很難實現實驗操作過程中一對一多維度的展示，不同位置的學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“微生物學實驗”課程時間和地點的限制，實驗操作的相關內容很難拓展，對于實驗內容不同而存在內在關聯的知識很難從整體層面進行邏輯聯系和貫通，學生學習到的實驗技術相對比較零散、獨立，缺乏知識點之間的連貫性，不利于學生對“微生物學實驗”課程的總體學習和理解，也不利于學生對具體微生物實驗技術的掌握和應用。

隨著虛擬仿真教學模式的發展和進步，上述這些問題都可以通過相關技術手段得到彌補和解決，因此基于虛擬仿真教學模式的“微生物學實驗”課程教學改革逐漸成為本領域的熱點問題。

二、基于虛擬仿真教學模式的“微生物學實驗”課程教學改革的思路

虛擬仿真教學是在多媒體、虛擬現實、人機交互、網絡和通信等技術不斷發展的基礎上，將傳統教學模式與仿真技術、虛擬現實等技術相結合而產生的高層次的仿真教學手段，具有沉浸性、交互性、虛幻性和逼真性的特點[1]。基于“微生物學實驗”課程所面臨的問題，筆者將虛擬仿真教學引入到該課程教學中。

“微生物學實驗”課程沿用傳統微生物教學的基本內容，在此基礎上加強該課程內容與其他課程內容之間的關聯性，以擴展知識面。同時借助目前學校及學院的虛擬仿真平臺，構建了“多媒體+虛擬仿真+課堂訓練”的“微生物學實驗”課程教學模式，具體思路見圖1。

圖1 “微生物學實驗”課程教學改革的思路

首先，利用在線教學資源，開展“微生物學實驗”課程教學活動。教師除將該課程簡介、內容、課外拓展知識點等文本教學資源上傳至線上教學平臺外，還補充上傳相關的微視頻資源，幫助學生在課前預習消化，并完成知識的拓展。對于該課程的難點、重點及抽象內容，學生可通過反復觀看視頻以強化對知識的理解。

其次，建構微生物學虛擬仿真實驗平臺。參考學校已有課程的虛擬仿真實驗平臺，對“微生物學實驗”課程涉及的微生物學實驗構建一個高度仿真的虛擬實驗環境，讓學生提前模擬實驗操作，將分散的實驗內容串聯起來，形成完整的實驗體系。例如，學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范操作，包括培養基的配置、超凈工作臺無菌操作、菌種的分離、純化及保藏等。這樣可以拓展學生學習的時間和空間，讓學生無需進入實驗室就可以在線模擬實驗操作，并不斷反復鞏固知識。

最后，提高課堂訓練的效率和效果。結合課前在線教學資源和虛擬仿真實驗平臺內容，“微生物學實驗”課程課堂訓練變得更有針對性，學生針對預習模擬操作過程中的重點和難點問題，認真聽取教師的指導，并在實際操作過程中反復訓練，更有利于學生對所學知識的理解、掌握和應用，真正實現“習得”，提高學生綜合創新和實踐的能力。

三、基于虛擬仿真教學模式的“微生物學實驗”課程教學改革的措施

隨著北京林業大學教學軟硬件條件的不斷升級和完善、信息技術(云平臺)的快速發展、電子設備的低成本化和大眾化，基于虛擬仿真教學模式的“微生物學實驗”課程改革時機已經成熟，具備了較高的可行性和較好的可操作性。筆者在分析“微生物學實驗”課程面臨問題的基礎上，提出了引入虛擬仿真教學的教改思路，具體從提升教學硬件設備、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，旨在拓展學生的視野，提高學生綜合實驗操作能力，見圖2。

圖2 “微生物學實驗”課程教學改革內容

(一)補充和更新教學設備

近幾年，隨著北京林業大學對本科教學質量及教學條件的重視，教務處對本科生實踐教學的硬件設施進行了補充，使微生物學本科教學實驗室部分基礎設備得到了更新，這為后期虛擬仿真教學平臺的構建奠定了基礎。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資源展示給學生；顯微鏡的更換，保證了典型微生物形態觀察、微生物顯微技術和大小測定的精準化和高效化。隨著信息技術的不斷發展，教師和學生自身配置的電腦和手機兼容性越來越好，更保證了課前、課后在線數字資源的共享以及學生親自在虛擬仿真實驗平臺上的模擬操作。

(二)優化在線教學資源

傳統實驗教學的資源是通過雨課堂、課堂派等方式上傳基礎課件的[2]。北京林業大學微生物教學研究室整合面向學校各學院開設的幾門微生物學(含實驗)課程，建立了以信息技術為支撐的微生物系列課程[3]，錄制了在線精品課程，并且每章節設置題目讓學生通過在線課程開展有針對性和自主性的個性化學習。在此基礎上，“微生物學實驗”課程組利用已有的在線資源，不斷豐富、完善和優化新的數字資源，將與“微生物學實驗”相關的、近幾年發表在《Science》《Nature》《Cell》等國際頂尖雜志的覆蓋林業領域不同研究方向的最新前沿動態和微生物分支學科(如林業微生物、食品微生物、環境微生物等)的發展動態擴充到在線資源系統中，同時將高質量的教學操作視頻和實驗技術視頻資料上傳至該平臺供學生查找、閱讀和觀看。另外，還補充了不同專業相對應的微生物學內容和實際應用案例，同時完善了在線平臺的課后答疑功能，使學生能夠針對課上學習內容向教師一對一提出問題，并得到及時答復。

(三)實現實驗內容的多維度交叉融合

在教學設備和在線信息資源升級的基礎上，“微生物學實驗”課程組探索建立了軟硬件充分結合、信息化較為完備、資源化充分共享的虛擬仿真教學平臺，使得學生在課前就可以身臨其境地開展在線模擬實驗[4-6]。比如，“倒固體培養基平板”實驗需要學生在固體培養基上開展不連續劃線、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”，學生缺少感性認識，到課上實際操作時就會出現很多問題。

因此，在“微生物學實驗”課程教學中，把虛擬仿真教學平臺嵌入基本實驗技術和綜合實驗設計2個模塊中，方便不同程度的學生選擇使用。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。如果學生對某一技術不熟練，就可以在線反復練習掌握基本實驗操作技能。基本實驗技術模塊主要是傳統微生物實驗課程涉及的主要內容；綜合實驗設計模塊是對基本實驗技術的整合與延伸，內容可以包括纖維素降解菌的分離及鑒定、16S rDNA序列系統發育進化樹構建、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與利用等。綜合實驗設計周期較長，取樣點不好選取，實驗成本較高，但在虛擬仿真教學平臺上可以突破時間、地點和經費等的限制。學生通過在線虛擬操作可以將孤立知識點串聯起來，實現內容的多維度交叉融合，在鞏固基礎知識的同時，綜合提升學生的實踐技能和創新思維。

(四)強化實驗過程的考核

在傳統“微生物學實驗”課程教學中，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%)構成，不利于學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生課前預習和針對基本實驗操作的練習情況，在完成該部分內容的同時書寫實驗預習報告；實驗報告完成情況考核主要考察學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據的準確性；課上實驗操作考核主要通過對實驗內容抽簽的方式一對一考核，保證學生能夠掌握該課程主要技術，動手能力有較大提高；課后平臺反饋情況考核主要包括學生在線完成課后思考題的情況，以及教師對該課程教學環節的設計和對教學內容的講解情況的反饋建議。

四、基于虛擬仿真教學模式的“微生物學實驗”課程教學改革的效果

“微生物學實驗”課程“多媒體+虛擬仿真+課堂訓練”多元結合的教學模式不僅有利于學生系統地掌握該課程的知識，而且還提高了教學的質量和效率。

(一)促進了專業知識與信息技術的有效結合

“微生物學實驗”課程的專業知識內容廣泛且豐富，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生即時、方便地觀看視頻、查閱資料，而且也可以根據學生自身學習需求獲得相關的知識點，極大地豐富了學生的學習內容，是對教師課堂教學的有效補充和完善。

(二)促進了教學效率和質量的提高

基于虛擬仿真教學模式的“微生物學實驗”課程教學使學生在課上課下隨時都可以通過教學客戶端對該課程進行預習、復習，大大提升了教學效率。同時，互動的模式、多維的教學體驗、綜合化的實驗設計、多元的知識建構、前沿的技術進展充分調動了學生學習的積極性，學生積極主動地打開在線平臺探索、了解和學習課程相關知識，培養自己的技術技能，促進了教學質量的提高。

(三)促進了課堂操作與虛擬教學的有機結合

“微生物學實驗”課程課堂操作環節仍是課程的主體部分，學生在操作過程中經常遇到很多干擾因素或異常情況，比如微生物細胞染色時間過長或過短、無菌操作控制不好出現雜菌污染等，為切實反映實驗的復雜性，增加學生利用所學知識處理實際問題的機會，培養學生的團隊配合意識，課堂實驗操作必不可少。但虛擬仿真教學的即時性、可重復性、對教學環境的低依賴性等特點又充分彌補了課堂教學的不足。因此，在滿足新冠肺炎疫情防控常態化的前提要求下，“微生物學實驗”課程仍要以現實中的實踐教學和動手操作為核心，只有二者有機結合、互補互促，才能實現“1+1>2”的效果。

資助項目：北京林業大學2019年教學改革項目“信息技術支撐的林業特色微生物學系列課程教學改革與探索”，項目編號BJFU2019JY042。