“环境工程微生物学实验”虚拟仿真教学资源 建设的探讨

宋晓红 李艳红 张立浩 朱宗强 曾鸿鹄

[摘 要] 在传统环境工程微生物实验实际教学基础上，探讨多维应用现代教育信息技术构建与课程密切相关的教学资源素材，专项整合环境工程微生物实验虚拟仿真实验项目库、实体实验项目库、实验现象图库、模拟动画库、规范操作视频库五大教学资源库，搭建“环境工程微生物学实验”教学网站，通过图文并茂、动静结合的形式，丰富实验教学内容，从而激发学生的学习兴趣与热情，增强学生对实验原理、实验内容和实验技巧的认识和理解，强化学生的实验操作技能，有效提高实验教学成效。

[关键词] 环境工程微生物学实验;虚拟仿真教学资源;教学改革

[基金项目] 2020年度广西高等教育本科教学改革工程项目“‘新工科背景下基于信息化的环境类本科微生物学实验教学改革与实践”（2020JGA195）;2019年度广西研究生教育改革课题“新工程教育改革背景下资源与环境领域专业学位型研究生培养模式的改革与探索”（JGY2019090）;2020年度桂林理工大学本科教学改革工程立项项目“环境微生物实验虚拟仿真教学资源的专项整合与建设”（2020B06）

[作者简介] 宋晓红（1990—），女（壮族），广西荔浦人，硕士，桂林理工大学环境科学与工程学院实验师，主要从事环境毒理学研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）09-0107-04    [收稿日期] 2020-12-29

随着现代教育理念的不断深入，“互联网+”引发了教育的历史性变革，如何利用信息技术改革教学方式、提高教学效率、扩大教学规模、实现学生自主学习等是高等教育教学改革发展的必然趋势[1]。虚拟仿真实验教学和传统实体实验两种实验方式相互补充、相得益彰，能拓展常规实验的教学功能，提高实验教学效果，进一步促进对学生创新精神与实践能力的培养。教学团队重点围绕“环境工程微生物学实验”虚拟仿真教学资源的建设开展了探讨与构思。

一、开展虚拟仿真实验教学可有效弥补传统实验教学的不足

虚拟仿真技术通过模拟构建实验操作环境和实验对象，再现真实实验场景，营造出高效、安全、的实验环境[2]，具有沉浸性、交互性等特点，体验直观、真实，在实验教学领域格外受到关注。相比传统实验教学，虚拟仿真实验具有以下优点。

（一）实现实验教学的再现性，确保实验教学的安全性

虚拟仿真实验教学可辅助教师直观演示复杂或危险的实验、实验结果不易观察的实验、实验周期过长的实验、无法控制反应过程等传统实验教学中无法完成的实验，虚拟再现实验过程，降低实验过程中毒、爆、腐、火、水等风险，确保实验教学的重复性和安全性。

（二）增強实验课堂的趣味性，保障实验教学的实效性

虚拟仿真实验教学综合应用多种技术，立体逼真地演示抽象的实验内容，丰富课堂教学手段，弥补由于实验室生物安全和场地设施紧张等问题而不能开设的教学内容，扩充课前预习阶段的学习资源，从而激发学生的自主实验兴趣，强化学生实验基本技能，提高预习的效果，保证实验教学的完整性和有效性。

（三）降低设备使用试剂消耗，提高实验教学的集约性

教师可根据实际教学需求建设不同类型的虚拟仿真实验，学生实验和学习不受时空限制，降低大型仪器设备的使用消耗，减少器材和药剂损耗，绿色减排，降低实验室运行成本，实现实验教学的集约性和持续性。

二、虚拟仿真技术在“环境工程微生物学实验”的应用具有广阔空间

基于传统实验教学的限制和虚拟仿真实验教学无可比拟的优势，从2013年开始，教育部做出了进一步建设国家级虚拟仿真实验教学中心的部署，许多院校在各个领域都开展了虚拟仿真实验的建设并取得了较好的成效。虚拟仿真实验教学也成了“金课”建设的重要内容，如何围绕“金课标准”构建具有高阶性、创新性和挑战度的虚拟仿真实验课程是当前的重点研究内容。

教育部在2017—2020年开展了示范性国家虚拟仿真实验教学项目的建设和认定工作，涉及多个专业类别，2017—2019年分别认定了105、296和327项国家虚拟仿真实验教学项目，2020年认定了728门首批国家级虚拟仿真实验教学一流课程。其中，与微生物相关的项目主要集中于医学、公共卫生和生命科学领域，比如扬州大学的“高致病性病原微生物检测虚拟仿真实验”、青岛大学的“单纯疱疹病毒的分离与鉴定虚拟仿真实验”、四川大学的“结核分枝杆菌实验室检测的虚拟仿真项目”、中山大学的“禽类交易市场外环境禽流感病毒监测采样操作虚拟仿真实验”、华南农业大学的“高致病性禽流感诊断虚拟仿真实验”、武汉大学的“病毒感染与检测虚拟仿真综合实验”、安徽医科大学的“肠道致病菌分离与鉴定虚拟实验”等。

目前，虚拟仿真教学在食品、农业等专业的微生物实验课程中具有一定的研究或应用，比如微生物数字切片系统、大型真菌虚拟3D模拟识别系统、细菌分子生物学分类鉴定仿真系统、根瘤菌发酵工艺仿真实验、真菌栽培工艺仿真实验、污水微生物处理工艺仿真实验等。虚拟仿真技术在微生物实验教学中的应用实现了可视化、形象化、立体化的教学，但也存在相关教学数据库不足、教师在制作教学数据库较传统、教学方法需要花费较多时间和精力、教学投入不够、共享性不强等问题。虚拟仿真实验在环境工程微生物实验教学中的研究与应用还处于起步阶段，具有广阔的研究和建设前景。开发和建设与实际教学密切契合的环境工程微生物实验虚拟仿真教学资源，可为环境工程微生物虚拟仿真实验教学实践奠定基础，促进传统实验教学与虚拟仿真实验的深入融合，激发学生的学习兴趣，扩展学生自主学习的选择空间。

三、“环境工程微生物学实验”虚拟仿真教学资源的建设内容构思

“环境工程微生物学实验”是桂林理工大学环境工程专业的重要专业核心必修课，课堂上的实验内容包括微生物的显微镜观察、微生物的染色、培养基的制备和灭菌、水中细菌总数的测定、水中大肠菌群数的测定、细菌的分离纯化、细菌生化特性的测定、综合实验等内容，本教学团队围绕实验教学全过程进行了教学改革研究与持续性改进[3，4]。依托水污染控制国家级实验教学示范中心，以及环境污染防治与生态保护虚拟仿真国家级实验教学中心的建设，教学团队改变传统实验观念，以“创新、协调、绿色、开放、共享”的科学发展理念为指导，在本课程虚拟仿真教学资源的建设方面开展了构思与探讨（见表1）。