多媒体虚拟仿真教学法在微生物学实验中应用

陈容容, 孙益顶, 魏东盛, 牛淑敏, 张金红, 刘 方

(南开大学 a. 生物实验教学中心微生物实验室； b. 物理基础实验教学中心， 天津 300071)



多媒体虚拟仿真教学法在微生物学实验中应用

陈容容a, 孙益顶b, 魏东盛a, 牛淑敏a, 张金红a, 刘 方a

(南开大学 a. 生物实验教学中心微生物实验室； b. 物理基础实验教学中心， 天津 300071)

传统教学模式在实验教学中具有表现形式单一、过程控制力不够、学生积极性不高等问题。引入多媒体、虚拟仿真现代教学方式能够更加生动、形象、直观地将实验技能教授给学生，尤其是对于操作肉眼不可见的微生物相关实验技能，可很好地解决以往常出现的学生操作动作不规范、师生互动较少以及课堂教学内容有限等问题，明显提高课堂教学效果和质量。

多媒体教学法; 微生物学; 虚拟仿真实验; 显微互动

0 引 言

微生物学实验是本科生学习和训练微生物学实验技术的最基本环节，其中涉及到的微生物观察、无菌操作、纯种分离等独特的实验技术和方法已成为生物类学科的基本技术和手段，在生命科学实验研究中占据着突出的位置[1]，因此，微生物学实验的教学效果在培养学生基本实验操作能力方面具有举足轻重的作用。传统的微生物实验教学主要采用教师口头讲解实验原理和方法、学生动手训练过程中教师辅助指导的模式，这种传统的模式缺乏生动性、直观性和互动性，又受到时间、空间及条件的限制，难以调动学生的积极性，课堂指导效率较低，不利于培养学生的实验技能和创新能力，限制了教学效果的提高[2]。

随着计算机技术的发展，我国的教育模式在不断变革，越来越多的信息化技术被应用到实验教学中，利用先进的多媒体、虚拟仿真及网络通讯技术的现代化教育模式已成为我国教育发展的方向[3-4]。南开大学微生物学实验课程是校级精品课程，历来十分重视教学内容及教学方式的改革。在长期教学过程中我们发现传统的实验教学方法不能跟上时代的步伐，教学中面临的诸多问题限制了教学效果的提高，不能满足高水平创新型人的培养需求。为了突破传统教学模式的局限性，进一步提高教学质量，课题组充分利用多媒体、虚拟仿真等计算机技术对实验教学方法和内容进行改革，取得较好的效果。本文从传统微生物实验教学方法面临的问题出发，就利用现代计算机、多媒体和虚拟仿真技术对实验教学进行改革的探索进行介绍。

1 传统微生物实验教学方法的问题

微生物具有肉眼不可见和无处不在的特点，实验中如果不能保证严格的无菌操作就会造成杂菌的污染导致实验失败，因此微生物实验是实践性很强的学科，具有独特的操作规范和要求[5]。传统的微生物实验教学方法是教师首先对实验原理和主要操作过程进行讲解，然后进行操作动作示范，学生观看后动手操作。这种教学方法主要有以下几个弊端：

(1) 表现形式单一，不利于学生理解、记忆和掌握。大多数微生物学实验都要求严格的无菌操作，对于刚刚接触微生物学理论课的学生来说，要把肉眼不可见的微生物当成操作对象，常常会感到抽象和迷茫。再加上有些实验技术，比如平板划线分离技术、小室培养技术等，都具有一定的操作难度，需要掌握操作要领并经反复的练习才能掌握。只通过文字和少许图片的方式讲授实验过程不能把各种实验技术的操作方法及技术要点直观、生动地展现给学生[6]。而在教师进行动作示范时，由于学生观看角度不同、注意力集中程度不同，一次操作动作示范也难以让学生很好地掌握全部规范操作和动作要领。

(2) 缺乏互动性，不利于教师的课堂指导。学生对教师讲解与示范内容的理解和掌握程度不同，必然会导致学生在实验过程中出现不断互相询问或寻求教师帮助的情况，这无形中大幅增加了教师课堂指导的工作量，同时也会使课堂气氛嘈杂混乱，影响教师对所有学生实验过程进行有效监控。更重要的是，如果学生的错误操作没有被及时纠正，一旦形成习惯后就很改正过来，这对于学生今后从事科学研究是非常不利的[7]。在实验结果查看方面，传统教学法缺乏互动性，不利于实验结果的展示与交流，学生间不能互相观看各自的实验结果，也就不能对自己的实验结果进行比较和改进[8]。如能将好的和不好的实验结果都展示在全班学生面前，并且由教师分析成败的原因，会更加有利于帮助学生提高实验技能。

(3) 受课时、资源限制，不利于教学内容的扩充与创新。微生物实验技术涉及面广，学时又有限，因此微生物实验往往只能讲授一部分基本实验技术，再加上受到毒性菌株、试剂以及设备的限制，很多在生产和科研领域应用广泛、有代表性的实验技术，如微生物生长曲线测定、食品致病微生物检测、抗生素校价测定等，无法在课上教授给学生。传统教学模式在空间和时间上的局限性，限制了教学内容的扩充与更新，不利于高水平创新型人才的培养[9]。

2 应用多媒体互动、虚拟仿真技术提高实验教学效果

心理学家瑞特拉研究表明，同样的知识采用不同的教学方式呈现时，其效果有着显著的差异[10]。将依托于计算机的多媒体、网络互动技术、虚拟仿真技术应用于教学具有传统教学法不可比拟的优点：首先，声音和影像叠加的动态系统能将抽象的内容直观化、生动化，可有效地吸引学生的注意力，调动学生的积极性和主动性，有利于学生对所学知识的快速掌握和深刻记忆；其次，多媒体及虚拟仿真技术可突破实验课在时间与空间上的局限，充分延伸课堂教学内容，展现那些在传统的教学模式中无法实现的教学过程；再有，该技术具有互动性和可重复性，更能灵活和具体地动态演示实验流程，可以帮助教师更好、更有效地进行课堂指导，有效弥补传统实验教学方法的缺憾[11]。我课题组于2013年开始尝试充分发挥多媒体及虚拟技术的优势，将其更多地应用于实验教学，取得了较好的效果。

2.1 录制操作视频，提高课堂教学效果

我课题组将微生物实验中涉及到的关键的实验操作技术录制成系列短片，替代课上教师的动作示范，主要包括显微镜油镜的使用与清洁、细菌无菌涂片技术、革兰氏染色技术、细菌芽孢染色技术、无菌操作技术、血球计数板使用操作、小室制作技术、培养基制备技术及纯种分离技术。教师可以在视频播放过程中随时暂停，将关键动作重复播放或强调给学生，加深了其对操作流程细节的记忆和理解，因此在学生进行实验操作时，互相询问的情况较少发生，操作动作也比以往要明显规范。例如，我课题组将油镜擦拭清洁的方法录制成短片播放后，学生普遍反映记忆深刻，以往经常出现的油镜因清洁不到位而被损坏的情况大幅减少。再如，将无菌操作技术录制成小专题，在实验课最初就播放给学生观看，帮助其尽快树立无菌意识，使后续实验的染菌情况明显减少。

2.2 引入数码显微互动系统，提升师生交流互动

针对教学中出现的缺乏交流互动、实验结果难以共享的问题，我课题组专门引入了数码显微互动系统。该系统是在每个学生(学生端)及教师的显微镜(教师端)上都连接一个数码摄像机和一台笔记本电脑，通过局域网将整个实验室的显微镜连接在一起，利用教师端控制软件及学生端采集系统实现教师对全班学生实验过程的全程监控及实验结果的互动共享[12-13]。

通过显微互动系统，每个学生显微镜下的视野都可在教师端的电脑上同时显示，教师可随时监看全班的操作过程及实验结果，更加及时地进行指导，使课堂指导效率大幅提升。同时，教师还可以根据学生实验的情况将较好的、典型的或错误的结果投放到其他学生端，展示给全班观看，并进行有针对性的讲解，从而更好地帮助学生进行实验结果的分析及实验操作的改进。教师在对学生的操作技能进行评分时，亦可参照全班的整体水平打分，会更加公平、客观。

除此之外，教师还可以将教师端示教的内容投放到学生端电脑，以直接在显微镜下操作的形式讲授实验操作流程，使学生能够更直观生动地理解一些肉眼看不见的操作方法。比如在微生物计数及测微实验中，显微镜测微尺及血球计数板都是具有精密刻度的实验工具，需要借助显微镜才能看清，并且微生物计数和大小测量的整个实验操作都是在显微镜下进行的。以往用文字和图片的方式讲授时，学生常常对显微测微尺的“对格”及计数板的大格、小格计数理解不清，以至于在实验中多数学生都需要借助教师的帮助才能正确完成实验，课堂气氛混乱嘈杂，实验持续时间也较长。引入显微互动系统后，大多数学生都能较快、较顺利地完成实验，使教学效果明显提高。

2.3 利用虚拟仿真技术，扩充实验教学时间与空间

虚拟仿真技术是近年来应用到高校实验教学中的新型教学方式，它利用计算机技术构建高度仿真的虚拟实验环境，通过人机交互及网络通讯等技术模拟实验操作的流程和场景，以实现虚拟实验教学的目的，具有可控性强、操作危害小、可重复进行等优点[14]。但是虚拟仿真技术涉及到大量的动画、影像资料的制作和处理，具有较高的前期制作成本，因此在生物实验教学领域的应用还处于起步阶段。

利用虚拟仿真技术，可有效地突破传统教学时间、空间以及实验条件的限制，在有限的学时、经费内利用计算机和软件为学生教授普通教学无法进行而又十分常用、重要的微生物实验项目，达到增加学生知识量、延伸课时的作用[15]。比如，生长曲线的测定需要连续监测菌液浓度达12小时以上，正常学时内无法完成，但是这些技术在学生今后从事科研工作中很可能会用到，因此非常重要。另外还有一些如厌氧菌的培养、致病微生物检测、菌种保藏等技术由于实验室条件所限不能开设，然而这些技术在微生物技术中具有重要的代表意义，缺失了这些环节会使学生对整个微生物技术的认识失去系统性和全面性。

我课题组结合自身教学实际和特点，对虚拟仿真教学进行了初步的尝试：建立微生物虚拟仿真教学系统，分为实验预习、实验模拟操作和数据处理三个部分。学生首先通过观看实验动画及视频及在线习题对实验过程进行提前预习，然后进行实验模拟操作，最后将处理后的实验数据录入系统，系统自动对实验结果评定。实验模拟操作部分全部基于WEB操作，不需独立安装程序，利用目前流行的HTML5 3D引擎实现对操作仪器、设备、材料和物品建模，然后通过JAVASCRIP编写操作流程控制代码实现虚拟操作。目前我课题组正在尝试使用虚拟仿真技术进行教学的实验项目包括活体染色及观察技术、厌氧微生物培养技术、生长曲线的测定、抗生素效价测定、噬菌体效价测定、食品中大肠菌群的测定、高产蛋白酶和淀粉酶芽胞杆菌分离筛选、菌落计数法测定微生物数量、菌种保藏技术等。

实践证明，学生对这种形式的教学十分有兴趣，对调动学生的积极性有明显的作用。尽管利用虚拟仿真技术模拟实验过程并不能代替实际动手操作，但可以作为课堂实验教学的一种有益补充，突破传统教学模式的制约，开拓教育信息交流的新渠道。

3 结 语

实验教学不仅要求学生掌握坚实的理论知识，更重要的是要求学生具备熟练的操作技能。现代多媒体、虚拟仿真及网络通讯技术利用丰富的声音、运动的图像以及多彩的文字，直观、生动地展现各种实验技术的基本原理和实验流程，可激发学生的好奇心和求知欲，同时也可帮助教师更加方便及时地了解学生实验中出现的问题，从而更有针对性地进行指导，因而在实验教学中有传统教学无法比拟的优势。实践证明，充分挖掘和发挥现代信息技术在实验教学中的优势，可增强学生感性认识、培养学生动手能力、提高实验效率和节约实验经费，明显提高实验教学效率和效果，为进一步提高学生实验技能培养，造就创新性人才打下坚实的基础。

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Application of Interactive Multimedia and Virtual Simulation Teaching Method in Microbiology Experiment

CHENRong-ronga,SUNYi-dingb,WEIDong-shenga,NIUShu-mina,ZHANGJin-honga,LIUFanga

(a. Microbiological laboratory of biological experiment center； b. Physical basic experiment center,Nankai University, Tianjin 300071, China)

The traditional teaching mode has many disadvantages such as single form, poor process control, less enthusiasm and so on. Application of interactive multimedia and virtual simulation teaching method in experiment can teach experimental skills to students more lively and intuitively. Especially, in microbiology experiment interactive multimedia teaching method can enhance the quality and effect of teaching by reducing the nonstandard operation of students, increasing interaction between teacher and students and expanding teaching content in class.

interactive multimedia teaching method; microbiology; virtual simulation experiment; microscopic interaction

2015-04-30

南开大学校级教改项目

陈容容(1981-)，女，天津人，硕士，实验师，主要从事微生物实验室管理及微生物实验教学工作。

Tel.：13752349993; E-mail：chenrongrong@nankai.edu.cn

刘 方(1959-)，女，天津人，博士，教授，博士生导师。南开大学生命科学学院副院长，国家级生物实验教学示范中心副主任，主要从事天然生物活性物质研究。

Tel.: 022-23509491; E-mail: liufang312@nankai.edu.cn

TP 393.08;G 642

A

1006-7167(2015)11-0194-03