“虚”“实”结合与自主设计在发酵工程实验教学中的应用

刘龙祥

（滨州学院生物与环境工程学院，山东滨州 256600）

21 世纪是生命科学与生物技术的世纪，生物产业高速发展，技能型和创新型人才的缺口巨大。发酵工程将传统发酵技术与现代技术相结合，运用现代化控制手段，发挥微生物或细胞快速繁殖与代谢的优点，大量生产人们所需产品，在农业、医药、食品、环保、能源、轻工、化工等诸多行业中的作用举足轻重，是现代生物成果实现产业化的关键环节[1]。“培养生物产业高端创新型人才”这一目标被摆在“十二五”和“十三五”的生物产业发展规划的重要位置[2]。这对高校教师提出了新的要求，需要从教学理念与教学模式上大胆创新，提高学生积极性，使发酵工程实验更适合时代发展的需要，建立适应新时代的学生培养模式，培养和造就高素质、创造性人才，提高他们在实践中分析问题、解决问题的能力，并为今后的发展打下坚实的基础[3]。学生作为学习的主体，如何提高学生学习的能动性和自主性是教学的一个重要方向。传统的教学模式中过分强调了书本内容，而发酵工程实验较复杂、难理解，学生在学习过程中不能体会解决问题的乐趣，从而缺乏主动性与积极性。而且理论与实际生产过程部分脱节，存在鸿沟，往往使得学生卷面成绩高，而解决实际问题能力弱、团队合作意识缺乏。随着信息技术发展，虚拟实验平台技术的愈发成熟，也越来越多地应用到实验教学过程中[4-5]。本研究探索性将虚拟仿真平台结合自主设计应用于发酵工程实验教学中，以解决学校实验经费及设备紧缺的现状，利用国家开放虚拟仿真平台，开展现阶段无法实现实际操作的实验项目，引导学生进行仿真实验操作，开拓学生视野，使学生掌握更多的实用技能，实现应用型人才培养的目的。

1 发酵工程实验课程培养目标

发酵工程实验作为一门技术性课程，其具有较强的学科综合性，与多种行业相关，应用领域相当广泛。滨州学院发酵工程实验课程形成以行业实际工程为背景，以社会需求为导向、以工程技术为主线，努力培养高素质的本科工程型人才。对于应用型人才的培养，需要从课程融合、学科特色、实践实训等方面，全面关注和提升学生的实验意识、工程意识及就业需求，结合职业发展规划，提升学生就业竞争力，为各领域输送更多优秀的发酵工程人才[6]。

2 发酵工程实验教学现状

传统教学内容组织方面侧重于知识的系统性和完整性，虽然采用多媒体、视频、工厂参观等教学方式，让学生在一定程度上了解发酵工艺，但是工程能力即发酵工程意识、工程素质和工程实践能力还有所欠缺。发酵工程是一个工业化生产过程，课程内容涉及到众多的大型设备和辅助设备，由于学校经费及实验室有限，学校现阶段只购置了小型啤酒生产设备线，尚不具备购置其他发酵工程实验设备的条件。因此，现阶段可开展的模拟生产试验项目有限，仅开展了实验室水平的发酵实验，使学生对这些设备缺少感官认识，对工业化生产线认识不足，缺乏对生产操作的训练，无法达到学校新型应用型人才培养的目标[7]；且由于实验室面积有限，只能以小组为单位进行实验，影响实验效果。且实验操作较简单，教师全程指导，学生易产生依赖性，学习兴趣不浓、主动性不足，对学生创新能力及动手能力的培养尤为不利，无法达到预期的教学效果。

3 虚拟仿真平台

随着信息技术的不断发展，越来越多的高校开展了虚拟仿真实验教学，其实现了资源共享，为实验项目的开展与改革增添了新的元素，大大激发了学生的学习积极性。虚拟实验借助了虚拟现实技术（VR）、仿真、多媒体等技术，利用计算机营造与现场实景相似的画面与空间，以达到辅助部分或全部替代传统实验操作环境的软硬件环境。这种类似游戏闯关的教学设定，可以调动学生的全部感觉器官，具有方便性、直观性和交互性，有利于激发学生学习兴趣，提高学生自主学习能力，更有利于长期记忆的形成，显著提高学习效果。在国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台中可共享的实验中心有2079 个，可用于发酵工程实验教学的不下40 个，包括啤酒、葡萄酒、白酒、鱼类深加工等。虚拟仿真实验不受时间与空间的限制，可大大节约实验资源。在虚拟仿真实验过程中，每个学生作为一个实验的主体，独立开展实验设计，并组织实施发酵实验，可重复操作训练，对实验现象进行仔细观察，及时改正错误操作，通过这种人机交互的实验环境，可以充分调动学生学习的主观能动性，使学生在课堂上接触的知识面大大拓宽。而且通过这种方式激发学生学习的兴趣之后，可促进学生主动学习理论知识，并积极运用到实践中[8-9]。

4 “虚”“实”结合与自主设计

教育部相关文件曾明确虚拟仿真实验在教学中的定位和作用，时刻把握“虚实结合、相互补充、能实不虚”这一原则，将它贯穿在整个虚拟仿真实验教学中心的建设过程中，在实践动手能力要求高的学科中，虚拟实验只能作为实验教学的有效巩固与补充，而不可以作为实体实验的替代。其目的是实现实体实验不具备或难以完成的教学功能[10-11]。随着虚拟仿真实验资源的大量建设与使用，越来越多的目光聚集在如何将虚拟实验内容与实体实验教学有机结合，稳步提高教学质量。虚拟仿真平台与线下实验教学结合的教学新模式，对于弥补实验设备短缺与提高学生参与度方面具有积极意义。目前，滨州学院开展了以下模式的发酵工程实验教学探索。

4.1 学生自主设计实验

以项目为导向，实验教师设定部分实验要求和范围，确定需解决的问题，由学生自主设计具体实验项目。学生自由组合分组，每组4～5 人，培养团队合作精神。选定实验项目后，需要充分了解课本中的理论知识，再查阅书籍、文献等参考资料，成员内部讨论实验方案，以制定具体方案，此过程可以强化学生理论与实践结合的意识，培养学生实际解决问题的能力。且考虑到微生物生长需要时间，因此在实验过程中，根据总学时，学生自己协调时间，对实验内容进行整体规划[12]。

4.2 虚拟仿真实验模拟

得到具体方案后，小组内成员可依次进行虚拟仿真实验，实验操作完成后，根据系统评分与操作过程中遇到的问题开展小组讨论，分析实验结果，进一步完善实验操作方案，最终掌握实验原理与操作的方法，从全局层面认识整个实验过程，完成虚拟仿真实验报告。

4.3 实体实验验证虚拟仿真实验结果

根据虚拟仿真实验报告，准备所需实验器皿、用具及仪器药品。提前熟悉仪器设备使用方法，进行实验室条件下的实体实验验证，并探讨与虚拟仿真实验平台的区别。在实验开始时，学生将按照设计方案进行实验操作。在实验过程中会做详细的实验记录，线下实验结束后，对虚拟仿真实验结果进行验证，发现实验中存在的问题，完善实验报告。

4.4 考核方式改革

考核方式以最终答辩方式取代以前单纯的实验报告。以小组为单位进行评分，小组共同完成PPT，包含实验内容、实验方法、实验结果及实验中存在的问题、个人感想等。内部推选一名同学以PPT 进行答辩，各小组互相探讨，可以提出问题、发现问题。评分结果中各小组互相评分及教师评分分别占40%、60%。

5 结语

学生通过自主设计实验项目结合虚拟仿真实验最终实体实验验证的教学方式，具体优点如下：①学生在自主设计实验方案过程中，需要调动理论课堂所学的大量知识，将存在书本上的概念形象化，使学生对理论知识的理解更加全面、系统，锻炼学生创新意识和解决实际问题的能力，且能培养学生之间的团队合作意识。②虚拟实验可以很大程度降低学生在操作过程中的恐惧心理。实体实验中会涉及到高压气体或高温蒸汽，学生会有所惧怕。在虚拟仿真实验中，以不同颜色标识高压或高温气体，警示学生注意安全操作，模拟操作的结果和影响范围，做到对线下实验心中有数，大大降低恐惧心理。③虚拟实验结合自主设计，大大提高学生对实验原理和操作步骤的掌握程度，明显减少实体实验中的错误次数。④可以大大减轻学生对老师的依赖性，提高继续探索的兴趣性，增强自主完成实验的信心。