浅谈微生物学实验平台建设及应用评价范文

摘要：随着信息技术的发展和普及，虚拟仿真实验技术被广泛应用于实验教学中，成为传统实验教学有效而重要的补充。文章从微生物学实验教学现状出发，以淮北师范大学微生物学虚拟仿真实验平台为例，阐述了平台建设方案、分析了其在微生物实验教学中的应用及优势，表明其能显著提高学生的创新能力和实践能力，在微生物学实验教学领域具有广阔的应用前景。

关键词：虚拟仿真技术；微生物学；实验教学

引言

微生物学作为生物学的重要领域，是基础生物学教学中必不可少的部分，而微生物学实验教学是微生物学教学的重要组成部分。微生物学实验是学生学习和训练微生物实验技术的最基本环节，其涉及到的微生物形态观察、无菌操作、接种与分离、菌种保藏等独特的实验技术和方法已经成为生物类学科的基本技术和手段，在生命科学研究中占据着突出的位置[1]。因此，微生物学的实验教学在锻炼学生实验操作技能，培养学生科研素养方面具有至关重要的作用。众所周知，传统微生物实验教学主要采取教师口头讲解实验原理和方法、学生动手操作，教师辅助指导的单一模式。这种模式以教为主，不利于学生理解、记忆和掌握；学生对讲解内容掌握程度不同，必然会导致实验过程中频繁的相互询问和向教师求教，影响课堂秩序；同时，受课时、教学资源限制，传统实验教学模式不利于教学内容的丰富与更新，更无法完成培养高水平创新人才的要求[2]。传统微生物实验教学已经百弊丛生，因此寻找一种既能够提高学生学习兴趣，又能节约时间、空间成本，更能有效提高学生创新能力和实践能力的教学模式迫在眉睫。计算机技术的迅猛发展使得我国教育模式在不断地革新，互联网、多媒体、大数据，虚拟仿真等越来越多的信息化技术被应用到实验教学中并发挥着前所未有的重要作用，信息化、现代化的教学模式已成为我国教育努力发展的方向[3~4]。虚拟仿真实验是指利用计算机系统，依托计算机软件和硬件，通过多种虚拟仿真技术，模拟真实的实验环境，让操作者能够在虚拟的环境中以接近真实的感受完成预定的实验项目[5]，它是虚拟仿真技术应用到实验教学的重要表现。虚拟仿真实验项目于1989年由WillameWolf教授首次提出，其宗旨是构建一种基于计算机网络的、集实验教学、学术研究、技术交流，协同工作为一体的共享平台[6]。随后，国内外众多的机构对虚拟仿真实验进行了尝试和探索，很多高校也组建了不同学科的虚拟仿真实验室以改革和创新人才培养模式，同时以虚拟仿真实验教学网站平台为载体，实现优质教学资源的共享。2013年国家教育部评选出了首批100个部级虚拟仿真实验教学中心[7]，到2015年部级虚拟仿真实验教学中心建设单位已增至300个，其中以南京农业大学农业生物学虚拟仿真实验中心为代表的生物类部级虚拟仿真实验教学中心有11个[8]。虚拟仿真实验教学已经越来越受到高校的重视，很多高校都在如火如荼的进行虚拟仿真实验教学中心的建设。本文以淮北师范大学生命科学学院生物学虚拟仿真实验教学中心建设和运行为例，重点介绍微生物学虚拟仿真实验教学平台的建设及其在微生物实验教学体系上进行的尝试和探索，并对其作用和意义进行评价。

1微生物学虚拟仿真实验教学平台的建设

淮北师范大学已初步建成生物学虚拟仿真实验教学中心（图1），其包括虚拟仿真实验教学信息管理平台和虚拟教学资源。管理平台和教学资源由我中心自主设计，委托软件公司开发。目前，生物学虚拟仿真实验教学中心包含植物学、动物学、微生物学、遗传学、生物化学、分子生物学六个虚拟仿真实验教学平台（图2）。其中学生端包括自主预习系统、标准化虚拟实验系统、综合设计虚拟实验系统、自主学习反馈系统，管理端包括教学资源管理系统、虚拟操作系统、考试管理系统等，涵盖了实验教学课件、教学资源库的下载，虚拟实验操作、实验报告提交、创新项目训练、师生互动、实验考试及成绩查询等功能。

1.1微生物虚拟实验模型的构建虚拟仿真实验模型是构建虚拟仿真实验的基础。将酒精灯、培养皿、接种环、实验台、药品柜，超净台等实验仪器，实验设施以虚拟的形式表现出来，并根据每个实验量身定做实验场景进行虚拟化的三维构建，在此基础上运用Flash、3DMax等动画制作软件将图片、视频、音频等融合，完成虚拟实验模型的构建，让操作者在接近真实的实验环境中完成预定的实验项目[5]。如细菌的革兰氏染色，其步骤繁琐，操作精细，传统的老师操作演示、学生观摩形式的教学，使学生往往不能完整的掌握操作的技能。通过虚拟仿真平台，学生可以多次观看标准化操作方法，并可以从选择工具到染色、观察实验结果一系列仿真操作中得到身临其境的体验和技能训练（图3）。

1.2实验教学资源的整合按照微生物实验大纲、教学目标及要求，将微生物学实验内容及其标准化操作方法（如微生物的形态观察和染色方法、纯种的分离和鉴定方法等）的讲义、三维图片、多媒体课件、教学视频和音频整合到虚拟仿真实验平台，学生可以课前进入平台对所要进行的实验操作、实施过程和环境进行初步的认识，为实验做好充分的预习，在真实的课堂中学生可以更加熟练地掌握规定内容，课下学生可以对实验内容进行反复的操作，对所学内容进行巩固和加深。除课程规定内容外，实验平台还整合了安全事故虚拟场景以提高学生的安全意识和处置安全事故的能力。

1.3综合性、设计性实验虚拟平台的构建微生物实验中有一些实验操作复杂、周期长，并且受场地、课时，师资以及设备的限制，往往需要小组内成员的分工合作，个人无法参与整个实验的所有流程。将这类综合性、设计性实验整合到虚拟仿真平台上，可以弥补场地、课时、师资以及设备条件的限制。例如通过虚拟仿真平台将土壤中淀粉酶产生菌的筛选实验用到的实验方案分解成独立的模块单元，学生通过虚拟仿真实验平台可以提前了解实验原理和基本方法，从实验设计到结果分析，参与整个实验的所有流程，充分锻炼学生严谨、科学的逻辑思维和创新能力，该仿真实验的流程如图4。另外，将大学生创新实验项目以及教师的科研项目设计整合到此模块中，学生可根据自己的兴趣，选择项目、收集资料，设计实验方案，并在虚拟平台上逐步完成虚拟实验。学生还可以通过平台与老师交流互动、完善实验设计，开展实体创新项目，参与教师的科研项目，从而培养学生的实践创新能力，激发学生学习兴趣。1.4学习效果反馈及师生交流系统的构建微生物虚拟仿真实验平台整合了大量的微生物学资源，极大地增加了学生微生物学信息的获取量。同时，虚拟仿真实验平台也搭建了学习效果反馈及师生交流系统，为教师及时了解学生学习效果提供了可能。通过学习效果反馈及师生交流系统，教师可以检查，追踪所带学生的平台点击率、学习时间，学习难点、虚拟实验结果等了解学生自主学习情况，并且可以实时在线为学生答疑解惑，实现了预习（虚拟平台讲义、课件、动画，标准化操作方法，虚拟实验操作）—真实实验操作（实验室）—复习（虚拟平台实验操作，结果反馈）无限循环式强化训练模式。

1.5考核体系的构建考核是教学过程必不可少的环节，发挥着指挥棒和标尺的作用。为配合虚拟仿真实验教学活动，充分发挥虚拟仿真实验平台的优势，需构建虚实互补、过程与结果并重的考核体系（表1）。微生物虚拟仿真实验平台中“虚拟”考核体系的具体组成包括实验预习板块、知识考核板块和操作考核板块。其中，预习板块主要是督促学生课前对实验原理、仪器设备原理、实验材料、操作技术、规范流程，注意事项等进行了解，预习结束会有随机试题对学生预习结果进行考核，学生可多次预习多次生成试卷，以得分最高一次为预习部分得分，占最终成绩的10%；知识考核板块主要是实验结束后学生理论知识的考核，包括客观题和主观题，通过仿真平台调取试卷，人机双工批改，该部分得分占总成绩的20%；“虚拟”操作考核部分主要是课程结束后组织学生通过仿真平台对实验技术操作进行考核，该部分得分占权重35%。虚实互补的考核体系中“实”主要是学生的平时成绩，在实验课教学过程中，教师通过对学生操作技术、实验态度、实验结果等方面的对学生作出评价，该部分分数占比35%。通过这种虚实互补的考核体系能够改变学生重理论轻实践、重结果轻过程的状况。

2微生物虚拟仿真实验平台应用评价

2.1实验分组选取我校2015级生物工程（1班）67名学生作为实验组，生物工（2）班69名学生作为对照组，两组学生在性别、年龄、课程进度方面无统计学差异（p＞0.05）。实验组采取虚拟仿真实验教学模式，对照组采用传统的实验教学模式，在课程刚结束、结束2周、结束4周对两组学生进行考核、比较、分析。

2.2实验组学生自我评价课程结束后对实验组学生67名学生采用调查问卷的方式，从学习兴趣、自主学习能力、创新能力、实践操作能力四个方面对学生自身实验水平提升的自我感知进行调查，调查结果显示大部分学生认为自己实验水平有提高（表2）。

2.3实验考试成绩评价在课程刚结束、结束2周、结束4周对实验组和对照组学生进行实验操作考核、比较。考核方式采用统一抽取实验项目，实验组同学进行网上操作考核，对照组同学进行实验室操作考核。实验操作考核评分细则包括仪器、药品、培养基的选择（10分），实验操作规范（根据具体抽取实验细分，共70分），根据实验现象得出结论（10分），实验后整理（包括清理操作台、仪器归位等共20分）。考核结束，根据学生各环节的表现合计分数，并通过SPSS软件分析以评价学生对实验的掌握程度，结果显示（表3），随着时间的推移，实验组学生的成绩显著高于对照组学生成绩，差异有统计学意义，说明虚拟仿真实验教学模式能够明显的加深学生对实验原理、实验方法的理解。

3结束语

研究表明，用不同的教学方式呈现同样的知识，其效果大不相同[9]。依托虚拟仿真、多媒体、人机交互、大数据和网络信息等技术构建虚拟仿真实验教学中心应用于实验教学具有传统教学模式无法比拟的优势：（1）虚拟仿真实验相较于传统实验更加经济、安全。虚拟仿真实验提高了实验的经济性，打破了时间、空间、资源等限制，提高了价格昂贵、精密仪器的开放范围和开放程度的同时，也提高了学生的参与度。虚拟仿真实验不仅可以直观地强化实验操作的规范性，而且在虚拟实验室完成有毒易爆等危险实验的学习与训练也规避了潜在的安全风险。（2）微生物实验的操作对象微观，对教与学都带来了困难，虚拟仿真实验平台融视频、音频和动画为一体，生动直观，有助于学生对微生物有一个直观和全面的认识。同时，虚拟仿真实验的操作形象直观，与真实实验操作高度相似，有利于学生充分理解和掌握实验操作。（3）传统实验教学受教师、仪器等资源的限制，往往需要对学生进行分组，且理论教学与实验教学不能同步，导致教师需花费大量时间进行理论知识的讲解，从而大大缩短了学生动手操作的时间。虚拟仿真实验教学中心为学生提供了理论知识复习和操作预习的平台，学生在实验课前通过虚拟仿真平台强化了理论知识和实验操作，从而使学生在课堂中能够高效地体验真实实验，并加深对理论知识的理解。（4）随着高校扩招，学生基数迅速增多，也造成实验小组人数偏多，学生动手参与操作的机会偏少。在虚拟仿真实验中，学生可以参与体验实验的所有环节，甚至可以对操作进行反复的练习，使学生更能深入理解和掌握实验操作。（5）创新决胜未来，培养学生的创新能力关乎国家命运。传统的实验教学受多种资源的限制，不足以培养学生的实践创新能力。虚拟仿真实验教学中心提供了综合性及设计性实验模拟平台，并将大学生创新实验项目以及教师的科研项目设计整合到此模块中，学生可根据自己的兴趣，选择项目、收集资料，设计实验方案，并在虚拟平台上逐步完成虚拟实验，既锻炼了学生发现问题和解决问题的能力，又培养了学生严谨的科学思维，提高了学生的创新能力。（6）虚拟仿真实验中心包括实验教学系统、数据统计系统、考试、成绩记录系统等，教师在系统中可以对学生学习情况进行追踪，对学生的预习、操作、实验结果及报告、考试情况进行评分，同时也可以通过短信和邮件进行答疑解惑，加强了师生间互动，使得实验教学评价模式更加完善，同时也提升了师生的满意度。综上所述，虚拟仿真实验开创了实验教学的新模式，是实现教学资源共享和优化配置的重要方式，是高等院校现代化建设的必然趋势，是提高实验教学质量的有效途径。淮北师范大学微生物学虚拟仿真实验教学平台的构建提升了学生的学习兴趣，提高了实验教学效果，为培养实践型、创新型人才提供了平台。在未来的建设中，还应进一步加强虚拟仿真技术与教学的深度融合，虚实互补，坚持高标准、求一流的发展目标，大力开展微生物学虚拟仿真实验教学资源的建设。

参考文献

[1]王思宇,徐建国,张丽红,等.微生物学虚拟仿真实验教学模式初构[J].高教学刊,2018,22:104~106.

[2]刘俐,刘平安,李玲,等.虚拟仿真实验技术在医学微生物学实验教学中的应用研究[J].中国中医药现代远程教育,2017,15（6）:1~2.

[3]郭晨明,付明刚,郭丽英.视频教学在外科学临床教学中的应用[J].继续医学教育,2014,28（5）:49~50.

[4]张碧鱼,何素敏,陈笑霞,等.虚拟仿真实验在生物学本科教学中的开发应用[J].实验室科学,2017,20（1）:128~130.

[5]李春艳,易烨.虚拟仿真实验室的建设与实验教学的改革[J].中国管理信息化,2014,17（24）:114~115.

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[8]王甜,王茂林,林宏辉.生物类虚拟仿真实验教学中心建设中的问题与对策[J].实验室研究与探索,2017,36（3）:153~156.

[9]彭菲.多媒体让语文课堂声情并茂[J].新课程（中学）,2015,（5）:196~196.

作者：张辉 余婷 王光利 李峰 单位：淮北师范大学