虚拟仿真技术在微生物学实验教学中的应用探索

李文颖　闵璐　邱鑫源　刘传扬

摘要：微生物学实验教学作为生物相关专业的基础必修课程，对课程内容的系统性和实验操作的精确度都有较高的要求。传统微生物学实验教学存在教学手段形式单一，教学内容完整性欠缺等方面的问题。将虚拟仿真技术引入到微生物学实验教学过程中，能够有效的对教学手段、教学内容起到重要的补充和完善作用。

关键词：微生物学实验;虚拟仿真技术

微生物学实验是生物相关专业本科生的学科基础必修课程之一。该课程的主要任务是使学生掌握研究与应用微生物的主要方法与技术，包括经典的、常规的、以及现代的方法与技术，使学生具有从事相关学科的基础理论研究与实际生产应用的微生物学实验技能。

1.传统微生物实验教学存在的问题

1.1教学手段形式较单一，影响教学效果

传统的微生物学实验课程多采用讲授加演示型教学模式。教员首先对实驗的原理和操作步骤进行讲解，并在讲解的过程中通过简单的演示向学员进行操作示范，提示注意事项。学员通过模仿开展实验，进而掌握操作技术。这种教学模式下，取得较好的教学效果的关键在于学员自身对课程前期的预习和把握程度。只有学员在课前对实验内容有一定程度的理解，才能在进行实验操作的过程中，将理论知识与实操技能进行有效的结合，达到理想的教学效果。但事实上，学员仅根据教材上简单的步骤描述和极少的实验操作示意图，较难取得较好的预习效果。此外，受到学时限制以及微生物实验需要较长反应时间的影响，教员通常不能对整个实验过程进行完整的演示，这也在一定程度上影响学员对实验要领的完整把握。

1.2师生互动较少，影响学员积极性

根据实验课程注重实操性的特点，各高校实验课程的开设通常都是采取小班制的形式。可即便是小班制的授课模式，也是一个教员对十几甚至几十个学员的授课比例。以我校为例，微生物学实验课程面向生物专业学员开设，共25名学员，设置一名主讲教员和一名教学辅助教员进行教学活动。教员与学员的比例是1比12.5。每个学员对知识掌握程度不同，接受新知识的能力存在差异，对操作过程的疑问点也各不相同就需要在教员在学员实操的过程中，进行单独的有针对性的辅导和答疑。这往往就会造成，一个课堂中只有少数积极主动的学员与教员进行了有效的沟通和交流，大部分学员只是机械的按照步骤走一遍流程，完成实验，对实验过程所涉及的原理要领掌握不牢。微生物学实验作为基础的实验课程，应该着重培养学员养成良好的实验操作习惯，尤其是在无菌操作和显微操作的学习和把握上。但是在传统的微生物学实验的教学过程中，教员很难全程观察学生的实验操作方式，无法保证对学员们操作过程中的每一错误进行及时纠正，学员可能形成错误的习惯，实验技能也很难得到有效的提高。

1.3教学时长、资源有限，影响教学内容的体系性

传统微生物学实验教学大多以验证性实验为主，综合的设计性实验所占比例不多。微生物学实验通常会涉及到培养基的无菌处理，微生物的生长，免疫反应等需要耗时较长的实验受实验课课时的限制，为保障教学任务的顺利完成，教员通常会在课前将这些耗时较长的实验操作步骤提前完成，或者让学员完成前部分操作，等下次课再进行实验结果的观察。这就使得课程的连贯性和系统性受到严重影响，不利于学员对整体实验的把握。同时，由于学员无法完整及时的获取实验结果，也会在一定程度上影响他们对实验课程学习与操作的积极性和主动性。

1.4生物安全因素的考量，影响教学内容的完整性

生物安全教育是整个实验教学的首要任务，培养学员生物安全防护意识，规范实验室生物安全操作应该贯穿实验教学的整个过程，微生物实验教学更应如此。微生物实验的教学内容中涉及一些具有感染性的病原微生物的检测。在进行这类实验操作时，如果操作不规范，就容易发生安全事故，尤其是对于处于军事化管理的军校学员来说，一旦发生生物安全问题，很可能造成大规模的爆发导致非战斗减员。因此出于安全因素的考虑，这类实验通常是作为演示实验由教员示范完成，或者直接从教学内容中删除。从而破坏了教学内容的完整性。

2.虚拟仿真技术在微生物学实验教学的应用特点

虚拟仿真实验是专业学科信息化的产物，它依托构建高度仿真的虚拟环境让实验者感受沉浸式的深度体验，加之一系列人机互动操作可有效激发实验者求知欲，提升学习兴趣，培养探究性思维和开放性思维，极大地提升实验学习效果。目前，虚拟仿真实验在生物教学中已有广泛应用。

2.1虚拟仿真技术可以丰富教学手段，提高教学质量

虚拟仿真技术通过三维构图逼真的向学员展示实验室中各种实验相关设备和辅助材料，学员们可以通过鼠标或键盘的操作，对仪器设备进行多角度的观察，有利于学员更加生动形象的理解实验操作。与此同时，虚拟仿真技术还可以通过软件模拟操作，让学员可以对反应发生的动态微观过程进行直观的了解。通过多维度的信息输入，帮助学员实现对实验要领的整体把握。

2.2虚拟仿真技术可以加强师生互动，提升学员兴趣

一套完整的虚拟仿真系统通常会包括图片、文字说明、仪器操作演示及讲解、课程大纲、知识点、配套练习等。学员可以通过系统中丰富的学习资源，在课前完成充分的预习准备。学员还可以通过系统中的模拟软件在进行实验实操之前，对实验过程进行反复的模拟练习。这样一方面可以通过不断的试错，了解操作错误对实验结果的影响，进而加强学员的操作规范性意识。另一方面，经过多次模拟练习，学员对实验流程的把握度更高，可以有效的提高实操的成功率，提升学员的成就感和兴趣度。

2.3虚拟仿真技术可以作为实验教学的重要辅助资源。

微生物学实验教学体系中，有一些在教学体系中比较重要的教学内容，由于耗时较长不可能在有限的教学课时中完成或者所涉及的实验设备过于精细、贵重，不适合作为本科基础实验教学等原因，不得不在传统的微生物学实验的教学活动中删除，比如发酵培养实验和激光共聚焦显微镜的使用等。这些实验都可以通过虚拟仿真系统中的模拟软件进行补充。让学员可以系统的把握微生物学在生产生活中的应用场景，以及最新的观察技术手段，为开拓和培养学员创新的科研素养具有积极意义。

2.4虚拟仿真技术为实验室安全教育提供有效技术手段

刚进实验室的本科学员普遍存在实验室安全意识不强，对生物安全没有足够的重视程度。尽管教员三令五申的强调安全规范操作，多数学员还是会有“不至于如此”的侥幸。借助VR等虚拟技术，可以既不对学员产生实际危害后果，又“声临其境”的对学员进行震撼的安全教育，加强他们的实验室安全意识。与此同时，一些受实验室客观条件制约无法开展的具有一定安全隐患的微生物实验，比如病原微生物的检测、流感病毒分离培养等，通过虚拟仿真实验，也可以让学员在保障生物安全的前提下，对实验过程和相关实验原理有更直观和感性的认识。

总结

微生物学实验的教学内容具有较强的连贯性和系统性，对实验操作的精确性和规范性都有较高的要求，但是传统实验教学方式由于教学时长、场地、设备以及安全因素等限制，不能很好的实现上述教学要求。虚拟仿真技术的引入可以有效的丰富和补充微生物学实验教学内容，为形成系统完整的教学体系提供有效的技术支撑和辅助资源，有利于培养创新性复合科研人才。

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作者简介：

李文颖（1987.4），女，瑶族，湖南永州人，博士，助理研究员，从事合成生物学研究。

闵璐（1985.12），女，汉族，湖南益阳人，博士，实验师，从事合成生物学研究。

邱鑫源（1994.1），男，汉族，四川广安人，硕士，助理实验师，从事合成生物学研究。

刘传扬（1995.11），男，汉族，湖北隨州人，硕士，助理实验师，从事合成生物学研究。