基于虚拟仿真教学模式的“微生物学实验”课程教学改革探索

国 辉 金 一 李志茹 张柏林

(北京林业大学生物科学与技术学院，北京 100083)

“微生物学实验”是一门非常重要的生物学专业基础课程。微生物学是研究微生物在一定条件下的形态结构、生理生化、遗传变异以及微生物进化、分类、生态等规律及其应用的学科。微生物学实验技术和方法是微生物学建立和发展的基础，随着分子生物学的诞生及其技术的应用，各学科交叉渗透，丰富了微生物学实验技术的内容，并将其推向新的发展阶段。“微生物学实验”课程是培养学生创新能力和实践能力的必要手段，对微生物学理论知识的巩固和加深具有重要意义。

在我国多数高等院校中，“微生物学实验”课程是生物科学、生物技术、环境科学、草业科学等多个专业的一门重要的必修课程或选修课程，通过对微生物相关实验技术的掌握，使得学生更好地理解书本上学到的理论知识，并将所掌握的知识更好地融会贯通。随着多媒体技术的发展和网络应用的普及，虚拟仿真教学作为一种现代化教学模式，被越来越多的应用到实验课程教学中，并获得了良好的教学效果。北京林业大学生物科学与技术学院微生物学教研室以目前国家“微生物学”精品课程为基础，结合林业院校的专业特色，为不同专业(生物科学、生物技术及食品科学等专业)的学生讲授“微生物学实验”课程。笔者以此为例，根据当下“微生物学实验”课程面临的主要问题，结合新冠肺炎疫情防控常态化的相关要求，探讨在该课程教学中引入虚拟仿真教学模式，开展虚实结合的课程教学改革问题。

一、“微生物学实验”课程教学面临的问题

北京林业大学生物科学与技术学院开设的“微生物学实验”课程共有32学时，主要的实验内容有：典型微生物的形态观察、培养基的制备，环境微生物分离、培养和鉴定，微生物的大小和计数测定以及菌种保藏等。该课程采用的教学模式和流程如下。①课前，学生通过雨课堂在线获得教学课件，撰写预习报告。②课上，教师对该课程涉及的知识点进行讲解，并示范实验操作，然后学生进行实验操作，教师在学生操作过程中予以检查和指导；学生当堂完成实验报告的撰写并上交。③课后，教师根据学生课上的表现和实验报告的撰写情况给出学习成绩。这种教学模式虽然经过多年摸索已较为成熟，但也逐渐显露出一些问题。

首先，学生课前虽然通过雨课堂等在线方式对“微生物学实验”课程所涉及知识点有所认识，但对比较抽象的知识掌握还不够系统。由于缺乏虚拟仿真手段的辅助，有些知识不便于学生提前进行较为直观的理解，只能在较短的课上时间去见识和接触实物。

其次，虽然“微生物学实验”课程在固定的实验教室进行小班(15～25人/班)教学，但由于受课堂地点、空间和教室条件的限制，授课教师很难实现实验操作过程中一对一多维度的展示，不同位置的学生存在观察视角的限制和差异，无法做到全方位的获得。

最后，受“微生物学实验”课程时间和地点的限制，实验操作的相关内容很难拓展，对于实验内容不同而存在内在关联的知识很难从整体层面进行逻辑联系和贯通，学生学习到的实验技术相对比较零散、独立，缺乏知识点之间的连贯性，不利于学生对“微生物学实验”课程的总体学习和理解，也不利于学生对具体微生物实验技术的掌握和应用。

随着虚拟仿真教学模式的发展和进步，上述这些问题都可以通过相关技术手段得到弥补和解决，因此基于虚拟仿真教学模式的“微生物学实验”课程教学改革逐渐成为本领域的热点问题。

二、基于虚拟仿真教学模式的“微生物学实验”课程教学改革的思路

虚拟仿真教学是在多媒体、虚拟现实、人机交互、网络和通信等技术不断发展的基础上，将传统教学模式与仿真技术、虚拟现实等技术相结合而产生的高层次的仿真教学手段，具有沉浸性、交互性、虚幻性和逼真性的特点[1]。基于“微生物学实验”课程所面临的问题，笔者将虚拟仿真教学引入到该课程教学中。

“微生物学实验”课程沿用传统微生物教学的基本内容，在此基础上加强该课程内容与其他课程内容之间的关联性，以扩展知识面。同时借助目前学校及学院的虚拟仿真平台，构建了“多媒体+虚拟仿真+课堂训练”的“微生物学实验”课程教学模式，具体思路见图1。

图1 “微生物学实验”课程教学改革的思路

首先，利用在线教学资源，开展“微生物学实验”课程教学活动。教师除将该课程简介、内容、课外拓展知识点等文本教学资源上传至线上教学平台外，还补充上传相关的微视频资源，帮助学生在课前预习消化，并完成知识的拓展。对于该课程的难点、重点及抽象内容，学生可通过反复观看视频以强化对知识的理解。

其次，建构微生物学虚拟仿真实验平台。参考学校已有课程的虚拟仿真实验平台，对“微生物学实验”课程涉及的微生物学实验构建一个高度仿真的虚拟实验环境，让学生提前模拟实验操作，将分散的实验内容串联起来，形成完整的实验体系。例如，学生可以完整地从土壤中分离获得一株纯菌，可在虚拟仿真实验平台上进行具体规范操作，包括培养基的配置、超净工作台无菌操作、菌种的分离、纯化及保藏等。这样可以拓展学生学习的时间和空间，让学生无需进入实验室就可以在线模拟实验操作，并不断反复巩固知识。

最后，提高课堂训练的效率和效果。结合课前在线教学资源和虚拟仿真实验平台内容，“微生物学实验”课程课堂训练变得更有针对性，学生针对预习模拟操作过程中的重点和难点问题，认真听取教师的指导，并在实际操作过程中反复训练，更有利于学生对所学知识的理解、掌握和应用，真正实现“习得”，提高学生综合创新和实践的能力。

三、基于虚拟仿真教学模式的“微生物学实验”课程教学改革的措施

随着北京林业大学教学软硬件条件的不断升级和完善、信息技术(云平台)的快速发展、电子设备的低成本化和大众化，基于虚拟仿真教学模式的“微生物学实验”课程改革时机已经成熟，具备了较高的可行性和较好的可操作性。笔者在分析“微生物学实验”课程面临问题的基础上，提出了引入虚拟仿真教学的教改思路，具体从提升教学硬件设备、丰富软件资源、多维度培育综合化人才、全面开展实验考核4个方面进行了改革，旨在拓展学生的视野，提高学生综合实验操作能力，见图2。

图2 “微生物学实验”课程教学改革内容

(一)补充和更新教学设备

近几年，随着北京林业大学对本科教学质量及教学条件的重视，教务处对本科生实践教学的硬件设施进行了补充，使微生物学本科教学实验室部分基础设备得到了更新，这为后期虚拟仿真教学平台的构建奠定了基础。教师的授课电脑更换新机型后，使操作更方便，能快速将在线三维教学资源展示给学生；显微镜的更换，保证了典型微生物形态观察、微生物显微技术和大小测定的精准化和高效化。随着信息技术的不断发展，教师和学生自身配置的电脑和手机兼容性越来越好，更保证了课前、课后在线数字资源的共享以及学生亲自在虚拟仿真实验平台上的模拟操作。

(二)优化在线教学资源

传统实验教学的资源是通过雨课堂、课堂派等方式上传基础课件的[2]。北京林业大学微生物教学研究室整合面向学校各学院开设的几门微生物学(含实验)课程，建立了以信息技术为支撑的微生物系列课程[3]，录制了在线精品课程，并且每章节设置题目让学生通过在线课程开展有针对性和自主性的个性化学习。在此基础上，“微生物学实验”课程组利用已有的在线资源，不断丰富、完善和优化新的数字资源，将与“微生物学实验”相关的、近几年发表在《Science》《Nature》《Cell》等国际顶尖杂志的覆盖林业领域不同研究方向的最新前沿动态和微生物分支学科(如林业微生物、食品微生物、环境微生物等)的发展动态扩充到在线资源系统中，同时将高质量的教学操作视频和实验技术视频资料上传至该平台供学生查找、阅读和观看。另外，还补充了不同专业相对应的微生物学内容和实际应用案例，同时完善了在线平台的课后答疑功能，使学生能够针对课上学习内容向教师一对一提出问题，并得到及时答复。

(三)实现实验内容的多维度交叉融合

在教学设备和在线信息资源升级的基础上，“微生物学实验”课程组探索建立了软硬件充分结合、信息化较为完备、资源化充分共享的虚拟仿真教学平台，使得学生在课前就可以身临其境地开展在线模拟实验[4-6]。比如，“倒固体培养基平板”实验需要学生在固体培养基上开展不连续划线、试管斜面等接种，并掌握油镜的使用操作方法。即便是这些最基本最简单的实验操作，对初学者来讲只能凭空去想象理解，所谓“百闻不如一见，百见不如动手一遍”，学生缺少感性认识，到课上实际操作时就会出现很多问题。

因此，在“微生物学实验”课程教学中，把虚拟仿真教学平台嵌入基本实验技术和综合实验设计2个模块中，方便不同程度的学生选择使用。每一个基本操作是一个操作模块，操作模块赋予了试剂仪器的选取和具体实验步骤。如果学生对某一技术不熟练，就可以在线反复练习掌握基本实验操作技能。基本实验技术模块主要是传统微生物实验课程涉及的主要内容；综合实验设计模块是对基本实验技术的整合与延伸，内容可以包括纤维素降解菌的分离及鉴定、16S rDNA序列系统发育进化树构建、蛹虫草活性成分的分离与测定、林木根际微生物多样性的检测与分析、森林保护微生物的开发与利用等。综合实验设计周期较长，取样点不好选取，实验成本较高，但在虚拟仿真教学平台上可以突破时间、地点和经费等的限制。学生通过在线虚拟操作可以将孤立知识点串联起来，实现内容的多维度交叉融合，在巩固基础知识的同时，综合提升学生的实践技能和创新思维。

(四)强化实验过程的考核

在传统“微生物学实验”课程教学中，该课程的考核成绩由实验报告(50%)、卷面考试(30%)和实验汇报(20%)构成，不利于学生综合实践能力的提升。因此，笔者对该课程的考核方式进行了调整，强化了实验过程的考核，该课程的考核成绩包括在线操作情况(10%)、实验报告完成情况(40%)、课上实验操作情况(30%)以及课后平台反馈情况(20%)。在线操作情况的考核主要考察学生课前预习和针对基本实验操作的练习情况，在完成该部分内容的同时书写实验预习报告；实验报告完成情况考核主要考察学生对实验过程的了解程度、对实验中主要问题的解决能力和实验数据的准确性；课上实验操作考核主要通过对实验内容抽签的方式一对一考核，保证学生能够掌握该课程主要技术，动手能力有较大提高；课后平台反馈情况考核主要包括学生在线完成课后思考题的情况，以及教师对该课程教学环节的设计和对教学内容的讲解情况的反馈建议。

四、基于虚拟仿真教学模式的“微生物学实验”课程教学改革的效果

“微生物学实验”课程“多媒体+虚拟仿真+课堂训练”多元结合的教学模式不仅有利于学生系统地掌握该课程的知识，而且还提高了教学的质量和效率。

(一)促进了专业知识与信息技术的有效结合

“微生物学实验”课程的专业知识内容广泛且丰富，涉及教科书、文献、视频等资料。该课程通过虚拟仿真教学模式，将大量的资料集中化、在线化、信息化，不仅有利于选择该课程的学生即时、方便地观看视频、查阅资料，而且也可以根据学生自身学习需求获得相关的知识点，极大地丰富了学生的学习内容，是对教师课堂教学的有效补充和完善。

(二)促进了教学效率和质量的提高

基于虚拟仿真教学模式的“微生物学实验”课程教学使学生在课上课下随时都可以通过教学客户端对该课程进行预习、复习，大大提升了教学效率。同时，互动的模式、多维的教学体验、综合化的实验设计、多元的知识建构、前沿的技术进展充分调动了学生学习的积极性，学生积极主动地打开在线平台探索、了解和学习课程相关知识，培养自己的技术技能，促进了教学质量的提高。

(三)促进了课堂操作与虚拟教学的有机结合

“微生物学实验”课程课堂操作环节仍是课程的主体部分，学生在操作过程中经常遇到很多干扰因素或异常情况，比如微生物细胞染色时间过长或过短、无菌操作控制不好出现杂菌污染等，为切实反映实验的复杂性，增加学生利用所学知识处理实际问题的机会，培养学生的团队配合意识，课堂实验操作必不可少。但虚拟仿真教学的即时性、可重复性、对教学环境的低依赖性等特点又充分弥补了课堂教学的不足。因此，在满足新冠肺炎疫情防控常态化的前提要求下，“微生物学实验”课程仍要以现实中的实践教学和动手操作为核心，只有二者有机结合、互补互促，才能实现“1+1>2”的效果。

资助项目：北京林业大学2019年教学改革项目“信息技术支撑的林业特色微生物学系列课程教学改革与探索”，项目编号BJFU2019JY042。