虚拟仿真技术在微生物学教学中的应用与探索

2024-05-09袁海彬岳恒

大学·教学与教育 2024年1期

袁海彬岳恒

摘要：近年来，虚拟仿真技术因具有操作性强、可视化程度高以及高效便捷等特点，逐渐被引入微生物学教学中。文章旨在探讨虚拟仿真技术在微生物学教学中的应用与效果。首先，介绍了虚拟仿真技术的基本概念以及应用于微生物学教学的发展前景。其次，讨论了虚拟仿真技术在微生物学教学中的优势，包括实验安全性、可重复性以及提高学习效率等。最后，总结了目前的应用研究现状及未来发展的可能性，并提出了一些建议，以期实现虚拟仿真技术在微生物学教学中的有效应用。

关键词：虚拟仿真；微生物学；教学方式；模拟实验

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1673-7164（2024）02-0055-04

微生物学是高等院校生物类专业必开的一门重要基础课或专业基础课，也是现代高新生物技术的理论与技术基础，在医学、环境、农业等领域有着广泛的应用。微生物学的教学内容涉及各种话题，如微生物结构、代谢、过程等，对学生的理解能力有着很高的要求［1］。传统的微生物学教学模式主要以课堂讲授为主，对学生的理解和认知能力有很高的要求，其教学效果和反馈普遍偏低。

近年来，随着计算机和信息技术的快速发展以及高等教育日益增长的需求，微生物学的传统教学方法逐渐被更先进的技术所取代。虚拟仿真教学是指通过计算机仿真技术为学习者提供实时、可视化、交互性的实践学习环境，使学习者能够在虚拟环境中自主学习，从而达到学习的目的［2］。虚拟仿真教学具有显著的特点，如模拟真实、交互性强、提高学习兴趣和节约时间等。基于微生物学的课程内容特点和虚拟仿真技术的优势，将虚拟仿真技术运用在微生物学的教学过程中，将有效提高课程的教学效果。本研究主要论述了虚拟仿真技术的特点及其在微生物学教学中的应用优势，并对今后的发展和提升方向做了展望，以期推动该技术在微生物学教学中的应用规模和水平。

一、微生物学的特点及重要性

微生物学是现代科学体系中的一门重要的学科，微生物——一类极小的有机生物，是其研究对象，它们可以是可见的，也可以是不可见的。基因工程、细胞工程、酶工程及发酵工程是在微生物学原理与技术基础上形成和发展起来的，微生物学也是高等农林院校生物类专业发展及农林业现代化的重要基石之一。随着生物技术的广泛应用，微生物学对现代与未来人类的生产活动及生活必将产生巨大影响。微生物学课程是以探讨微生物的结构、特性、功能、进化和环境关系为主要内容的学科，旨在培养学生对微生物的研究方法和实验室技能［3］。微生物学课程的主要内容包括微生物的结构、功能和环境关系；微生物的进化；微生物的类群特征；微生物的分类学；微生物的生物特性（如生长、代谢、细菌分离、营养特性、抗性和死亡）；实验室技能（如培养技术、分子技术和分析技术）；微生物的生态学、免疫学和病理学及其他微生物学方面的研究。由于课程内容涉及许多不同的技术，如细菌、病毒、真菌、有机体和酵母的分离和鉴定；细胞内激素的检测和定量；分子生物学技术，如PCR、质粒克隆、DNA测序；微生物的抗药性检测、生物合成等，因此学生可以掌握一系列实验技能，并且将这些技能运用到其他研究领域中。

微生物學课程还可以培养学生的创新思维，让学生能够更好地理解和分析微生物研究的一些关键问题。学生还能熟练运用各种研究方法，并且可以分析和解答一些问题，比如新药物的研发，微生物的营养和环境关系，以及病原微生物的诊断和防控等。因此，微生物学课程既可以让学生深入了解微生物，掌握多种实验技能，又可以培养学生的创新思维，提高学生的研究能力，是一门非常有趣和重要的课程。

二、传统教学法在微生物学教学中的不足

微生物学作为一门关乎着人类生命健康和疾病发生发展的重要学科，其学习理论知识和实践操作对学生的学习尤为重要。传统的教学法是一种以“老师为中心”的传授式的教学方式，教师是教学中的核心，而学生只需要接受和记忆［4］。传统的教学法在微生物学教学中存在一定的局限性。首先，传统的教学法只重视学生的学习，而不重视学生的实践能力的培养。在微生物学中，实验是学习的核心，实验是检验学生对理论知识的掌握水平并加深学生对知识的理解和记忆的有效办法。但是传统的教学法只注重学生的学习理论知识，而不重视培养学生的实验操作能力，使学生在实验操作过程中无法灵活应用理论知识。其次，传统教学法强调学生“记忆”，而不注重学生的“理解”。微生物学是一门复杂而深刻的学科，学习和理解知识更在于学生怎样去理解和掌握，而不是单纯地记忆。然而传统的教学法只注重学生的记忆，而不重视学生的理解，学生在记忆后，很难真正理解知识，只是面面俱到，而无法真正掌握知识。传统的教学法也忽视了学生的主体性，学生在学习中没有发挥自己的创造性，缺乏主动性和积极性。微生物学的学习是一个持续不断的过程，需要学生不断地发现未知，开展创新性研究，深入探索微生物学的知识。但是传统的教学法只注重师生的传授，学生只是接受者，缺乏发掘知识、倡导创新的主动性。总之，传统教学法在微生物学教学中存在许多缺陷，应该采用更先进的教学方法，丰富教学内容，创新教学模式，提升教学质量，加强微生物学教学。

三、虚拟仿真技术的概念

虚拟仿真技术是近年来发展迅速的一种新技术，是现代多媒体技术的重要组成部分，广泛应用于军事、工业生产、科学研究、医疗、教育等领域［5］。虚拟仿真技术借助计算机软件系统，通过虚拟现实的方式，在计算机模拟环境中模拟实物的行为，实现对实物的可视化仿真。通过模拟物体的实际物理环境和操作过程，使用户在不直接接触物体的情况下体验真实环境和操作过程，从而提高教学的安全性和效率。虚拟仿真技术可以创建更加真实的环境和模型，使学习者能够更好地体验、理解真实世界的规律，可以大大提高人类对真实世界的理解能力，为社会发展和科技进步提供重要支持。在科学研究领域，虚拟仿真技术可以用于模拟实验，从而获得更加准确、可靠的实验结果，提高科学研究的效率。在教学科研中，虚拟仿真技术可以帮助学生更好地理解和掌握所学知识，使学习者更加深入地理解和掌握所学知识，提高学习效率。例如在化学课上，学生可以通过虚拟实验来模拟实验过程，从而加深对化学知识的理解和认识。在机械工程学科中，学生可以通过虚拟仿真技术，对机械结构、机械原理等进行可视化仿真，更加深入地理解机械系统的运行机理。此外，虚拟仿真技术还可以用于科学研究中，例如，可以通过虚拟仿真技术，对物理、化学、生物等实验进行可视化模拟，更快、更准确地获得实验结果，提高研究的效率。因为虚拟仿真技术的特点明显，目前已在各高校教学实践中得到广泛应用。

四、虚拟仿真技术在微生物学教学中的优势

虚拟仿真技术在微生物学教学中具有重要的优势，这一技术的应用可以改善微生物学教学的效果，提高学生的学习成果［6］。相比传统的微生物学教学，虚拟仿真技术在微生物学教学中具有诸多优势：首先，虚拟仿真技术可以让学生更容易理解微生物学中的概念和理论。在学习微生物学时，学生可以通过虚拟仿真技术，实时体验真实环境下的微生物活动，观察微生物的形态、结构和活动，对微生物学的知识有更深刻的理解，更容易地掌握微生物学中的概念和理论。其次，虚拟仿真技术可以增强教学的实践性。通过虚拟仿真技术，教师可以设计各种各样的实验，让学生亲身实践，从而更好地掌握微生物学知识，提高学习效率。在实验中，学生可以观察微生物的形态及生长发育过程，也可以研究不同环境下微生物的变化，比如温度、pH值等，增强对微生物学理论的理解。再次，虚拟仿真技术可以有效降低学生在微生物学实验中的安全风险。微生物学实验室的设备设施相对较复杂，学生在实驗过程中可能会遇到一些安全问题，虚拟仿真技术可以有效规避这种风险，让学生在安全的情况下接触微生物学实验，从而增强学生进行实验操作的安全性。虚拟仿真技术可以提高微生物学教学的效率。相比传统的微生物学教学，虚拟仿真技术可以大幅缩短学习时间，减少教学资源的消耗，提高微生物学教学的效率。虚拟仿真技术还可以帮助教师提高教学质量，使得教学更加科学有效。最后，虚拟仿真技术可以和其他新型技术结合，提高学生的学习兴趣。学生在学习微生物学的过程中，可以通过虚拟仿真技术和其他新型技术比如增强现实技术（AR），美化实验环境，让学生在轻松的氛围中学习，使学生更容易产生学习兴趣，从而提升学生的学习成果。

五、虚拟仿真技术在微生物学教学中的应用

近年来，虚拟模拟技术逐渐被引入微生物教学领域，在微生物学教学中的应用取得了显著的进步。微生物学是一门复杂的学科，传统的教学方法难以有效地理解微生物的细微结构和生物过程，因此，虚拟仿真技术被认为是一种有效的教学方法，可以加深学生对这门学科的理解。虚拟仿真技术的应用面包括虚拟实验、虚拟仿真实验和虚拟教学。首先，虚拟仿真技术可以模拟真实的实验环境。传统的微生物学实验需要操作者具备一定的技能，虚拟仿真可以模拟实验环境，使学生得以更深入地理解实验过程，更容易掌握实验技巧，更好地掌握实验技术。其次，虚拟仿真技术可以节省大量的实验成本。在传统的微生物学实验中，操作者需要准备大量的实验室设备，如显微镜、移液器、摇床等，而虚拟仿真则可以在没有任何实验室设备的情况下完成实验，从而节约大量实验成本。此外，虚拟仿真技术可以使学生更加轻松地完成实验。传统的实验需要大量的操作细节，虚拟实验技术可以大大简化操作流程，使学生更容易完成实验，更容易理解实验原理。最后，虚拟仿真技术可以提高学生的参与度。传统的实验环境中，学生只能在实验室内进行实验，虚拟仿真技术可以让学生在家里完成实验，无需到实验室，从而提高学生参与度。李亚琳等人分析了现代计算机模拟技术融入生物实验教学的必要性，并认为这种新型的现代化信息教育改革模式将为高校生物专业发展提供有利可行的实践探索经验［7］。

徐艳阳等人认为虚拟仿真技术辅助食品微生物学实验教学，有利于提高学生学习兴趣、丰富实验教学内容，锻炼学生综合实验能力［8］。孙彦婷等人将虚拟仿真技术应用于兽医微生物学实验教学，证实该技术能最大限度地延长时间和拓展空间，丰富实验教学资源，充分调动培养学生的学习兴趣和创新意识，降低高危病原的实验风险，提升实验教学质量和效果［9］。

虚拟仿真技术在微生物学教学中的应用，为学生理解微生物学提供了更加有效的方法，有助于提高实验效率和精确性，增强学生对微生物学的理解，为微生物学的发展和教学提供了有益的支持。

六、未来改进的方向

虚拟仿真技术在微生物学教学中的应用越来越受到学术界的重视，其不仅能有效提升学生学习的效率，而且能够增强学生的理解能力和技能应用能力，从而提高学生的学习技能。在当今社会，虚拟仿真技术在微生物学教学中的应用可以说是一个重要趋势，但是也存在一些改进的方向和措施。首先，虚拟仿真技术在微生物学教学中应用的技术水平尚需改进。尽管许多虚拟仿真技术已经可以模拟微生物学实验，但是这些技术仍然有很多缺陷，例如它们不能提供足够真实的情景，不能模拟微生物学实验的复杂性，也无法准确地反映微生物学实验的结果。因此，为了更好地提升虚拟仿真技术在微生物学教学中的应用水平，研究者应该努力改进虚拟仿真技术本身，使其更加真实，更加精准，使学生能够更好地理解实验结果。其次，虚拟仿真技术在微生物学教学中的应用还需要改进教学方法。虚拟仿真技术可以有效模拟微生物学实验，但是为了使学生们能够将这种技术应用到实际的微生物学实验中，教师们需要结合实际的教学环境，提供有效的指导，以帮助学生更好地理解和使用虚拟仿真技术。此外，虚拟仿真技术在微生物学教学中的应用还应该提供更多的支持和服务。目前，虚拟仿真技术在微生物学教学中的应用缺乏有效的支持和服务，例如在教学过程中学生遇到问题时，教师很难及时给予有效指导和帮助，降低了学生的学习效率。因此，未来的虚拟仿真技术应该提供更多的支持和服务，从而有效地提高学生的学习效率。最后，需要完善相关的教学评价制度。由于虚拟仿真与传统教学法在教学方式上存在较大差异，必须建立一套科学合理的评价体系，以评估虚拟仿真教学的有效性，并做出相应的改进。

七、结语

作为现代科学的重要组成部分，微生物学广泛影响医药健康、工农业、生态环保等领域。虚拟仿真技术应用于微生物学方面具有许多优势，如提高教学效率，增强学生学习体验，改善教学质量等。在未来，随着计算机与信息技术的持续发展，虚拟仿真技术在微生物学教学方面的应用将越来越广泛。为了进一步提高虚拟仿真教学的质量和效率，有必要加强虚拟仿真教学环境的建设，提高教学质量，完善教学评价体系。

参考文献：

［1］孙红艳. 微生物学虚拟仿真实验平台建设策略分析［J］. 现代盐化工，2022，49（02）：109-110.

［2］刘丽莉，吴彤，肖枫，等. 虚拟仿真技术在“食品工艺学”实验教学中的应用［J］. 农产品加工，2022（23）：106-9+13.

［3］刘双江，施文元，赵国屏. 中国微生物组计划：机遇与挑战［J］. 中国科学院院刊，2017，32（03）：241-250.

［4］何进，唐清，陈雯莉，等. 基于创新能力培养的“微生物学”研究型教学模式探索［J］. 微生物学通报，2018，45（03）：635-641.

［5］李翠超，凌芳. 虚实结合的虚拟仿真技术在工程训练中的应用［J］. 实验室科学，2015，18（02）：128-131.

［6］李娜，盛雪茹，张健，等. 虚拟仿真技术在轻化工程专业实验教学中的应用［J］. 黑龙江造纸，2022，50（04）：49-54+7.

［7］李亚琳，李丹. 虚拟仿真技术在生物实验教学中的应用［J］. 大众科技，2022，24（10）：152-155.

［8］徐艳阳，李薇茹，王雪松. 虚拟仿真技术辅助“食品微生物学”实验教学研究［J］. 教育教学论坛，2021（46）：125-128.

［9］孙彦婷，包文奇，邢召，等. 基于虚拟仿真技术的兽医微生物学实验教学改革［J］. 畜牧与饲料科学，2019，40（10）：98-101.

（荐稿人：陈臣，上海应用技术大学教授）

（责任编辑：邹宇铭）