基于建构要素的微生物虚拟仿真实验教学评价

缪珠雷，杨贵珍，姚 超，姜 昕，孙锦霞，郑月娟，朱诗国，刘 丹

(上海中医药大学基础医学院免疫学与病原生物学教研室， 上海 201203； △通讯作者)

微生物与免疫是上海中医药大学唯一一门针对中医学、针灸学等各专业国际学生，以介绍病原微生物为主的专业基础选修课程，兼有理论和实验教学。实验教学主要通过学生在实验室带教老师指导下，亲自动手操作，完成一些对病原微生物的观察、培养和检测操作，从而获得对病原微生物的感性认识。然而，大部分国际学生目前无法来华就学，为此笔者所在教学团队引入基于虚拟仿真实验的线上教学模式，围绕现代建构主义实验教学理论的直观、建构、情境认知三要素，对国际学生微生物与免疫虚拟仿真实验课程教学进行了探索和评价；同时对国际学生学习的反馈信息进行了深入分析和探讨，寻找不足和改进措施。

1 研究理论和视角

目前虚拟仿真实验的实现，主要是基于虚拟现实技术，使学生利用键盘、鼠标等对计算机模拟的实验环境进行体验和交互操作。根据现代建构主义实验教学理论的观点,一个合格的实验教学项目需具备以下三大要素，即：直观、建构、情境认知[1-3]。①直观，就是实验应体现出专业的真实应用和操作场景，以供学生去观察体验；②建构，意味着实验能帮助学生构建知识体系，也就是掌握相应的知识和技能，而这主要通过学生和实验场景互动来实现；③情境认知，就是要调动学生主动学习的积极性，让学生在解决问题的情境过程中认识到需要学习哪些知识，锻炼哪些能力。因此，有效评价一个虚拟仿真实验项目的质量和教学效果，可围绕上述要素展开。

2 教学研究过程

基于建构主义教学理论，再考虑到医学基础课程虚拟仿真实验项目本身的特点[4]，笔者认为前述三要素也可以被简要概括为真实、互动、引导。也就是说，评价一个医学虚拟实验项目是否成功，可以通过观察：①模拟的实验场景是否足够“真实”；②能否提供丰富和多样的“互动”机会；③对学生主动学习行为的“引导”是否充分和有效。目前，在我校教学实验中心网络平台上提供的与微生物和免疫课程相关的仿真实验项目主要来自于不同院校和多媒体制作公司，具有不同的风格和特点。针对这些项目，笔者依据前述三要素和本领域专业知识，对这些微生物虚拟仿真实验项目逐一进行了体验，结果发现这些项目都能在一定程度体现上述三要素。例如，教师通过视频和动画模拟一个真实的对某病原微生物进行诊断的场景；然后，要求学生在实验中选择正确的试剂和方法完成检测，这可以看作为一个互动的过程；最后，通过布置若干测验思考题引导学生主动学习，以培养分析和解决问题的能力。于是，笔者根据中医专业微生物与免疫教学大纲的总体要求，对这些项目进行了筛选，选择了血型鉴定、免疫细胞功能测定、细菌分离培养及染色鉴定、病毒鸡胚接种及血凝试验等项目。这些实验项目普遍制作比较优良，界面直观友好，图像细节刻画精致，教学过程也能循循善诱、深入浅出，基本满足直观、建构、情境认知三大要素的要求。

关于评价方法，在虚拟仿真实验教学过程中，学生的学习行为，包括实验学习进度、完成测验情况，由实验网络平台自动记录并根据事先设定的权重给出总分。同时，教师还要求学生在每一个实验项目结束后，独立完成一份包括实验原理、材料方法、结果、讨论4部分内容的完整实验报告，手写并拍照上传。教师则根据网络平台的分数以及报告作业的质量给学生评分，计入期末总评成绩。

关于教学方式，教师在课前通过网络直播将实验课程的内容和要求向学生进行介绍；课中，学生根据虚拟仿真实验项目的指导和提示，自主完成所有的实验内容，同时教师进行答疑辅导，也鼓励学生之间进行交流、互助和讨论；课后，教师查看网站提供的学生学习行为记录以及学生提交的作业，进行评价和打分。

3 教学研究结果

课程全部结束以后，笔者对参与此轮教学的49位国际学生(主要来自马来西亚、韩国、印尼及日本、英国、加拿大等国)进行了问卷调查，反馈数据如下：①较之以往经历的线下实验教学，新引入的虚拟仿真实验教学模式在帮助他们掌握实验原理和方法方面，学生认为更有效、没区别、更差的比例分别为30%、47%、23%；②在帮助提高实验探索的科研能力方面，认为更有效、没区别、更弱的比例分别为26%、43%、32%；③在提高学习兴趣方面，认为更强、没区别、更差的比例分别为21%、66%、23%；④在增强沟通和协作能力方面，认为更好、没区别、更差的比例分别为28%、36%、36%；⑤在完成实验时注意力的集中度上，认为更集中、没区别、更分散的比例分别为15%、40%、45%。

4 讨论和分析

从上述问卷调查的反馈数据来看，多数学生认为基于虚拟仿真的实验教学模式相对于线下教学模式，学习体验基本相当甚至略有胜出(选择“没区别”或“更好”占比超过50%)。但还是有一定比例的学生认为其不如传统的线下教学模式，笔者认为可能主要存在以下原因。

首先，目前的虚拟仿真技术软硬件发展水平还没有达到完美的程度[5]，尤其在模拟实验操作的动作细节，即“互动”方面还有所不足。例如，在许多实验场景中，电脑会提供一组操作供学生选择，待学生用鼠标选中正确项，电脑就将对应的操作以动画形式播放一遍。然后，实验就进入下一步骤，完成类似的操作，直至走完全部流程。与线下实验比较，学生的总体感觉是操作比较简单，参与度不够，也就无法充分调动他们的积极性。实际上，在真实、互动、引导这三大要素中，笔者认为，“互动”应该是居于中心地位的，因为如果没有良好的“互动”，场景即使再精致，也无法被学生充分感知和体验，因此也很难激发学生主动学习的兴趣。当然，随着技术的进步，具有定位跟踪、能实时提供三维视觉、触觉、听觉等功能的立体眼镜、数据手套等新型传感设备的成本下降和逐步普及[6，7]，将有助于设计出更“真实”，有着更多“互动”及“引导”作用的微生物与免疫虚拟仿真实验项目。

其次，虚拟仿真实验主要由学生在家中自行完成，学习氛围距离真实的实验场景相差甚远。在真实场景下，学生在一起做实验，可以看到周围学生的操作，并进行观摩和对比，而且还可以营造出一种良性竞争的氛围，从而有效提高学习的参与度和积极性。因此，是否可考虑请仿真实验项目制作方在软件中加入有利于学生互相交流学习的功能模块，使学生在电脑荧屏上既能看到自己的操作，也能观察到其他学生的操作，从而激发他们参与实验的热情。

综上所述,尽管国际学生无法来华就学，但他们对学习体验仍然有着很高的期望和诉求，因此也给任课教师带来了更多挑战。就目前而言，微生物与免疫虚拟仿真实验项目由于技术条件的限制，在制作和实施效果方面尚有不足，无法完全胜任直观、建构、情境认知三要素的要求。但应该看到，它们在提供一些线下实验无法提供的诸如复杂实验、具有危险性的实验或者周期跨度过长的实验，还是有着不可替代的优势[8，9]。因此，虚拟仿真实验教学项目的建设，无法一蹴而就，而是一个需要逐步改进、不断完善的长期过程，有赖于教师和工程技术人员(当然也包括学生)的共同合作和努力。