环境微生物实验课程的网络虚拟实验室教学探讨

摘 要：随着网络技术的发展，使得虚拟实验室在环境微生物实验教学中的运用成为可能。本文重点介绍环境微生物实验存在的问题与虚拟实验室的发展现状、应用过程，讨论了环境微生物虚拟实验课程的发展趋势，并提出改进的建议和意见，以期为实验课程的网络化提供科学的依据和参考。

关键词：环境微生物 实验课程 虚拟实验室 教学

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2014）02（a）-0155-02

1 环境微生物实验课程存在的问题

环境微生物是一门实验性和探索性性很强的学科，主要研究微生物与环境及人类疾病的关系问题，是环境学科重要的基础课程[1]。而环境微生物学的实验是此课程的重要组成部分，它还是很多交叉学科的基础实验课程，已有很多专业领域都涉及微生物实验，如：微生物的基本形状、微生物的分离与培养、微生物代谢产物等最基本的实验技术需要在专业课的讲授和实验课中完成。环境微生物实验课程是环境类专业学生的一门实用技术[2]。但是在实际的微生物学实验在教学过程中也存在着一些问题，导致实验课的实际效果大打折扣，例如：实验内容简单陈旧，验证性实验过多缺乏设计性和创新性实验，学生在实验过程中缺乏主动性、趣味性等问题。一般传统环境微生物学实验时间安排不合理，为了教学的方便实验课时间安排一般较为紧密，每周一次或多次，每次两个或者四个学时，但是微生物的实验内容一般需要培养较长时间（少则一两天，多则一两周）的观察分析才能得到结果，例如：微生物的间歇培养，一直培养到微生物大批量死亡，同时绘制生长曲线，在一两天的时间内很难完成。

2 环境微生物实验网络虚拟实验室发展现状

环境微生物虚拟实验室能很好的解决微生物实际实验教学中出现的问题，虚拟实验课教学就是在网络页面中创建出一个可视化的高度仿真的实验操作环境，通过操作模拟实验仪器或设备，即可模拟进行各种复杂的实验，达到与真实实验环境相一致的教学要求和目的[3]。最为关键也最为困难的就是实验过程的操作，既要达到实验室的效果，又要允许学生出现实验室的可能错误操作。环境微生物实验课程的网络教学弥补实验室教学的缺点，可以与实验室教学同时开始，突破时空限制的特点，实现资源共享，已成为现代实验教学的重要手段，也是教育改革和发展的趋势。环境微生物实验网络教学具有开放性、灵活性、交互性、协同性、共享性、时效性、个性化服务等特点。为了充分利用网络教学优势，加快环境微生物学教学改革的进程，虚拟实验室教学成为微生物教学的重要手段。

3 微生物实验网络虚拟实验室平台的应用

随着信息技术和计算机网络技术的广泛应用和迅猛发展以及多媒体技术在环境微生物实验教学中应用的普及，网络虚拟教学的教学理念、教学方法和教学手段都发生了深刻的变化。

环境微生物学的教科书内容较繁多，为了加深学生的印象，环境微生物实验课的教学显得尤为重要，如何在有限的学时内达到最好的教学效果，是每一门课要解决的问题。在保留微生物实验教学所必需的操作技术的基础上，开设一些设计性、综合性和系统性的实验项目。虚拟实验室缓解以上的问题，将环境微生物实验教学环节放在真实实验之前，学生在上课前先做虚拟实验，了解实验教学的具体内容，并有足够的时间进行理论预习，同时还可以进行虚拟操作，并可以反复练习，提高了实验课程的教学效率。

虚拟实验室在模拟环境微生物的结构方面有独特的优势，譬如细菌形态观察实验，实际实验的教学方法是采用显微镜观察已经制作好的模式片，一方面占用大量的显微镜，需要在教学中投入大量的资金和资源购买显微镜；另一方面实验课结束之后，学生很难再有机会观察细菌形态，同时观察的清晰程度与学生的操作有很大关系。在环境微生物的虚拟实验室中就很好的解决细菌的形态观察问题。首先收集或制作各种细菌形态示范片，扫描拍摄典型的细菌形态，并以图片文件格式保存在虚拟实验室中，通过虚拟显微镜学生随时都可以观察。对于耗时间比较长的实验，可将细菌的生长过程拍成视频或者连续的照片或者视频，使很多天完成的实验，在很短的时间内就能观察到结果。

4 环境微生物实验课程网络教学过程

环境微生物学的特点，使其更适合实验操作的虚拟化操作，丰富了实验内容，提供了多方面的实验手段。虚拟实验突破了空间和时间的限制，改变了传统教学的方式，也改变了学生学习的方式。

环境微生物学的虚拟实验可以分为以下过程，实验目标的制定、预习实验、虚拟实验、现实试验、评估交流五个部分。（见图1）

4.1 环境微生物实验教学目标的制定

根据环境微生物教学实验大纲的要求制定环境微生物实验的教学目标，然后根据教学目标及具体课程的教学内容进行确定实验的内容，设计出切实可行的实验方案。方案的设计结合环境微生物的实际情况，由易到难，由验证性实验到综合实验，由简单到复杂，循序渐进的过程，使教学目标符合教学大纲的要求和学生的实际情况。

4.2 预习实验并确定虚拟实验方案

根据教学目标，了解实验的目的，理解和把握实验的基本原理和方法，明确实验所要测定的内容及操作步骤，更要明确试验的注意事项。根据目的和要求合理的设计实验方案，并结合实际环境情况适当的调整方案。

4.3 虚拟实验及实验报告

实验的预习已经充分把握实验的要点，在做真实实验之前，首先让学生进入虚拟实验阶段，仿真的环境让学生有身临其境的感觉，并做出虚拟实验结果。虚拟实验具有容错的特点，错误的操作出现错误的结果和现象，并把错误的操作导致的危害同时显示出来。虚拟实验中也有正确操作的视频供学生学习，以便在真实的试验中改正过来。在虚拟实验报告中不但要处理数据的结果，还要把出现错误的原因写上，并总结教训，列出改正的措施。一方面防止了真实实验中出现危险的错误操作；另一方面加深了学生的印象。

4.4 真实实验与实验报告

有了虚拟实验作基础，通过学生已经进行的虚拟实验，改进真实实验的操作步骤和实验方案，选择最佳方案和操作步骤。学生自己准备实验，从试剂的配置到仪器的使用，老师监督辅导，尤其注意与虚拟实验操作不同之处，如实的记录现实实验现象及数据。并撰写实验报告。整个过程中，如果有意外情况或者疑问随时与老师面对面的交流和沟通。实验结束后，将数据通过计算机计算处理，并进行总结。

4.5 实验的反馈与交流并做教学评估与环境评价

通过虚拟实验和真实实验，对于实验的目的和原理有了清楚的认识，两个实验的过程也是交流的过程，认真分析出现错误现象或者结果的原因，同时概括总结学生的建议和意见。同时改进虚拟实验的设计与操作，矫正其参数，对于设计性实验改进设计方案，进行优化组合，既要锻炼学生的动手能力，又要兼顾学生的兴趣爱好。同时进行实际的环境评价，针对不同微生物的种类和数量，评估其对环境的影响，让学生理论联系实际，更好的认识并了解环境。实验结束后对其进行总体评估，为进一步修正教学大纲做好前期的调研与准备。

5 环境微生物虚拟实验教学的发展趋势

5.1 有针对性的高仿真虚拟环境微生物实验

目前网络虚拟实验系统的设计与开发的技术基本成熟，而虚拟实验室往往针对某一个实验的较多，而针对复杂的系统相对开发较少，虚拟实验室需要更深入的研究并开发在复杂系统中（环境与微生物）各元素之间的相互作用与联动机制，使其更智能，仿真性更强。

5.2 重视课程人机交互界面的设计

为了提高学生的学习积极性与趣味性，虚拟实验室的设计充分发挥人机界面互动的全部功能，具有游戏的趣味性，又有虚拟实验室的知识性。既要操作方便，又要交互性强，学生能随意选择实验时间，并进行自主学习与实验。

f5.3 重视环境微生物虚拟实验室的共享

环境微生物实验室最大的特点是微观性和宏观性的结合，大尺度宏观的环境现象与微观的微生物种类有密切的关系。由于复杂系统虚拟实验室的设计复杂，导致其成本偏高，不同单位平台的共享避免了重复性的劳动和重复购买，资源共享，降低了教学的成本，有利于提高总体教学水平。同时，合作设计与研发也是资源共享的重要途径。

参考文献

[1]张松.微生物学网络课程的设计与开发[J].微生物学通报，2006（1）：176-180.

[2]朱旭芬，贾小明.充分调动学生的学习积极性，深化微生物学教学改革[J].微生物学通报，2007（1）：185-187.

[3]程红兵，张雄鹰，陈云霞，等.医学微生物学教学模式改革探索[J].山西医科大学学报：基础医学教育版，2010（7）：673-674.

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