關(guān)波 胡有貞 張艷 倪永清 周紅

摘? 要：虛擬仿真實驗教學(xué)是我國高等教育方式改革的方向之一，已在很多專業(yè)的實驗教學(xué)中取得了一定的成果。在新工科教育背景下，借助虛擬仿真實驗教學(xué)助力食品微生物實驗教學(xué)的改革，提高食品微生物學(xué)實驗的教學(xué)質(zhì)量，需要結(jié)合食品科學(xué)學(xué)科的專業(yè)特點和學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，更新優(yōu)化食品微生物學(xué)實驗的虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容、探索建立與虛擬仿真教學(xué)相適應(yīng)的教學(xué)和考核方式，從而更好地服務(wù)于培養(yǎng)實踐能力強、具有創(chuàng)新精神的食品科學(xué)專業(yè)人才。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;實驗教學(xué);食品微生物學(xué);教學(xué)模式;教學(xué)改革

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2019）25-0083-03

Abstract： Virtual simulation experiment teaching is one of the directions of higher education reform in our country， and has achieved some success in experiment teaching of various majors. In the context of new engineering education， to accelerate successful reform of food microbiology experiment teaching and improve the teaching quality of food microbiology experiment with the help of virtual simulation experiment teaching， we need to combine the professional characteristics of food science and students' knowledge structure， update and optimize the virtual simulation teaching content of food microbiology experiment， explore and establish teaching and assessment methods that are compatible with virtual simulation teaching. Only in such a way can we make the virtual simulation teaching better serve for training of food science professionals with strong practical ability and innovative spirit.

Keywords： virtual simulation; experiment teaching; food microbiology; teaching mode; teaching reform

食品微生物學(xué)實驗是針對食品科學(xué)與工程和食品質(zhì)量與安全專業(yè)大二學(xué)生開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要配合食品微生物學(xué)理論課程介紹微生物學(xué)相關(guān)的實驗技術(shù)，使學(xué)生具備基本的微生物學(xué)操作技能以及微生物的分析和檢測能力。微生物學(xué)理論課程內(nèi)容與實驗結(jié)合緊密，不經(jīng)歷規(guī)范的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，許多知識點對本科生而言是抽象的，難以在短期內(nèi)較好的消化掌握。因此，食品微生物學(xué)實驗是加深學(xué)生對理論課程知識理解，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析能力，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識，提高學(xué)生動手操作能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。實驗教學(xué)環(huán)節(jié)有助于學(xué)生深入、全面的了解微生物的基本特性，并熟悉其在食品科學(xué)與工程、食品安全與檢測中的應(yīng)用現(xiàn)狀。在當(dāng)前新工科教育背景下，工科學(xué)生的實驗實踐能力培養(yǎng)顯得更為重要。然而，傳統(tǒng)基礎(chǔ)實驗課教學(xué)通常是先由實驗教師課堂講授知識并示范實驗過程及提及注意點，然后學(xué)生開始進行實驗操作，最后回去整理實驗數(shù)據(jù)并完成實驗報告。由于實驗內(nèi)容更新緩慢，教學(xué)方式單調(diào)，傳統(tǒng)實驗教學(xué)的方式很難調(diào)動學(xué)生的積極性，學(xué)生對實驗內(nèi)容提不起興趣，很難滿足培養(yǎng)學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力的教學(xué)需求。

虛擬仿真實驗是指借助于多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，在計算機和網(wǎng)絡(luò)上搭建的可輔助甚至替代傳統(tǒng)實體實驗操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境。借助虛擬仿真技術(shù)，虛擬仿真實驗教學(xué)可以將視、聽、觸等多種感知的虛擬實驗環(huán)境融入實驗教學(xué)，使學(xué)生產(chǎn)生身臨其境的感覺[1]。更重要的是，這種不依賴實驗教學(xué)場地和實驗條件的教學(xué)模式，有利于實現(xiàn)稀缺實驗資源的充分共享，拓展實驗教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，延伸實驗教學(xué)的空間和時間。此外，與傳統(tǒng)教學(xué)模式下以教師為主體，由教師完成知識的講授和傳遞過程，而學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中處于被動接受狀態(tài)不同，虛擬實驗教學(xué)模式下主要以學(xué)生為主體，能夠更好激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升實驗教學(xué)質(zhì)量。作為一種新興教學(xué)工具，虛擬仿真實驗教學(xué)對于高校傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式極具挑戰(zhàn)意義。

近年來，面對教育信息化的國際形勢，教育部連續(xù)印發(fā)《2017年教育信息化工作要點》和《關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》兩個文件，鼓勵開展虛擬仿真實驗共享平臺建設(shè)，可見教育部對于在高校專業(yè)實踐教學(xué)中開展虛擬仿真教學(xué)的重視。為了充分調(diào)研虛擬仿真實驗教學(xué)在食品微生物實驗教學(xué)中應(yīng)用的可行性和必要性，結(jié)合食品學(xué)院食品科學(xué)與工程和食品質(zhì)量與安全兩個工科專業(yè)學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)特點，找出虛擬仿真教學(xué)模式在目前的教學(xué)實施過程中存在的問題，為科學(xué)的、針對性的改進食品微生物實驗教學(xué)模式提供依據(jù)，本文對虛擬仿真實驗教學(xué)在國內(nèi)兄弟院校食品微生物實驗教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀進行了調(diào)研分析，并對如何在食品微生物實驗教學(xué)中合理利用虛擬仿真技術(shù)的策略進行了歸納總結(jié)。

一、開展虛擬仿真實驗教學(xué)的必要性

傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式受到時間、空間的限制。以筆者所在學(xué)校為例，食品微生物學(xué)實驗每學(xué)期授課人數(shù)約180 人，然而現(xiàn)有實驗室僅能提供30-34人的空間同時開展實驗操作，實驗過程常常人員擁擠嘈雜，客觀條件不利于學(xué)生建立良好的無菌操作觀念。對于一些綜合性大實驗，多個班級輪流使用實驗室也給實驗教學(xué)帶來的諸多不便。實驗設(shè)備和實驗材料是進行實驗教學(xué)的重要基礎(chǔ)，現(xiàn)有儀器設(shè)備很大程度決定了可開展實驗的項目內(nèi)容。由于實驗設(shè)備更新緩慢，現(xiàn)有食品微生物學(xué)實驗的實驗項目多年來基本沒有進行調(diào)整，導(dǎo)致學(xué)生只能通過常規(guī)基礎(chǔ)實驗了解微生物實驗相關(guān)技術(shù)，部分實驗項目因教學(xué)成本高或涉及先進儀器設(shè)備而無法開設(shè)，學(xué)生沒有機會建立對這類實驗的感性認(rèn)識，這些因素很大程度限制了學(xué)生的思維方式，不利于培養(yǎng)學(xué)生對微生物實驗技術(shù)的興趣。

虛擬仿真實驗，則能夠突破實驗教學(xué)對客觀條件的依賴性，滿足實際課堂教學(xué)需要，使學(xué)生對那些真實實驗難以開展的實驗機理和實驗現(xiàn)象進行深入了解，使學(xué)生對抽象的實驗原理及過程產(chǎn)生形象、深刻的認(rèn)識，為一些前沿微生物學(xué)實驗技術(shù)走進本科生課堂提供了可能。與此同時，模擬虛擬實驗環(huán)境，將知識可視化呈現(xiàn)也有助于調(diào)動學(xué)生參與實驗實踐的積極性和主動性。

二、食品微生物實驗教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真教學(xué)的策略分析

就目前實施的情況看，虛擬仿真實驗教學(xué)項目在建設(shè)中也存在一些共性問題。比如，虛擬仿真教學(xué)的“內(nèi)容”與“骨架”分離，專業(yè)教師沒有與提供虛擬仿真技術(shù)的公司有效合作溝通;各高校間的虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享機制不健全等[2]。因此，如何在食品微生物實驗教學(xué)中科學(xué)合理的運用虛擬仿真技術(shù)，切實提高食品微生物實驗的課堂實訓(xùn)質(zhì)量，總結(jié)兄弟院校的實施經(jīng)驗，筆者認(rèn)為需要從以下幾方面調(diào)整應(yīng)用實施虛擬仿真教學(xué)的策略。

（一）合理選擇適合虛擬仿真實驗教學(xué)的內(nèi)容

虛擬仿真實驗教學(xué)的優(yōu)勢在于能夠突破實驗教學(xué)對客觀條件的依賴性，因而更適合選擇對實驗精度要求較高、實驗條件受限、無法開展或涉及生理機制、實驗原理較抽象、學(xué)生理解較困難的前沿微生物實驗項目。比如，食品微生物學(xué)中遺傳學(xué)部分章節(jié)涉及的基因突變、轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)化等專題實驗，對操作者的分子生物學(xué)技能和經(jīng)驗要求較高，實驗周期較長，很難在課堂教學(xué)有限的時間內(nèi)取得好的教學(xué)效果。因此，選擇這類實驗項目應(yīng)用虛擬仿真實驗教學(xué)手段，能夠有效避免實驗因各方面原因失敗而導(dǎo)致學(xué)生無法體驗實驗的完整環(huán)節(jié)，提高教學(xué)效率[3]。相反，對于普通光學(xué)顯微鏡的操作使用和微生物的顯微觀察這類周期短、可操作性強的實驗項目，則應(yīng)以傳統(tǒng)課堂教學(xué)操作演練為主，盲目在這類實驗項目中應(yīng)用虛擬仿真教學(xué)技術(shù)反而會使學(xué)生失去基本的實驗技能訓(xùn)練機會。此外，對于一些涉及基因工程或免疫學(xué)的教學(xué)內(nèi)容，例如單克隆抗體制備、酶聯(lián)免疫吸附等，內(nèi)容非常重要，但開設(shè)教學(xué)成本過高而且經(jīng)常使用一些毒性較大的實驗試劑對于本科教學(xué)來說存在一定的安全隱患，且無法保證每個學(xué)生都動手完成實驗，這些實驗項目則可以優(yōu)先考慮建設(shè)相應(yīng)的虛擬仿真教學(xué)資源。

（二）“虛”“實”結(jié)合、提高課堂實訓(xùn)的效率

建構(gòu)食品微生物學(xué)虛擬仿真實驗平臺并不意味著完全替代傳統(tǒng)的課堂實驗操作訓(xùn)練，而是為了提高課堂實驗操作訓(xùn)練的效率，使得課堂教學(xué)有的放矢，充分發(fā)揮教師在課堂中啟發(fā)、引導(dǎo)的作用。大連工業(yè)大學(xué)食品學(xué)院建立的“多媒體+虛擬仿真+課堂實訓(xùn)”多元模式的微生物實驗教學(xué)體系[4]，從時間和空間上拓展了“微生物學(xué)”課堂，學(xué)生在課前借助網(wǎng)絡(luò)和虛擬仿真資源充分預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容，課堂教學(xué)過程則針對大家容易出現(xiàn)的問題和不易理解的重點難點進行講解，將課堂時間解放出來，讓大家有更多的時間進行實驗的實際操作，拓展了學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和主觀能動性。吉林師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院在虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容建設(shè)過程中也認(rèn)為一定要堅持“能實不虛”的原則，一些簡單重復(fù)實驗?zāi)茉谡嶒炚n就能完成的則沒有必要虛擬化。

此外，將虛擬仿真實驗教學(xué)的內(nèi)容和傳統(tǒng)實驗教學(xué)的內(nèi)容有機結(jié)合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，也是提高課堂實訓(xùn)效率有效方式。比如，在微生物學(xué)實驗“食品中大腸菌群的測定” 的教學(xué)過程中，學(xué)生往往對如何通過代謝特征判定大腸菌群理解起來困難較大。究其原因，主要是這些實驗涉及的微生物代謝相關(guān)的理論知識很難貫穿融入到實驗教學(xué)中，造成了學(xué)生對這部分內(nèi)容的理解困難。建設(shè)微生物代謝途徑相關(guān)的虛擬仿真實驗教學(xué)資源，可以很好的補充傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足。利用軟件技術(shù)將大腸桿菌等不同類群的微生物對各類糖的代謝途徑設(shè)計成虛擬實驗項目，學(xué)生通過虛擬演練，能夠直觀深刻的理解微生物代謝多樣性，從而明白如何通過代謝特征判定大腸菌群的內(nèi)在原理。這種教學(xué)內(nèi)容上的“虛”“實”有機結(jié)合，能夠最大限度發(fā)揮兩種實驗教學(xué)模式的優(yōu)勢，從根本上提高食品微生物學(xué)實驗的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析、推理能力。

（三）充分利用已有虛擬仿真實驗平臺資源，差異化建設(shè)更新食品微生物學(xué)實驗虛擬仿真實驗項目

2018年6月，首批國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目認(rèn)定結(jié)果出爐，認(rèn)定105個虛擬仿真實驗教學(xué)項目為首批國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目，并要求相關(guān)高校要確保項目被認(rèn)定后逐步面向高校和社會免費開放并提供教學(xué)服務(wù)。首批國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目中與食品微生物學(xué)實驗相關(guān)的即有“啤酒工藝虛擬仿真實驗教學(xué)（廣西大學(xué)）”、“糖化酶催化啤酒發(fā)酵工藝虛擬仿真實驗（華東理工大學(xué)）”、“固態(tài)白酒發(fā)酵的工藝原理和生物學(xué)本質(zhì)探究虛擬仿真實驗（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)）”及“虛擬仿真基因工程方法制備ScFv抗體大實驗（浙江理工大學(xué)）”5個項目。由于時間和實驗條件限制，這類與發(fā)酵食品相關(guān)的大實驗，在常規(guī)微生物學(xué)實驗課內(nèi)很難完成，充分借助這些已建成的虛擬仿真實驗教學(xué)項目，能夠很好彌補現(xiàn)有食品微生物學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容陳舊的不足，極大的拓展學(xué)生的視野和學(xué)習(xí)積極性。此外，目前的一些成型虛擬仿真教學(xué)資源產(chǎn)品與本校的教學(xué)實際情況不符，通過簡單的花錢購買無法達(dá)到預(yù)期教學(xué)目標(biāo)。實驗教師應(yīng)根據(jù)食品微生物學(xué)實驗的特點，獨立設(shè)計虛擬仿真教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容，與軟件開發(fā)人員合作，訂制虛擬仿真教學(xué)資源，根據(jù)實驗要求，有針對性地訂制虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容。在建設(shè)食品微生物學(xué)實驗虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容的過程中，還可以根據(jù)地方院校的實際情況，選擇具有區(qū)域特色的實驗項目內(nèi)容，基于本地區(qū)優(yōu)勢和特色食品產(chǎn)業(yè)，逐步建設(shè)相關(guān)的虛擬實驗教學(xué)項目，從而避免與兄弟院校重復(fù)建設(shè)和資金浪費的現(xiàn)象，保證建成的虛擬仿真教學(xué)資源能夠真正服務(wù)于課堂實驗教學(xué)，提高實驗教學(xué)的質(zhì)量。

（四）探索建立與虛擬仿真教學(xué)相適應(yīng)的教學(xué)模式和考核方式

虛擬仿真教學(xué)本質(zhì)上是信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的產(chǎn)物，是實驗教學(xué)改革的手段之一。在實驗教學(xué)中引入虛擬仿真教學(xué)的同時，還應(yīng)思考建立與之相適應(yīng)的教學(xué)模式和考核方式。一些教學(xué)實踐研究表明[5]，在虛擬仿真實驗平臺的基礎(chǔ)上，運用“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)法進行實驗教學(xué)，對于提高實驗教學(xué)的質(zhì)量具有良好的促進效應(yīng)?！胺D(zhuǎn)課堂模型” （Model of Classroom Flipping），即在課下教師借助網(wǎng)絡(luò)化的課程管理工具進行在線教學(xué)并呈現(xiàn)學(xué)習(xí)材料，而在課上教師主要與學(xué)生開展互動，進行深入?yún)f(xié)作。對于食品微生物學(xué)實驗課，教師可以將實驗項目內(nèi)容、相關(guān)的虛擬仿真教學(xué)資源上傳至網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，方便學(xué)生在課下預(yù)習(xí)，實現(xiàn)讓學(xué)生不用進實驗室在電腦前即可熟悉實驗內(nèi)容，并提前進行模擬實驗操作;在課堂教學(xué)中則以學(xué)生自主實際操作為主，教師視學(xué)生的操作情況進行適時的指導(dǎo)，更好的幫助學(xué)生真正掌握這些基本實驗技能;課后借助網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的資源，學(xué)生還可多次復(fù)習(xí)相關(guān)知識，總結(jié)鞏固所學(xué)實驗的關(guān)鍵操作細(xì)節(jié)，拓展學(xué)生學(xué)習(xí)的時間和空間。

為了保證“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式下，虛擬教學(xué)資源得到充分的利用，保證良好的教學(xué)效果，教師在將虛擬教學(xué)資源整合如網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺時，應(yīng)當(dāng)設(shè)計相應(yīng)的考核環(huán)節(jié)[6]。比如，利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺對學(xué)生是否在課前學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的各類教學(xué)資源進行數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)計;在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，結(jié)合學(xué)生的實際操作情況考核學(xué)生課前預(yù)習(xí)的學(xué)習(xí)效果，或以學(xué)生為主體，在課堂教學(xué)中由學(xué)生分組介紹實驗操作過程的心得并進行評分;課后通過設(shè)計實驗操作相關(guān)的小測驗，進一步考核學(xué)生的掌握情況?？傊?，在食品微生物學(xué)實驗教學(xué)中引入虛擬仿真教學(xué)資源的同時，應(yīng)當(dāng)逐步探索建立與之相適應(yīng)的教學(xué)模式和考核方式，從而更好的保證教學(xué)改革的成效。

三、結(jié)束語

信息技術(shù)和人工智能的飛速發(fā)展，給食品微生物學(xué)實驗教學(xué)的改革帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。虛擬仿真教學(xué)在食品微生物學(xué)實驗教學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景，只要我們加強虛擬資源共享機制建設(shè)，充分利用虛擬仿真教學(xué)的優(yōu)勢，合理選擇適合自身教學(xué)實際的內(nèi)容建設(shè)虛擬仿真教學(xué)資源，不斷探索建立與虛擬仿真教學(xué)相適應(yīng)的教學(xué)模式和考核方式，食品微生物學(xué)實驗教學(xué)的質(zhì)量和效果將得到顯著的提升，學(xué)生的實踐和創(chuàng)新能力將得到更好培養(yǎng)。

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