基于OBE理念的“食品微生物检验”虚拟仿真教学改革与探索

朱丹实，刘雪飞，吕艳芳，赵丽红，薛 鹏，曹雪慧，刘 贺

（1.渤海大学食品科学与工程学院，辽宁 锦州 121013；2.北京欧倍尔软件技术开发有限公司，北京 100192）

成果导向教育（Outcome-based education，OBE）是指教育教学过程中一切教学活动都围绕学生实现预期学习成果开展的教学过程[1]。自1981年由Spad首次提出后，OBE如今已成为欧美很多国家工程教育改革的主流理念[2-3]。OBE理念强调学生的主体作用，将工程教育认证标准作为指导性纲领，以社会需求为导向，注重培养学生将学术知识转化为解决实际问题的能力，对创新型、应用型人才培养具有重要意义。

虚拟仿真实验是以计算机为基础的虚拟现实技术，利用动态教学模型实时模拟实体实验的场景、仪器设备、操作流程，达到与实体实验基本一致的实验现象和实验结果。在虚拟仿真实验的开发过程中，要求构筑出综合多种技术和工具的信息化、网络化的集成环境[4-5]。虚拟仿真技术能够克服实体实验周期长、危险性大、参与度低、灵活性小等诸多缺点，实现低成本、全天候的实验教学和即时的实验反馈。

“食品微生物检验”是高等院校食品学科的一门重要课程。该课程的实验课学时较多，应用性和实践性很强。目前，传统的“食品微生物检验”课程实验多是为了加强学生对有关理论知识的验证和巩固，很难激发学生对食品专业知识的学习兴趣。而且，在实际教学中一般以演示性、验证性的实验内容为主，而综合性、设计性、研究性的实验内容较少。学生学习缺乏主动性和积极性，实践动手能力、综合运用知识能力和创新思维的锻炼也较少[6]，难以满足培养创新应用型人才的需求。

OBE模式强调对实践教学的要求，虚拟仿真平台增强了实践教学的即时性、灵活性。在OBE模式的教学过程中引入虚拟仿真技术，能够较好地解决食品专业实践教学环节中的共性及个性问题，更好地培养学生的自主学习能力和工程实践能力，提升学生的创新意识。若要最大程度地贯彻OBE教育模式，最充分地利用虚拟仿真实验资源，就需要增强实验教学的开放性与自主性[7]。根据“食品微生物检验”课程实践性和应用性强的特点，基于OBE理念的“食品微生物检验”课程虚拟仿真实验建设改革方案，利用虚拟仿真技术为“食品微生物检验”实验教学提供新颖的教学模式，符合当前信息化的趋势，使学生能获得更便利的学习机会，提高学生创新意识和实践技能，对培养创新应用型专业人才的转型发展十分必要。

1 “食品微生物检验”OBE模式虚拟仿真教学思路

渤海大学食品科学与工程学院的“食品微生物检验”课程是食品质量与安全专业的必修课程，其中“食品中菌落总数测定”和“大肠菌群计数”也是食品科学与工程专业学生的必修学习内容。“食品微生物检验”课程的实践性非常强，实验操作要点很多、规范性要求强，仅靠传统课堂和有限的实践教学时间，学生往往不能完全掌握所有的操作技能。而且，致病菌的检测项目还带有一定的危险性，具有安全隐患。因此，围绕OBE模式，根据应用型人才创新实践能力培养需要，将虚拟仿真技术引入食品专业实践教学过程中，开发和丰富“食品微生物检验”虚拟仿真教学和实验资源，可以实现理论教学、实体实验教学、虚拟实验教学和创新型实验教学的有机结合[8]。

“食品微生物检验”OBE模式虚拟仿真教学改革建设原则为“虚实结合、虚创结合、实创结合”，即理论教学与虚拟实验及实体基础性实验、验证型实验和综合性实验操作结合；虚拟实验与大学生创新创业训练、各类大学生竞赛项目、毕业设计、毕业论文实验、课程设计、科研创新、校企合作等创新型实验结合；实体基础性实验、验证型实验和综合性实验与各类创新型实验结合。通过“食品微生物检验”OBE模式虚拟仿真教学改革，可以进一步强化学生实践能力，培养和锻炼创新思维，构建综合性强、开放度高、互动丰富的实践教学体系。

开展“食品微生物检验”OBE模式虚拟仿真教学改革时，要注意3个方面问题：一是要以学生为主体，以社会对食品专业人才的需求为导向，重点培养学生工程执业能力，突出培养创新应用意识。激发学生主观能动性为前提，培养学生将理论知识转化为实践应用的能力为目的，提高学生专业素养为目标。构建高度仿真、虚实结合、开放共享的虚拟仿真实验系统，探索理论知识学习与实践能力培养的最优结合方式，创新实践教学体系。二是要以实验项目驱动为主导，将实验项目“模块化”设置，并着重培养学生的科研思维和创新意识。重视科研成果向实验项目有效转化，实现教学与科研的有机结合和有效反馈，强化创新、科研意识，促进学生科学研究能力培养。三是要大力推动校企合作，将“食品微生物检验”课程实验与企业需求结合，并与创新创业训练、各类大学生竞赛项目、毕业实习、毕业设计等实践教学内容有机融合，开发面向食品专业的“多层次、立体化”的虚实结合教学资源体系。不断健全虚拟仿真实验教学资源管理，建立共享机制与兼容平台，维护保障虚拟仿真实验教学的安全高效运行。

2 “食品微生物检验”OBE模式虚拟仿真教学设计

“食品微生物检验”课程专业性强，涉及学科广泛、内容多，要达成课程教学目标，教学内容的设计十分重要。根据学生培养目标和食品行业生产厂家需求相结合的原则，基于OBE教学理念，将微生物检验实践教学构建为“菌落总数测定”“大肠菌群计数”“沙门氏菌检验”“金黄色葡萄球菌检验”四大实验模块，并增加“食品微生物检验基础理论”和“食品微生物检验考核”1个软件模块。食品微生物检验四大检测项目方法，紧紧围绕中华人民共和国国家“食品微生物学检验”标准GB 4789.2—2016“菌落总数检测”，GB 4789.3—2016“大肠菌群计数”，GB4789.4—2016“沙门氏菌检验”和GB 4789.10—2016“金黄色葡萄球菌检验”中相应标准化检测的流程和方法，将规范化微生物检验操作以计算机虚拟技术呈现。

虚拟仿真软件中包含理论知识、实验演示、虚拟练习、易错点考核、扩展应用知识等内容，力争实现理论学习、虚拟练习、实体实践、扩展研究相结合的原则。理论教学内容的设置由浅入深、循序渐进，既强调基础性和系统性，又突出重点，紧密联系实际。在虚拟仿真教学时，一方面要思考如何在该体系中应用学科知识，如何将虚拟和实践衔接，在实践中操作怎样应用理论解决具体实际问题；另一方面要给学生补充学科外的知识。在理论知识模块中还要加大练习和扩展环节。通过练习环节，使学生具备相应的理论知识和检测能力，并有助于培养独立思考能力。扩展环节，一方面可沿横向进行跨学科扩展；另一方面也可沿纵向从表层认知向深层次学科问题探究扩展。在虚拟仿真练习环节可以设置一些共性任务，扩展环节可以针对部分感兴趣的学生深入学习，体现因材施教的原则。

实践教学过程中，对每一个检测模块都进行梳理和调整，结合虚拟仿真3D可视化软件感知设计的优势，将“菌落总数检测”“大肠菌群计数”“沙门氏菌检验”和“金黄色葡萄球菌检验”这4个实验模块的实验目的、实验原理、实验方法、实验结果报告原则、实验的注意事项要求等制作成三维微课件。根据实验内容准备实验材料和仪器，确定操作步骤，重点分析实验操作过程中容易出现的问题、分析问题产生的可能原因、提出问题的解决方案。模拟实体实验转换虚拟操作关键环节，展示不同实验结果。力争在每个实验模块中实现理论、虚拟、实践、创新一体化教学模式，融理论、虚拟实践、实体实践于一体，融技能和创新意识培养于一体。此外，要注意充分调动学生的学习积极性，增强学生自主探究的兴趣，在理论知识充分掌握的前提下提高学生实践动手能力，培养基础扎实、本领过硬、素质全面、创新能力强的专业型人才。

借助微生物虚拟仿真软件实现互动画面，使学生对微生物检验实验操作的每个环节进行虚拟仿真控制，自由掌握实验进度，反复修正和重复标准化操作。解决因设备、实验场地不足和原料安全性带来的实践教学缺陷。学生结合理论教学和真实实验过程，将虚拟仿真实验作为辅助和扩展，实现虚实结合、互为补充。通过虚拟仿真训练，强化实际操作能力，开拓学生眼界和思路，充分体现以学生为主导的实践教学模式，充分调动学生自主学习兴趣，提高实践教学效果。虚拟实验场所与学校现有微生物检验实验室结合，学生在虚拟仿真实验过程中，可以进行软硬结合、虚实结合的综合性实验，利用虚拟实验补充实体实验的缺点，使实验内容更加丰富，实验的趣味性增强，激发学生学习和实验热情，从而获得更好的实践教学效果。学生在实验过程中可以单独完成实验，也可以以小组形式协作完成实验，从而适应不同的实验模式，便于实现学生之间和师生之间的交流。学生进行虚拟实验操作过程中，教师也要进行适当指导和讲解，学生可以根据自身掌握的程度反复演练，熟悉操作要点和操作规范性。当学生进行实验室实体操作时可以避免虚拟操作中的问题，提高学生的检验操作的准确性，提升实践动手能力。

3 基于OBE理念的虚拟仿真教学评价体系

OBE理念模式强调学生本人完成相应成果的能力，因此“食品微生物检验”虚拟仿真教学考核应注重学生的真才实学，教学评价体系还要体现过程性、随机性、个性化的特点。

过程性考核可以依托实验报告展开。每次实验均设有独立的实验报告，在实验报告中设有任务成果说明栏、教师问询栏、评语栏、签章栏、评分栏等。实验报告同样按照递进式设计，学生首先完成实验内容，在此基础上接受关于实验内容的问询，由于提问的内容是随机的，学生必须对自己的实验内容充分了解，要注重问询前的理论和实践过程的学习及相应能力的获得。学生必需能够完成相应虚拟和实践教学任务，并通过了教师的问询和检验，才可以获得实验签章进入到下一实验的学习，并获得该实验的成绩。过程性考核过程中，教师对学生的问询和评价是客观、透明的，学生可看到自己的不足，并可在后续环节中予以关注和改进。各项实验是按照递进式设计，学生按照先后顺序获得相应实验的签章才能进入下一环节，从源头上保证了每个学生能够掌握相应的知识。为了便于学生课堂外自学和讨论，所有教学过程中讲解的理论教学资料、实验操作要求和相关拓展资料都面向学生开放，教师在授课过程中主要讲重点、讲难点、答疑、检验成果和评定成绩等。过程性考核模式与递进式教学设计相匹配，可以最大限度地保障学生获得相应能力。

随机性考核模式中，学生随机抽取题目并在指定时间完成相应任务。该环节不允许学生讨论，重点考查学生对所学知识的掌握程度、综合运用的能力和独立完成实验任务的能力。由于随机性考核环节的任务是随机抽取的，允许学生在制定时间内多次完成该项任务，可以在课下对任务库中的多个任务进行反复练习。任务库包含基础理论内容、对课堂内容的扩展、实践操作要点及近年来食品领域的一些真实案例。通过综合性的随机考核，可以在课程的学习过程中，培养学生解决复杂工程问题的能力，满足OBE理念的培养要求。

个性化考核模式是针对每个学生的独创性成果，开展个性化考核，有利于学生学习过程的持续改进。个性化考核可以结合实验操作和易出错情况及小结开展。通过虚拟仿真软件进行在线评估，根据实验配套操作指导评价系统，按照实验目的完成实验原理的认知、实验操作的规范进行客观打分，学生培训后由计算机自动给出客观分数，软件系统按照学习计划进度，对学生进行评级。在此评级说明，学生可以有针对性地练习和改进，并重新申请考核评级，从而达到OBE持续改进、不断进步的理念，进一步提高培养创新应用型专业人才的质量。

4 结语

面对工程认证的要求，基于OBE教育模式引入虚拟仿真教学手段，对“食品微生物检验”课程教学内容与体系进行改革，可以实现以学生为主体，虚实结合、虚创结合、实创结合的三位一体的教学体系。通过虚拟仿真教学改革的开展可以激发学生学习兴趣、增加师生互动、冲破空间时间限制、提高教学资源整合和分享、降低微生物实验危险性、完善考核体系等，切实提高“食品微生物检验”教学质量。通过改革，进一步实现以成果为导向、结合社会需求、强化学生专业实践能力、锻炼综合素质与科研创新素养，达到培养高素质复合型应用人才的目的。教学改革不可能一步到位，要建立长效机制，从主观和客观上持续改进，才能不断推动教学质量的持续提高。