在食品微生物实验教学中应用虚拟仿真教学的策略分析

关波 胡有贞 张艳 倪永清 周红

摘  要：虚拟仿真实验教学是我国高等教育方式改革的方向之一，已在很多专业的实验教学中取得了一定的成果。在新工科教育背景下，借助虚拟仿真实验教学助力食品微生物实验教学的改革，提高食品微生物学实验的教学质量，需要结合食品科学学科的专业特点和学生的知识结构，更新优化食品微生物学实验的虚拟仿真教学内容、探索建立与虚拟仿真教学相适应的教学和考核方式，从而更好地服务于培养实践能力强、具有创新精神的食品科学专业人才。

关键词：虚拟仿真;实验教学;食品微生物学;教学模式;教学改革

中图分类号：G642        文献标志码：A         文章编号：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

食品微生物学实验是针对食品科学与工程和食品质量与安全专业大二学生开设的专业基础课，主要配合食品微生物学理论课程介绍微生物学相关的實验技术，使学生具备基本的微生物学操作技能以及微生物的分析和检测能力。微生物学理论课程内容与实验结合紧密，不经历规范的实验教学环节，许多知识点对本科生而言是抽象的，难以在短期内较好的消化掌握。因此，食品微生物学实验是加深学生对理论课程知识理解，培养学生综合分析能力，激发学生创新意识，提高学生动手操作能力的重要教学环节。实验教学环节有助于学生深入、全面的了解微生物的基本特性，并熟悉其在食品科学与工程、食品安全与检测中的应用现状。在当前新工科教育背景下，工科学生的实验实践能力培养显得更为重要。然而，传统基础实验课教学通常是先由实验教师课堂讲授知识并示范实验过程及提及注意点，然后学生开始进行实验操作，最后回去整理实验数据并完成实验报告。由于实验内容更新缓慢，教学方式单调，传统实验教学的方式很难调动学生的积极性，学生对实验内容提不起兴趣，很难满足培养学生实践和创新能力的教学需求。

虚拟仿真实验是指借助于多媒体技术和虚拟现实等技术，在计算机和网络上搭建的可辅助甚至替代传统实体实验操作环节的相关软硬件操作环境。借助虚拟仿真技术，虚拟仿真实验教学可以将视、听、触等多种感知的虚拟实验环境融入实验教学，使学生产生身临其境的感觉[1]。更重要的是，这种不依赖实验教学场地和实验条件的教学模式，有利于实现稀缺实验资源的充分共享，拓展实验教学内容的广度和深度，延伸实验教学的空间和时间。此外，与传统教学模式下以教师为主体，由教师完成知识的讲授和传递过程，而学生在学习过程中处于被动接受状态不同，虚拟实验教学模式下主要以学生为主体，能够更好激发学生的学习兴趣，提升实验教学质量。作为一种新兴教学工具，虚拟仿真实验教学对于高校传统实验教学模式极具挑战意义。

近年来，面对教育信息化的国际形势，教育部连续印发《2017年教育信息化工作要点》和《关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》两个文件，鼓励开展虚拟仿真实验共享平台建设，可见教育部对于在高校专业实践教学中开展虚拟仿真教学的重视。为了充分调研虚拟仿真实验教学在食品微生物实验教学中应用的可行性和必要性，结合食品学院食品科学与工程和食品质量与安全两个工科专业学生的知识结构特点，找出虚拟仿真教学模式在目前的教学实施过程中存在的问题，为科学的、针对性的改进食品微生物实验教学模式提供依据，本文对虚拟仿真实验教学在国内兄弟院校食品微生物实验教学中的应用现状进行了调研分析，并对如何在食品微生物实验教学中合理利用虚拟仿真技术的策略进行了归纳总结。

一、开展虚拟仿真实验教学的必要性

传统实验教学模式受到时间、空间的限制。以笔者所在学校为例，食品微生物学实验每学期授课人数约180 人，然而现有实验室仅能提供30-34人的空间同时开展实验操作，实验过程常常人员拥挤嘈杂，客观条件不利于学生建立良好的无菌操作观念。对于一些综合性大实验，多个班级轮流使用实验室也给实验教学带来的诸多不便。实验设备和实验材料是进行实验教学的重要基础，现有仪器设备很大程度决定了可开展实验的项目内容。由于实验设备更新缓慢，现有食品微生物学实验的实验项目多年来基本没有进行调整，导致学生只能通过常规基础实验了解微生物实验相关技术，部分实验项目因教学成本高或涉及先进仪器设备而无法开设，学生没有机会建立对这类实验的感性认识，这些因素很大程度限制了学生的思维方式，不利于培养学生对微生物实验技术的兴趣。

虚拟仿真实验，则能够突破实验教学对客观条件的依赖性，满足实际课堂教学需要，使学生对那些真实实验难以开展的实验机理和实验现象进行深入了解，使学生对抽象的实验原理及过程产生形象、深刻的认识，为一些前沿微生物学实验技术走进本科生课堂提供了可能。与此同时，模拟虚拟实验环境，将知识可视化呈现也有助于调动学生参与实验实践的积极性和主动性。

二、食品微生物实验教学中应用虚拟仿真教学的策略分析

就目前实施的情况看，虚拟仿真实验教学项目在建设中也存在一些共性问题。比如，虚拟仿真教学的“内容”与“骨架”分离，专业教师没有与提供虚拟仿真技术的公司有效合作沟通;各高校间的虚拟仿真实验教学项目共享机制不健全等[2]。因此，如何在食品微生物实验教学中科学合理的运用虚拟仿真技术，切实提高食品微生物实验的课堂实训质量，总结兄弟院校的实施经验，笔者认为需要从以下几方面调整应用实施虚拟仿真教学的策略。

（一）合理选择适合虚拟仿真实验教学的内容

虚拟仿真实验教学的优势在于能够突破实验教学对客观条件的依赖性，因而更适合选择对实验精度要求较高、实验条件受限、无法开展或涉及生理机制、实验原理较抽象、学生理解较困难的前沿微生物实验项目。比如，食品微生物学中遗传学部分章节涉及的基因突变、转导和转化等专题实验，对操作者的分子生物学技能和经验要求较高，实验周期较长，很难在课堂教学有限的时间内取得好的教学效果。因此，选择这类实验项目应用虚拟仿真实验教学手段，能够有效避免实验因各方面原因失败而导致学生无法体验实验的完整环节，提高教学效率[3]。相反，对于普通光学显微镜的操作使用和微生物的显微观察这类周期短、可操作性强的实验项目，则应以传统课堂教学操作演练为主，盲目在这类实验项目中应用虚拟仿真教学技术反而会使学生失去基本的实验技能训练机会。此外，对于一些涉及基因工程或免疫学的教学内容，例如单克隆抗体制备、酶联免疫吸附等，内容非常重要，但开设教学成本过高而且经常使用一些毒性较大的实验试剂对于本科教学来说存在一定的安全隐患，且无法保证每个学生都动手完成实验，这些实验项目则可以优先考虑建设相应的虚拟仿真教学资源。

（二）“虚”“实”结合、提高课堂实训的效率

建构食品微生物学虚拟仿真实验平台并不意味着完全替代传统的课堂实验操作训练，而是为了提高课堂实验操作训练的效率，使得课堂教学有的放矢，充分发挥教师在课堂中启发、引导的作用。大连工业大学食品学院建立的“多媒体+虚拟仿真+课堂实训”多元模式的微生物实验教学体系[4]，从时间和空间上拓展了“微生物学”课堂，学生在课前借助网络和虚拟仿真资源充分预习实验内容，课堂教学过程则针对大家容易出现的问题和不易理解的重点难点进行讲解，将课堂时间解放出来，让大家有更多的时间进行实验的实际操作，拓展了学生的学术视野，提高了学生的学习效率和主观能动性。吉林师范大学生命科学学院在虚拟仿真教学内容建设过程中也认为一定要坚持“能实不虚”的原则，一些简单重复实验能在正常实验课就能完成的则没有必要虚拟化。

此外，将虚拟仿真实验教学的内容和传统实验教学的内容有机结合，充分发挥各自的优势，也是提高课堂实训效率有效方式。比如，在微生物学实验“食品中大肠菌群的测定” 的教学过程中，学生往往对如何通过代谢特征判定大肠菌群理解起来困难较大。究其原因，主要是这些实验涉及的微生物代谢相关的理论知识很难贯穿融入到实验教学中，造成了学生对这部分内容的理解困难。建设微生物代谢途径相关的虚拟仿真实验教学资源，可以很好的补充传统实验教学的不足。利用软件技术将大肠杆菌等不同类群的微生物对各类糖的代谢途径设计成虚拟实验项目，学生通过虚拟演练，能够直观深刻的理解微生物代谢多样性，从而明白如何通过代谢特征判定大肠菌群的内在原理。这种教学内容上的“虚”“实”有机结合，能够最大限度发挥两种实验教学模式的优势，从根本上提高食品微生物学实验的教學质量，培养学生的综合分析、推理能力。

（三）充分利用已有虚拟仿真实验平台资源，差异化建设更新食品微生物学实验虚拟仿真实验项目

2018年6月，首批国家虚拟仿真实验教学项目认定结果出炉，认定105个虚拟仿真实验教学项目为首批国家虚拟仿真实验教学项目，并要求相关高校要确保项目被认定后逐步面向高校和社会免费开放并提供教学服务。首批国家虚拟仿真实验教学项目中与食品微生物学实验相关的即有“啤酒工艺虚拟仿真实验教学（广西大学）”、“糖化酶催化啤酒发酵工艺虚拟仿真实验（华东理工大学）”、“固态白酒发酵的工艺原理和生物学本质探究虚拟仿真实验（华中农业大学）”及“虚拟仿真基因工程方法制备ScFv抗体大实验（浙江理工大学）”5个项目。由于时间和实验条件限制，这类与发酵食品相关的大实验，在常规微生物学实验课内很难完成，充分借助这些已建成的虚拟仿真实验教学项目，能够很好弥补现有食品微生物学实验教学内容陈旧的不足，极大的拓展学生的视野和学习积极性。此外，目前的一些成型虚拟仿真教学资源产品与本校的教学实际情况不符，通过简单的花钱购买无法达到预期教学目标。实验教师应根据食品微生物学实验的特点，独立设计虚拟仿真教学目标、内容，与软件开发人员合作，订制虚拟仿真教学资源，根据实验要求，有针对性地订制虚拟仿真教学内容。在建设食品微生物学实验虚拟仿真教学内容的过程中，还可以根据地方院校的实际情况，选择具有区域特色的实验项目内容，基于本地区优势和特色食品产业，逐步建设相关的虚拟实验教学项目，从而避免与兄弟院校重复建设和资金浪费的现象，保证建成的虚拟仿真教学资源能够真正服务于课堂实验教学，提高实验教学的质量。

（四）探索建立与虚拟仿真教学相适应的教学模式和考核方式

虚拟仿真教学本质上是信息技术与教育教学深度融合的产物，是实验教学改革的手段之一。在实验教学中引入虚拟仿真教学的同时，还应思考建立与之相适应的教学模式和考核方式。一些教学实践研究表明[5]，在虚拟仿真实验平台的基础上，运用“翻转课堂”教学法进行实验教学，对于提高实验教学的质量具有良好的促进效应。“翻转课堂模型” （Model of Classroom Flipping），即在课下教师借助网络化的课程管理工具进行在线教学并呈现学习材料，而在课上教师主要与学生开展互动，进行深入协作。对于食品微生物学实验课，教师可以将实验项目内容、相关的虚拟仿真教学资源上传至网络教学平台，方便学生在课下预习，实现让学生不用进实验室在电脑前即可熟悉实验内容，并提前进行模拟实验操作;在课堂教学中则以学生自主实际操作为主，教师视学生的操作情况进行适时的指导，更好的帮助学生真正掌握这些基本实验技能;课后借助网络教学平台的资源，学生还可多次复习相关知识，总结巩固所学实验的关键操作细节，拓展学生学习的时间和空间。

为了保证“翻转课堂”教学模式下，虚拟教学资源得到充分的利用，保证良好的教学效果，教师在将虚拟教学资源整合如网络教学平台时，应当设计相应的考核环节[6]。比如，利用網络教学平台对学生是否在课前学习网络教学平台的各类教学资源进行数据采集和统计;在课堂教学环节，结合学生的实际操作情况考核学生课前预习的学习效果，或以学生为主体，在课堂教学中由学生分组介绍实验操作过程的心得并进行评分;课后通过设计实验操作相关的小测验，进一步考核学生的掌握情况。总之，在食品微生物学实验教学中引入虚拟仿真教学资源的同时，应当逐步探索建立与之相适应的教学模式和考核方式，从而更好的保证教学改革的成效。

三、结束语

信息技术和人工智能的飞速发展，给食品微生物学实验教学的改革带来了新的机遇和挑战。虚拟仿真教学在食品微生物学实验教学中具有广阔的应用前景，只要我们加强虚拟资源共享机制建设，充分利用虚拟仿真教学的优势，合理选择适合自身教学实际的内容建设虚拟仿真教学资源，不断探索建立与虚拟仿真教学相适应的教学模式和考核方式，食品微生物学实验教学的质量和效果将得到显著的提升，学生的实践和创新能力将得到更好培养。

参考文献：

[1]常雅宁，彭钰珂，魏东芝，等.虚拟仿真技术在酶工程实验教学上的应用[J].实验室研究与探索，2019，38（02）：237-239+244.

[2]李磊.虚拟仿真实验教学的必要性、存在问题及其可持续发展机制[J].湖北开放职业学院学报，2019，32（07）：151-153.

[3]金太成，杨丽萍，赵永斌.虚拟仿真实验平台在生物技术专业本科实践教学中的应用[J].长春师范大学学报，2019，38（02）：139-140.

[4]林心萍，林松毅，董秀萍，等.微生物学实验虚拟仿真教学模式的探索与实践[J].科学大众（科学教育），2019（05）：162.

[5]贾强，杨锐，刘小粉，等.虚拟仿真实验平台结合翻转课堂在机能实验教学中的应用[J].基础医学教育，2019，21（04）：321-324.

[6]钱猛，崔瑾，成丹，等.南京农业大学微生物学虚拟仿真实验教学模式的探索[J].微生物学通报，2016，43（04）：861-866.