“食品微生物学”虚拟仿真实验教学模式应用的SWOT分析

赵圣明，赵岩岩，周威，朱明明，焦凌霞，毕继才

河南科技学院食品学院（新乡 453003）

在当前新工科教育背景下，实验教学是工科专业人才培养体系中的重要组成部分，是推进工科教育改革发展的重要环节，因此，培养工科学生的实践能力尤为重要[1]。“食品微生物学”是食品科学与工程、食品质量与安全及粮食工程等工科专业的主干专业基础课程。通过学习和掌握微生物学相关基础理论和实验技术，进一步应用于食品微生物安全控制与检测、食品发酵生产等实践过程。“食品微生物学”实践教学是知识向能力转化的关键环节，也是培养食品微生物类应用型创新人才的主要途径，实践教学质量对学生的综合实践能力、创新精神和工程素质培养具有举足轻重的影响[2]。因此，“食品微生物学”实验教学环节至关重要，通过系统的实验学习，可以激发学生的学习热情，提高创新意识，有助于掌握抽象的理论知识，并将其进一步应用生产实践中。然而，传统的“食品微生物学”实验教学模式及教学技术落后，主要依赖于真实的实验室，实验教学质量及项目设置易受实验设施、课程教学时间、实验资源、实验成本及空间等条件的限制。大多学校由于软硬件等条件的限制，实验操作学时远远不够，不能调动学生参与实验学习的积极性，同时也不能满足“新工科”建设及应用型创新人才培养的要求。因此，加强现代信息化技术在传统工科高等教育中的深度融合，是强化实验教学、提高学生实际操作能力的重要手段。

虚拟仿真实验是依托现代化计算机硬件和软件技术，利用动态教学模型对传统实验的场景、仪器设备、操作行为等进行系统性、动态性的模仿，实现与实际实验结果一致的教学效果[3]。随着5G时代的到来，虚拟仿真技术也得到快速发展，为实践教学改革带来巨大机遇。早在2017年我国教育部就印发《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》[2]，进一步深化和拓展虚拟仿真教学项目的建设工作，推动虚拟仿真技术在高校教学中的改革探索。采用虚拟仿真技术进行“食品微生物学”实践教学改革，可促使实践教学从传统的知识型教学向技术应用型教学转变，不仅可以节约实验资源、实验成本、拓展实践教学时间与空间，有效突破时间、空间和仪器资源等的约束，克服实验教学对实际客观条件的依赖性，而且还可以激发学生的学习兴趣，满足自主学习的需求，深化对实践知识点的理解，提高学生创新思维能力、动手能力和综合实验技能，培养学生的职业技能和职业素养，具有重要的理论意义和实际意义。通过运用SWOT分析法，分析开展“食品微生物学”虚拟仿真实验教学的具体优势、劣势、机会和挑战，以期拓展“食品微生物学”实验教学模式，提升“食品微生物学”实验教学水平，为进一步促进现代信息技术在实验教学改革中的应用提供借鉴。

1 “食品微生物学”虚拟仿真实验教学的必要性

以河南科技学院为例，传统“食品微生物学”实验教学人数每学期人数约200人，但“食品微生物学”实验室空间只能供60人左右同时进行实验学习。尤其是一些综合设计型实验，如大肠菌群测定，需要进行培养基配制与灭菌、平板制作、样品无菌操作、菌落培养、菌落计数等操作项目，整个实验流程需要1周左右，多个班级只能轮流进行实验，影响实验的连续性。由于实验室条件限制，为满足所有学生的实验教学需求，因此学生需要在规定的时间完成实验项目，这也明显限制了学生的创新性思维训练，影响学生科学探索精神的培养。还有一些实验如病原微生物的检测，可能会危害学生的身体健康。此外，一些新型实验设备和仪器成本较高，由于经费有限，学校更新较慢，导致一些学科前沿的实验项目无法顺利开展。同时，大型设备需要专业人员定期维护和保养，以及某些学生的粗心操做也可能损坏实验设备，这些因素都增加了实验成本[4]。因此，传统的“食品微生物学”实验教学模式已不能满足当代大学生的学习需求。传统实验教学手段单一、学生参与度不高，往往是参照实验指导和教师的讲解按部就班地进行实验操作，学生缺乏深入的实验思考。手机、电脑已成为当代大学生学习和生活的必需品。将实验教学与信息化手段相结合，将有助于提高学生的学习兴趣，发挥其主观能动性[5]。虽然基于网络教学平台的信息化教学模式，如学习通、雨课堂等教学平台在一定程度上加强了师生的互动交流，提高了“食品微生物学”实验教学的质量和学习效率，但基于网络教学平台的信息化教学模式依旧偏重于实验理论教学。而虚拟仿真实验教学，可以利用网络教学平台和以Unity3D平台为基础的3D仿真技术开发虚拟仿真实验平台进行“食品微生物学”实验教学，将实际实验室操作和虚拟实验课堂有机结合，不仅可以让理论教学更加生动有趣，还可使学生身临其境地感受实验操作。同时虚拟仿真技术的高逼真性、交互性、沉浸性和虚幻性等特点，有利于提高学生学习兴趣，丰富实验教学内容，提高学生的实践综合应用能力和促进实时交互式教学活动的开展。虚拟仿真技术使实验教学可视化、形象化、立体化，提高课程实践教学效率，对新工科背景下的人才培养模式创新具有深远的影响。

2 “食品微生物学”虚拟仿真实验教学模式的SWOT分析

2.1 优势（strength）

2.1.1 虚拟仿真技术优势

以Unity3D平台为基础的3D仿真技术、多媒体技术和网络技术为依托，以“食品微生物学”实验操作为载体，采用面向服务的软件架构开发，集实物仿真、创新设计、智能指导、虚拟实验结果自动批改和教学管理于一体。整体构架分为数据层、支撑层、通用服务层、仿真层和应用层等。在数据层里，分别设置虚拟实验的用户信息、基础原件库、规则库、答案库、实验教程等。支撑层是“食品微生物学”虚拟仿真实验教学与开放共享平台的核心框架，是实验项目正常开放运行的基础，负责整个基础系统的运行、维护和管理。通用服务层是为“食品微生物学”虚拟仿真实验教学管理平台提供虚拟实验教学环境的一些通用支持组件，有助于快速在虚拟实验环境中完成虚拟仿真实验搭建。仿真层主要针对该项目进行相应的器材建模、实验场景构建、虚拟仪器开发、提供通用的仿真器，并为应用层提供实验结果数据的格式化输出。应用层针对学生提供具体应用服务[6]。同时系统开发中使用大场景三维扫描和手持式扫描等方式对实验室场景和常用设备、材料进行采集测量，构建测量数据库，并以此为基础对实验室场景和相关设备进行1︰1建模，构建高真实感的实验场景。虚拟仿真实验平台对硬件设备要求低、交互性强，通过虚拟仿真技术与实验教学的有机结合，有效解决实验场地、成本等因素制约问题，提高学生的理论和实践操作能力。

2.1.2 学校教学平台优势

河南科技学院食品科学与工程专业为国家一流本科专业建设点，专业实力强大，利用国家一流专业的优势支撑一流课程的建设。面对教育信息化的快速发展趋势，对开展课堂教学的信息化改革尤为重视。学校设立专项经费，保证信息化技术在高等教育教学中的推广应用，推动虚拟仿真技术在高校教学改革中的应用创新。鼓励教师积极申报虚拟仿真实验教学方向的相关课题，配套购买相关的教学平台和资源。“食品微生物学”虚拟仿真实验平台开发，可有力促进食品专业教学模式的多样化，也有助于学校精品数字化课程的开发和虚拟仿真实验平台的建设。同时食品科学与工程专业师资力量雄厚，博士学历占比达80%以上，能够快速学习和接受新的信息化教学模式。

2.1.3 教学效果优势

虚拟仿真实验场景和操作动画更具有趣味性，可以在实验场景内设置互动性问答习题，并将问答习题设置成游戏闯关模式，只有答对了问题，才能进行下一步的实验操作。虚拟仿真实验教学可通过启发式学习、分步骤演示等方式呈现，提升学生自主学习能力，有效提高学生的学习兴趣[7]。正常的实验操作在实验室内进行，由于人数较多，教师仅凭肉眼观察，很难及时发现所有学生错误的实验操作，无法实现对每个学生的一对一指导。但是，教师可以在虚拟仿真软件中根据系统的错误操作提示，及时纠正学生的错误实验操作，更好把握教学节奏，提高教学效果。同时，虚拟仿真实验教学突破传统的教学模式，促进实验教学由教师为中心的教学模式转变为学生为中心，学生愿意主动参与学习，积极与教师互动交流，活跃课堂学习氛围，有效提高学生的学习兴趣，并促进学生独立思考、主动进行科学探索的学习能力的培养。

2.2 劣势（weakness）

2.2.1 成本劣势

虚拟仿真技术国内起步较晚，尚还处于高速发展阶段，实验项目开发费用较高，一个实验项目的开发加上版权使用费用需十余万元，而“食品微生物学”可开设的实验项目20～30个，导致将实验项目整体都开设成虚拟仿真实验的成本较高，仅适合一些需要昂贵实验仪器或者有健康风险的实验项目推广和应用。同时，虚拟仿真实验课程制作需要既掌握“食品微生物学”实验知识又精通软件开发的专业技术人员，对技术人员的综合要求较高，同时还需要花费大量精力和时间开发。此外，在实验项目各个环节中设置的交互性问题，客观题可由计算机进行自动批阅，而主观题无法进行自动批阅，仍需要教师根据具体的回答情况进行手动批阅，并对学生的操作失误进行及时的反馈和纠正，因此工作量也较大。

2.2.2 模拟现实劣势

虚拟仿真实验虽能较为真实地模拟实验环境，具有沉浸性和不受时空限制等特点，但仍存在一些劣势，主要是模拟实验场景无法与现实环境完全对应。如：无法还原双手接触实验仪器、样品的手感和操纵感；微生物接种、倒平板、平板划线等实验操作需要真实感受器具和样品间接触的面积和摩擦力的变化，因此需要通过平衡感受并调整接种和平板划线的力度，以免划破培养基表面。尤其是一些“食品微生物学”实验需要精确的实验操作技术，而虚拟仿真实验只能在软件中模拟实验过程。虽然虚拟仿真实验一定程度上可以激发学生的学习兴趣，但是实验只能从视觉、听觉等方面进行简单的模拟，无法带来实际触觉和操作的体验，因此不能使学生学习到真正的实验操作技术和锻炼学生的实际动手能力，无法保证课堂的教学质量。

2.3 机会（opportunity）

2.3.1 国家政策带来的契机

近年来，为加快信息技术在高等教育中的快速发展，国家教育部相继发布《关于开展2014年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》《2017年教育信息化工作要点》《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》《职业教育示范性虚拟仿真实训基地建设指南》等相关文件，鼓励高校开展虚拟仿真实验项目和和实验中心的建设，表明国家层面对虚拟仿真实验教学的高度重视。国家的政策支持和经费投入，使虚拟仿真实验在教学中的应用广泛开展起来。因此，抓住信息技术变革带来的历史性机遇，推动实现高等教育质量的“变轨超车”成为高校关注的重点。虚拟仿真实验在“食品微生物学”中的应用目前还处于初步发展阶段，具有广阔的开发应用前景。将现代虚拟仿真技术与传统“食品微生物学”实验相结合，将有利于助推食品类专业的新工科建设，探索传统工科实验教育的智能改造升级。随着信息化技术的高速发展，智能手机和平板电脑等移动终端的逐步普及，以及虚拟仿真实验项目在高等教育教学中的快速推广和应用，教师和学生对虚拟仿真实验的接受度越来越高，虚拟仿真实验教学的应用领域和使用频率也将越来越广。

2.3.2 专业发展提供的机会

近年来，随着社会对食品安全以及消费者饮食营养与健康的日益重视，各高校食品类专业的报考人数和录取分数逐渐提升，说明社会对食品类专业的认知度较高。同时，工科教育主导的成果导向教育理念也为虚拟仿真实验的开展提供新契机。因此，高校应该紧跟专业发展的快车道，将传统实验教学与虚拟仿真技术相结合，创新教学模式，提升教学质量。虚拟仿真实验过程中的答题环节，教师和学生可以通过平台共同讨论、分析和解决问题，有效培养学生的自主学习能力、创新意识和工程实践能力[8]，实现理论和实践相结合的食品类创新应用型人才的培养。此外，虚拟仿真实验已在较多高校中开展应用探索，已完成的或者在建的实验项目为“食品微生物学”虚拟仿真实验提供一定建设经验。

2.3.3 虚拟仿真技术的快速发展带来的机遇

近几十年，信息技术飞速发展，虚拟仿真开发技术也越来越成熟。因此，实验软件和平台的开发的成本也会越来越低，这为虚拟仿真实验技术的广泛应用提供良好契机。在国家政策支持和社会的需求下，虚拟仿真技术在高等教育的广泛应用是大势所趋。虽然虚拟仿真实验教学模式应用的时间不长，但是快速的技术更新，使其功能越来越强大，可以根据教师和学生的意见反馈，定向开发新功能，为师生提供更好的体验。随着虚拟技术成本的降低，智能化、个性化和泛在化的“食品微生物学”虚拟仿真实验教室将会逐步呈现，实验体验更加真实，科技感更强，创新“食品微生物学”实验教学模式，有效弥补传统实验教学的不足。

2.4 威胁（threat）

2.4.1 课程开发质量要求高

虚拟仿真实验虽然具有不限空间、时间、设备等客观条件的优势[9]，但是一些实验精度要求高、操作性强、需要熟能生巧、锻炼实验技术的实验类项目，虚拟仿真实验开发难度高。这类实验项目还是更适合于传统课堂教学实验操作为主。如光学显微镜的使用，需要通过肉眼观察目镜，协同手动调节载物台和调焦螺旋观察细菌的形态，实验需要反复的操作才能熟悉显微镜的使用并观察到细菌的微小形态结构。此外，一些涉及分子生物学的实验操作，如质粒的提取，基因的转化等，需要精准的实验技术，这些实验如果都应用虚拟仿真实验进行教学，学生将无法得到基本实验技能的训练机会。因此，为进一步促进虚拟仿真实验在传统“食品微生物学”实验中的应用，可将智能头盔、智能穿戴等设备与虚拟仿真实验项目相结合，提高数据传输速度、屏幕刷新技术、交互设备精确度，使实验显示内容和感官同步，提高实验项目的体验性，真正实现实验项目的虚拟操作。教育领域对虚拟仿真实验教学的开发应用没有统一的标准和规范，导致开发的实验项目与使用的虚拟仿真软件应用平台不兼容，如系统架构、数据库支持、功能模块、运转流程等都存在差异，影响虚拟仿真实验实验项目的广泛推广和应用。

2.4.2 师资力量薄弱和学生管理难度大

教师习惯于传统的课堂实验教学，开设虚拟仿真实验课程，需要重新进一步掌握信息化知识，需要与软件开发公司对接，根据实验需求进行虚拟仿真实验设计，还缺乏系统、成熟的信息技术操作和管理的培训体系。此外，因为软件开发公司无法提供实时的技术服务，后续的虚拟仿真实验软件和运行平台也需要教师进行管理和维护。因此，长期顺利开展虚拟仿真实验教学也存在一定困难。

学生刚接触虚拟仿真实验时，由于是新鲜事物，普遍兴趣较高，可以自主、有效完成学习。一旦学习时间长久，也会逐渐产生厌倦心理，便可能通过技术手段或者寻找他人替代自己刷课，完成虚拟仿真实验课程的学习。虚拟仿真实验课程虽然突破时间和空间的束缚，但如果教师不在现场教学，仅通过网络则无法有效实现对学生的监督作用。因此，结合视频直播或者其他有效的考核监督方式是未来虚拟仿真实验项目开发需要考虑的一个重要问题。

3 结语

虚拟仿真实验的交互性、沉浸性和趣味性等特点，有力推动了信息技术与“食品微生物学”实验教学的结合和发展。利用SWOT方法分析“食品微生物学”虚拟仿真实验教学模式的应用应该考虑具体实验的类型和内容发挥其优势，并不是完全通过虚拟仿真实验替代传统的课堂实验操作教学[10]，而是建议采用“虚”实结合的方式，将虚拟仿真实验教学内容和传统实验教学内容有机结合，充分发挥各自的优势。通过虚拟仿真实验教学模式的应用，提高课堂的实验技能教学效果，充分激发学生的求知欲和发挥其主观能动性，提高学习效率。因此，虚拟仿真实验教学模式为不断提高“食品微生物学”实验的教学质量和教学效果以及培养食品领域的复合型应用人才发挥重要作用。