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摘要：隨著信息技術的發(fā)展和普及，虛擬仿真實驗技術被廣泛應用于實驗教學中，成為傳統(tǒng)實驗教學有效而重要的補充。文章從微生物學實驗教學現狀出發(fā)，以淮北師范大學微生物學虛擬仿真實驗平臺為例，闡述了平臺建設方案、分析了其在微生物實驗教學中的應用及優(yōu)勢，表明其能顯著提高學生的創(chuàng)新能力和實踐能力，在微生物學實驗教學領域具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：虛擬仿真技術；微生物學；實驗教學

引言

微生物學作為生物學的重要領域，是基礎生物學教學中必不可少的部分，而微生物學實驗教學是微生物學教學的重要組成部分。微生物學實驗是學生學習和訓練微生物實驗技術的最基本環(huán)節(jié)，其涉及到的微生物形態(tài)觀察、無菌操作、接種與分離、菌種保藏等獨特的實驗技術和方法已經成為生物類學科的基本技術和手段，在生命科學研究中占據著突出的位置[1]。因此，微生物學的實驗教學在鍛煉學生實驗操作技能，培養(yǎng)學生科研素養(yǎng)方面具有至關重要的作用。眾所周知，傳統(tǒng)微生物實驗教學主要采取教師口頭講解實驗原理和方法、學生動手操作，教師輔助指導的單一模式。這種模式以教為主，不利于學生理解、記憶和掌握；學生對講解內容掌握程度不同，必然會導致實驗過程中頻繁的相互詢問和向教師求教，影響課堂秩序；同時，受課時、教學資源限制，傳統(tǒng)實驗教學模式不利于教學內容的豐富與更新，更無法完成培養(yǎng)高水平創(chuàng)新人才的要求[2]。傳統(tǒng)微生物實驗教學已經百弊叢生，因此尋找一種既能夠提高學生學習興趣，又能節(jié)約時間、空間成本，更能有效提高學生創(chuàng)新能力和實踐能力的教學模式迫在眉睫。計算機技術的迅猛發(fā)展使得我國教育模式在不斷地革新，互聯(lián)網、多媒體、大數據，虛擬仿真等越來越多的信息化技術被應用到實驗教學中并發(fā)揮著前所未有的重要作用，信息化、現代化的教學模式已成為我國教育努力發(fā)展的方向[3~4]。虛擬仿真實驗是指利用計算機系統(tǒng)，依托計算機軟件和硬件，通過多種虛擬仿真技術，模擬真實的實驗環(huán)境，讓操作者能夠在虛擬的環(huán)境中以接近真實的感受完成預定的實驗項目[5]，它是虛擬仿真技術應用到實驗教學的重要表現。虛擬仿真實驗項目于1989年由WillameWolf教授首次提出，其宗旨是構建一種基于計算機網絡的、集實驗教學、學術研究、技術交流，協(xié)同工作為一體的共享平臺[6]。隨后，國內外眾多的機構對虛擬仿真實驗進行了嘗試和探索，很多高校也組建了不同學科的虛擬仿真實驗室以改革和創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，同時以虛擬仿真實驗教學網站平臺為載體，實現優(yōu)質教學資源的共享。2013年國家教育部評選出了首批100個國家級虛擬仿真實驗教學中心[7]，到2015年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設單位已增至300個，其中以南京農業(yè)大學農業(yè)生物學虛擬仿真實驗中心為代表的生物類國家級虛擬仿真實驗教學中心有11個[8]。虛擬仿真實驗教學已經越來越受到高校的重視，很多高校都在如火如荼的進行虛擬仿真實驗教學中心的建設。本文以淮北師范大學生命科學學院生物學虛擬仿真實驗教學中心建設和運行為例，重點介紹微生物學虛擬仿真實驗教學平臺的建設及其在微生物實驗教學體系上進行的嘗試和探索，并對其作用和意義進行評價。

1微生物學虛擬仿真實驗教學平臺的建設

淮北師范大學已初步建成生物學虛擬仿真實驗教學中心（圖1），其包括虛擬仿真實驗教學信息管理平臺和虛擬教學資源。管理平臺和教學資源由我中心自主設計，委托軟件公司開發(fā)。目前，生物學虛擬仿真實驗教學中心包含植物學、動物學、微生物學、遺傳學、生物化學、分子生物學六個虛擬仿真實驗教學平臺（圖2）。其中學生端包括自主預習系統(tǒng)、標準化虛擬實驗系統(tǒng)、綜合設計虛擬實驗系統(tǒng)、自主學習反饋系統(tǒng)，管理端包括教學資源管理系統(tǒng)、虛擬操作系統(tǒng)、考試管理系統(tǒng)等，涵蓋了實驗教學課件、教學資源庫的下載，虛擬實驗操作、實驗報告提交、創(chuàng)新項目訓練、師生互動、實驗考試及成績查詢等功能。

1.1微生物虛擬實驗模型的構建虛擬仿真實驗模型是構建虛擬仿真實驗的基礎。將酒精燈、培養(yǎng)皿、接種環(huán)、實驗臺、藥品柜，超凈臺等實驗儀器，實驗設施以虛擬的形式表現出來，并根據每個實驗量身定做實驗場景進行虛擬化的三維構建，在此基礎上運用Flash、3DMax等動畫制作軟件將圖片、視頻、音頻等融合，完成虛擬實驗模型的構建，讓操作者在接近真實的實驗環(huán)境中完成預定的實驗項目[5]。如細菌的革蘭氏染色，其步驟繁瑣，操作精細，傳統(tǒng)的老師操作演示、學生觀摩形式的教學，使學生往往不能完整的掌握操作的技能。通過虛擬仿真平臺，學生可以多次觀看標準化操作方法，并可以從選擇工具到染色、觀察實驗結果一系列仿真操作中得到身臨其境的體驗和技能訓練（圖3）。

1.2實驗教學資源的整合按照微生物實驗大綱、教學目標及要求，將微生物學實驗內容及其標準化操作方法（如微生物的形態(tài)觀察和染色方法、純種的分離和鑒定方法等）的講義、三維圖片、多媒體課件、教學視頻和音頻整合到虛擬仿真實驗平臺，學生可以課前進入平臺對所要進行的實驗操作、實施過程和環(huán)境進行初步的認識，為實驗做好充分的預習，在真實的課堂中學生可以更加熟練地掌握規(guī)定內容，課下學生可以對實驗內容進行反復的操作，對所學內容進行鞏固和加深。除課程規(guī)定內容外，實驗平臺還整合了安全事故虛擬場景以提高學生的安全意識和處置安全事故的能力。

1.3綜合性、設計性實驗虛擬平臺的構建微生物實驗中有一些實驗操作復雜、周期長，并且受場地、課時，師資以及設備的限制，往往需要小組內成員的分工合作，個人無法參與整個實驗的所有流程。將這類綜合性、設計性實驗整合到虛擬仿真平臺上，可以彌補場地、課時、師資以及設備條件的限制。例如通過虛擬仿真平臺將土壤中淀粉酶產生菌的篩選實驗用到的實驗方案分解成獨立的模塊單元，學生通過虛擬仿真實驗平臺可以提前了解實驗原理和基本方法，從實驗設計到結果分析，參與整個實驗的所有流程，充分鍛煉學生嚴謹、科學的邏輯思維和創(chuàng)新能力，該仿真實驗的流程如圖4。另外，將大學生創(chuàng)新實驗項目以及教師的科研項目設計整合到此模塊中，學生可根據自己的興趣，選擇項目、收集資料，設計實驗方案，并在虛擬平臺上逐步完成虛擬實驗。學生還可以通過平臺與老師交流互動、完善實驗設計，開展實體創(chuàng)新項目，參與教師的科研項目，從而培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力，激發(fā)學生學習興趣。1.4學習效果反饋及師生交流系統(tǒng)的構建微生物虛擬仿真實驗平臺整合了大量的微生物學資源，極大地增加了學生微生物學信息的獲取量。同時，虛擬仿真實驗平臺也搭建了學習效果反饋及師生交流系統(tǒng)，為教師及時了解學生學習效果提供了可能。通過學習效果反饋及師生交流系統(tǒng)，教師可以檢查，追蹤所帶學生的平臺點擊率、學習時間，學習難點、虛擬實驗結果等了解學生自主學習情況，并且可以實時在線為學生答疑解惑，實現了預習（虛擬平臺講義、課件、動畫，標準化操作方法，虛擬實驗操作）—真實實驗操作（實驗室）—復習（虛擬平臺實驗操作，結果反饋）無限循環(huán)式強化訓練模式。

1.5考核體系的構建考核是教學過程必不可少的環(huán)節(jié)，發(fā)揮著指揮棒和標尺的作用。為配合虛擬仿真實驗教學活動，充分發(fā)揮虛擬仿真實驗平臺的優(yōu)勢，需構建虛實互補、過程與結果并重的考核體系（表1）。微生物虛擬仿真實驗平臺中“虛擬”考核體系的具體組成包括實驗預習板塊、知識考核板塊和操作考核板塊。其中，預習板塊主要是督促學生課前對實驗原理、儀器設備原理、實驗材料、操作技術、規(guī)范流程，注意事項等進行了解，預習結束會有隨機試題對學生預習結果進行考核，學生可多次預習多次生成試卷，以得分最高一次為預習部分得分，占最終成績的10%；知識考核板塊主要是實驗結束后學生理論知識的考核，包括客觀題和主觀題，通過仿真平臺調取試卷，人機雙工批改，該部分得分占總成績的20%；“虛擬”操作考核部分主要是課程結束后組織學生通過仿真平臺對實驗技術操作進行考核，該部分得分占權重35%。虛實互補的考核體系中“實”主要是學生的平時成績，在實驗課教學過程中，教師通過對學生操作技術、實驗態(tài)度、實驗結果等方面的對學生作出評價，該部分分數占比35%。通過這種虛實互補的考核體系能夠改變學生重理論輕實踐、重結果輕過程的狀況。

2微生物虛擬仿真實驗平臺應用評價

2.1實驗分組選取我校2015級生物工程（1班）67名學生作為實驗組，生物工（2）班69名學生作為對照組，兩組學生在性別、年齡、課程進度方面無統(tǒng)計學差異（p＞0.05）。實驗組采取虛擬仿真實驗教學模式，對照組采用傳統(tǒng)的實驗教學模式，在課程剛結束、結束2周、結束4周對兩組學生進行考核、比較、分析。

2.2實驗組學生自我評價課程結束后對實驗組學生67名學生采用調查問卷的方式，從學習興趣、自主學習能力、創(chuàng)新能力、實踐操作能力四個方面對學生自身實驗水平提升的自我感知進行調查，調查結果顯示大部分學生認為自己實驗水平有提高（表2）。

2.3實驗考試成績評價在課程剛結束、結束2周、結束4周對實驗組和對照組學生進行實驗操作考核、比較。考核方式采用統(tǒng)一抽取實驗項目，實驗組同學進行網上操作考核，對照組同學進行實驗室操作考核。實驗操作考核評分細則包括儀器、藥品、培養(yǎng)基的選擇（10分），實驗操作規(guī)范（根據具體抽取實驗細分，共70分），根據實驗現象得出結論（10分），實驗后整理（包括清理操作臺、儀器歸位等共20分）。考核結束，根據學生各環(huán)節(jié)的表現合計分數，并通過SPSS軟件分析以評價學生對實驗的掌握程度，結果顯示（表3），隨著時間的推移，實驗組學生的成績顯著高于對照組學生成績，差異有統(tǒng)計學意義，說明虛擬仿真實驗教學模式能夠明顯的加深學生對實驗原理、實驗方法的理解。

3結束語

研究表明，用不同的教學方式呈現同樣的知識，其效果大不相同[9]。依托虛擬仿真、多媒體、人機交互、大數據和網絡信息等技術構建虛擬仿真實驗教學中心應用于實驗教學具有傳統(tǒng)教學模式無法比擬的優(yōu)勢：（1）虛擬仿真實驗相較于傳統(tǒng)實驗更加經濟、安全。虛擬仿真實驗提高了實驗的經濟性，打破了時間、空間、資源等限制，提高了價格昂貴、精密儀器的開放范圍和開放程度的同時，也提高了學生的參與度。虛擬仿真實驗不僅可以直觀地強化實驗操作的規(guī)范性，而且在虛擬實驗室完成有毒易爆等危險實驗的學習與訓練也規(guī)避了潛在的安全風險。（2）微生物實驗的操作對象微觀，對教與學都帶來了困難，虛擬仿真實驗平臺融視頻、音頻和動畫為一體，生動直觀，有助于學生對微生物有一個直觀和全面的認識。同時，虛擬仿真實驗的操作形象直觀，與真實實驗操作高度相似，有利于學生充分理解和掌握實驗操作。（3）傳統(tǒng)實驗教學受教師、儀器等資源的限制，往往需要對學生進行分組，且理論教學與實驗教學不能同步，導致教師需花費大量時間進行理論知識的講解，從而大大縮短了學生動手操作的時間。虛擬仿真實驗教學中心為學生提供了理論知識復習和操作預習的平臺，學生在實驗課前通過虛擬仿真平臺強化了理論知識和實驗操作，從而使學生在課堂中能夠高效地體驗真實實驗，并加深對理論知識的理解。（4）隨著高校擴招，學生基數迅速增多，也造成實驗小組人數偏多，學生動手參與操作的機會偏少。在虛擬仿真實驗中，學生可以參與體驗實驗的所有環(huán)節(jié)，甚至可以對操作進行反復的練習，使學生更能深入理解和掌握實驗操作。（5）創(chuàng)新決勝未來，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力關乎國家命運。傳統(tǒng)的實驗教學受多種資源的限制，不足以培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力。虛擬仿真實驗教學中心提供了綜合性及設計性實驗模擬平臺，并將大學生創(chuàng)新實驗項目以及教師的科研項目設計整合到此模塊中，學生可根據自己的興趣，選擇項目、收集資料，設計實驗方案，并在虛擬平臺上逐步完成虛擬實驗，既鍛煉了學生發(fā)現問題和解決問題的能力，又培養(yǎng)了學生嚴謹的科學思維，提高了學生的創(chuàng)新能力。（6）虛擬仿真實驗中心包括實驗教學系統(tǒng)、數據統(tǒng)計系統(tǒng)、考試、成績記錄系統(tǒng)等，教師在系統(tǒng)中可以對學生學習情況進行追蹤，對學生的預習、操作、實驗結果及報告、考試情況進行評分，同時也可以通過短信和郵件進行答疑解惑，加強了師生間互動，使得實驗教學評價模式更加完善，同時也提升了師生的滿意度。綜上所述，虛擬仿真實驗開創(chuàng)了實驗教學的新模式，是實現教學資源共享和優(yōu)化配置的重要方式，是高等院校現代化建設的必然趨勢，是提高實驗教學質量的有效途徑。淮北師范大學微生物學虛擬仿真實驗教學平臺的構建提升了學生的學習興趣，提高了實驗教學效果，為培養(yǎng)實踐型、創(chuàng)新型人才提供了平臺。在未來的建設中，還應進一步加強虛擬仿真技術與教學的深度融合，虛實互補，堅持高標準、求一流的發(fā)展目標，大力開展微生物學虛擬仿真實驗教學資源的建設。

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作者：張輝 余婷 王光利 李峰 單位：淮北師范大學