虚拟仿真实验在微生物实验教学中的应用

金萍 邸佳妮

实验教学作为理论教学的补充，可以有效地培养学生的分析与解决问题的能力，实验教学的环境对于现代高等教育有着十分重要的意义[1]，是实践教学环节中的一大重要组成部分。由此看，实验教学势必要进行改革。新型的实验环境则将变为虚拟仿真的实验环境，虚拟仿真技术的环境将会取代原始的实验环境。新型的虚拟网络技术即将成为我国微生物实验教学改革的一大方向。新型的虚拟仿真环境打破了传统微生物实验教学的瓶颈。巧妙的提高了微生物实验教学的质量。食品微生物学实验是针对食品科学与工程和食品质量与安全专业，配合理论课开展的食品微生物学实验技术。课程主要培养了学生的微生物实验操作技术水平[2-4]。食品微生物学实验课程必不可少，因此食品微生物学的检测技术至关重要。经历了理论课程对于本科生来说是很抽象难懂的。因此，食品微生物学可以在加深理论课程的理解方面发挥作用。传统的基础实验课教学方法单调，难以调动学生的学习积极性。虚拟仿真实验是利用虚拟仿真技术在教学网络中的实验平台。借助虚拟仿真技术，虚拟仿真实验教学将视觉、听觉、触觉等感官虚拟实验环境融入到实验教学中[5]，使学生有身临其境的感觉。更重要的是，它不受实验场地和无菌操作实验条件的限制，适合实验资源缺乏的情况下使用。扩大实验教学内容的范围和深度，同时不受时间和空间的限制。虚拟技术可以为学习者提供一个交互的环境，学习者可以通过电脑的界面同环境进行交互，即从个人精神感受的层面“进入”环境。仿真主要是从原系统抽取的抽象模型，反映了系统的人机交互。整个虚拟仿真实验网络平台由服务器、教师客户端、学生客户端和网络数据库组成。其中，服务器是教师与学生的客户端中心。负责对教师和学生进行身份认证和信息传递，而教师和学生信息、实验室的信息等均储存在管理的信息库中。另外，教师客户端的主要任务是负责学生的信息以及实验信息的远程管理。

1 传统食品微生物学实验教学现状及弊端

1.1 环境与场地受限

食品微生物学[6]研究对象是肉眼看不见的，需要严格的无菌操作。随着高等学校扩招的同时也带来了一定的问题。比如实验的项目比较单一落后，已经严重妨碍了食品微生物学教学的发展。

1.2 学生主动性不高

以往的微生物实验教学方法主要先说明原则,然后再进行实验演示，而后学生自己动手操作实验。课后再撰写实验报告。这样的实验方法不够生动与直观，难以吸引学生的注意力；同时，由于课程分组时学生数量较多，不能保证每个学生都亲自进行实验。僵化的教学方法也会使学生失去兴趣。这只是模仿老师的做法。这种教学模式不利于学生思维能力和创新能力的培养。

1.3 不能保证无菌操作规范性

由于微生物很微小，用肉眼看不见的，食品微生物实验操作时应该确保在无菌条件下进行。如果染菌将会导致实验结果不准确，从而导致实验的失败。因此，微生物实验是一门非常实用的学科，有着独特的操作标准和要求。传统的食品微生物教学方法不容易激发学生的积极性，由于表达形式过于单一，因此学生不容易掌握与理解。此外，大多数微生物实验室操作要求无菌操作。对于微生物学新生来说，看不见的微生物作为操作对象，往往感觉很抽象。平板划线技术、斜面划线技术，以及无菌接种等实验操作手段都需要牢记操作要领并且要进行反复的训练才能掌握。否则只通过枯燥的图片和文字讲授不能直观的展现给学生。由于学生的视角和注意力集中程度不同，一次演示难以掌握所有的规范操作和动作要领。

2 虚拟仿真实验技术在食品微生物学实验中的应用优势

2.1 适应新时代办学要求

虚拟仿真实验教学[7]符合开放办学的要求，提高了人才培养的质量，为大学生的开展创新实验提供了一个合适的平台。针对传统的微生物实践教学当中出现过的问题，如一些致病菌检测等实验项目在现实中开展时存在一定的人身安全，这时候就需要将虚拟仿真实验带入到学生课堂中并且与传统实验的融合，两者结合后能够很好地解决食品微生物教学存在的问题。

2.2 丰富教学表现形式

虚拟仿真实验教学系统是以三维动画[8]的形式把实验课本应所讲授的内容用直观生动地动画实验展现给学生。展现形象生动的实验环境，利用此种方法可以进一步激发学生的热情。大学生们可以通过各种感觉来感知知识。学生在玩中学，传统的实验教学方法跟不上时代的脚步，并且在教学过程中存在的诸多问题也大大的限制了教学水平的提高。利用多媒体虚拟仿真技术对教学的方法和内容进行改革，可以满足高水平创新型人才的培养的要求。同传统的教学模式相比，虚拟仿真技术在教学的模式上有很大的不同。可以通过音频、视频、图像等多媒体技术在课堂上具体、直观地呈现教学内容。师生互动性增强，吸收知识的难度降低，促进了师生之间的教学互动，激发了学生对自主实验的兴趣，取得了良好的效果。

2.3 降低实验危险性

由于微生物实验教学生物安全等因素的限制，有很多重要的实验比较难以开展，比如某些致病菌的检测等不适合教学环境实验室大规模操作和培养[9]，如沙门氏菌、致病性大肠杆菌、炭疽杆菌、结核菌、布氏杆菌等。通过直观的虚拟仿真实验，可以远离这些致病菌的威胁，对这些致病菌有更直观的了解和更深刻的认识。同时，与传统的教学方法相比，虚拟仿真技术让实验课堂具有非常好的可延续性，可以与生产实践相结合，并且安全性高，提高了学生解决实际问题的能力。

2.4 安全性高，时间和物品消耗少

在做微生物实验时，由于生物安全的问题有可能会遇到危险。例如在做微生物实验时，有可能由于误操作而导致细菌感染等，以上出现的这几种情况，在虚拟仿真的实验时这些情况在虚拟实验环境当中，上课的学生们是在虚拟仿真的网络上进行实验操作的。所以避免了微生物感染等危险情况的发生。同时，虚拟仿真实验也使一次性实验品的消耗大大减少。学生在进行传统的实验操作时，一次性实验品的消耗是必须的[10]，选择虚拟仿真实验平台则没有实验用品的消耗。同时虚拟仿真实验平台还节省了大量准备实验的时间[11]，例如微生物实验课的培养基需要花长时间去配制并灭菌，而且存放培养基的温度和时间都要有所控制，而如果学生做微生物学虚拟实验的时候则不需要准备很多容易坏掉的而且量很大的培养基等实验物品。既节省了时间，又节约了经费。

3 虚拟仿真实验教学在食品微生物学教学中应用的可行性

3.1 虚拟仿真实验教学的原理

虚拟仿真实验教学是基于虚拟现实、人机交互、多媒体、数据库和网络通信技术，构建一个高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，通过用户的视觉、听觉和触觉效果，使用户进入实时的虚拟实验环境，使学生实现实时的实验室，而无需或难以实现教学功能。这种教学环境增强了实验课堂的有趣性，更加吸引学生的兴趣。虚拟仿真技术通过视频与音频的方法，将实践课堂上的知识点更加生动的展示出来。各个元素直观具体地呈现于课堂上，会给学生全新的体验感，用以增强了实验教学的效果。

3.2 应用虚拟仿真技术实现资源整合和共享

虚拟仿真实验技术软件可有效地合并教学资源。构建了多种教学资源共享平台，形成了绿色实验教学模式。传统的实验教学是教师讲授为主体的教学方法，而学生只是被动地接受知识。而虚拟仿真技术却是能够变成以学生为主体实现知识的传递。有效激发了学生的兴趣，提高了教学质量。近年来，面对教育国际形势的变化，教育部也逐渐重视并鼓励开展虚拟仿真实验共享平台建设，用以充分调查虚拟仿真实验教学在食品微生物实验教学中应用的可行性和必要性[12-14]。

3.3 虚拟仿真实验平台的模块及其功能

微生物学实验的教学效果主要通过教师、学生及系统自动测评3 大模块体现。这些模块相互独立。且还是本科生学习和训练的主要的技术环节。微生物实验主要为微生物观察，无菌操作和无菌分离技术，这些技术都在生物类学科中占据着重要的作用。因此，微生物学实验的教学效果在培养学生微生物操作技能具有重要的作用。因为口头讲解比较枯燥，无法调动起学生的积极性，学生的学习效率低。限制了教学的效果[15]。

3.4 依托虚拟仿真技术建立创新式实验教学体系

利用虚拟仿真的实验技术教育高校学生已经成为未来发展的方向，因为传统的微生物实验教学方法存在枯燥，安全等方面的缺点。已经无法顺应时代的发展。虚拟仿真可以利用多种技术完成操作实验项目，这是传统的微生物实验教学中无法比拟的。从以往基于教师操作和学生模仿的实验教学体系，逐渐演变为基于学生主动思维和操作的设计性、综合性的实验教学体系。依托虚拟仿真系统，学生可以积极发挥主观能动性和思维创新能力，为医学院校培养创新型人才奠定基础。

4 结语

综上所述，虚拟仿真实验教学课程的研究与开发，有利于食品微生物学实验教学的发展。除了按照实验教学的要求精心设计课程结构外，还要注意网络环境的真实性，选择合适的多媒体材料进行编辑、组织和压缩，充分利用声像等载体，提高教学效果，增加学生在虚拟实验中的体验。现在信息技术越来越成熟，在教学环节中应用信息技术将会产生良好的效果。随着实验技术的发展，虚拟仿真实验教学平台的构建突破了传统教学方法的一些弊端，满足了学生进行微生物实验的各种条件。虚拟仿真实验教学平台使学生成为教学过程中的主体，实验教学作为理论教学的延伸具有广阔的前景。通过对通过对食品微生物学教学的研究和创新，可以看到虚拟仿真软件的重要性。通过开发一套具有可操作性的虚拟模拟软体，实现教学实践与信息技术的有机结合。伴随着虚拟仿真教学项目的开展，大大提高了学生的分析能力，同时也减轻了教师的工作量。重要的是提高了学生的动手实践能力，也将传统的教学模式推向信息技术的转变方向。