环境微生物实验课虚拟仿真实验教学探讨

【摘要】虚拟仿真实验教学方式是我国高等院校教育方式改革的方向之一，并取得了一定的成果。该方式由于尚在起步阶段，在改革的同时也暴露出了一些现象和问题。本文以北京师范大学环境学院大二本科生的环境微生物实验课为例，从教学内容和教学方式上对虚拟仿真实验的教学建设提出一些自己的理念和设想，为虚拟仿真实验教学改革进程添砖加瓦。

【关键词】虚拟仿真 环境微生物 实验

【中图分类号】X172-4【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2019）10-0169-02

一、研究背景

《环境微生物实验课》是针对北师大环境学院大二学生开设的基础必修课程。本门课程与《环境微生物》教学课程相呼应，以环境科学与环境工程科学实验中与微生物相关的科学知识为基础，让学生通过实验学习微生物的结构、形态、生理生化、功能及其在环境科学和工程中的重要作用，并使学生熟练掌握微生物学基本实验的操作原理、方法、技巧， 领悟微生物学独特的研究方法和实验手段。然而，传统实验教学方法已经不能满足教学需求。具体存在问题如下：

1.实验空间有限。《环境微生物实验课》每学期授课人数约60人，然而现有实验室仅能供30人的空间同时操作实验，导致一门实验课分2次教学，增加了人力成本也降低了实验室的使用效率。

2.实验教学成本过高。实验设备和实验材料是进行实验教学的物质基础。但实验室目前仅有14台显微镜，2台电子天平，2个光照培养箱，3个超净台。按照一个班级30人计算，则需要每2-3人使用一台显微镜，每15人使用一台天平。硬件基础差使得实验课的效率很低，并且每节授课任务都需要延迟下课15-30分钟才能完成。

3.实验项目有限。《环境微生物实验课》由于教学成本及空间的约束缺乏创新型实验使学生对授课内容兴趣不大。

4.教学力量薄弱。《环境微生物实验课》共有2位老师授课，平均每个老师需要同时指导30名学生。由于学生个体存在能力上差异，总会遇到很多问题，而实验教师不足不能做到1对1传授或解答，使得学生在实验过程中遇到的问题不能及时解决，进而影响教学质量。

综上，虚拟仿真实验教学由于不受场地，仪器数量等限制，有益于操作和重复[1]，使得每个同学可以独立完成实验，增加学生的实验机会。同时，虚拟仿真给教学提供了创新的可能，能够充分激发学生实验兴趣，提高教学质量的完成[2-3]。从讲师的角度讲，老师上课传授的内容可能还没有查閱百度的内容全面详细，因此教师要从知识的传授者向组织者、协调者进行转变，慕课教学、虚拟仿真教学是我国教育改革的大势所趋[4-6]。

二、环境微生物实验课虚拟仿真实验教学探讨

《环境微生物实验课》虚拟仿真实验教学理念是“科学规划，虚实结合，跨介质，重应用”。科学规划，是指《环境微生物实验课》不但紧扣《环境微生物》理论课，同时也传授学生从观察（现象）-发现问题-建立逻辑方法-获得数据-进行验证的科学实验思维，培养学生的独立思考能力、独立设计实验能力。具体内容如下：

从显微镜观察微生物入手，让学生从形态、结构、大小、颜色、透明度等物理性质对微生物有理性的认识。 从观察引出学生思考问题，由于绝大多数微生物都是透明的，学生将通过对微生物的染色对其进行初步的分类（阴性和阳性），并运用到环境工程中活性污泥的观察及初筛中。在此基础上，结合环境科学与工程的实际实验需求将传授学生对（已知和未知）微生物的定性和定量分析手段。在实验过程中教授学生灭菌、培养基制备、培养、分离、筛选、样本冻存与复苏、超净台操作等基础实验技术，将微生物实验的具体操作方法渗透在各实验中。

虚实结合是指《环境微生物实验课》可以通过虚拟仿真实验提供教学效果，激发学生兴趣，但是本实验课设计到大量的动手能力与技能需要在现实情境中进行操作，包括很多实验的技巧和经验都是在错误操作中获得和总结出来的。因此，本实验课将抽象的、成本高的实验及步骤纳入虚拟实验教学体系，同时兼顾实体教学。

跨学科是环境学科的学科特点，是指环境学科包含了物理，化学，生物，地质学，地理，资源技术和工程等的物理科学，也含有资源管理和保护，人口统计学，经济学，政治和伦理学等社会科学。

而环境微生物学从传统的教学科研领域仅仅从单一介质中进行研究或教学。例如，研究水里面的微生物就不会涉及土壤和大气带来的影响和作用。然而在复杂的环境现实中，一个知识点或者一个科学的问题往往需要多介质的综合考虑，由于教学条件、经费、人力资源等原因，环境微生物的教学科研一直停留在单一介质的研究中，这就局限了学生只能从局部或者部分的发现、研究和学习科学问题，无法从更高的层次去学习科学知识，在创新思维和技术应用都具有局限性。

跨介质是指突破传统的水、大气、土壤的单一介质作为研究媒介，发挥虚拟仿真实验的优点，从一个区域或一个局部的实际问题出发，将环境微生物融入多介质的整体学习研究中，作为一个体系进行知识传授。例如一个流域区间的氮循环为例，农田中的氨肥由土壤中的微生物通过消化作用生成硝氮并伴随氧化亚氮和一氧化氮向大气排放，空气中的氮氧化物由光氧化生成HNO3、NO3-以及臭氧等二次污染，气溶胶或PM2.5作为微生物的载体又可以将病毒、细菌扩散出去，最终以干沉降或湿沉降的形式回归土地。部分氮肥经过土壤微生物转化后被植物根茎吸收，富集在果实里最终被人体吸收并排放到水体中。部分氮素会随经雨水径流流入天然水体改变了水生微生物的生长环境。因此，多介质的虚拟仿真模拟技术有助于学生理解，微生物在每一个环节中的作用。

重应用是在传授学生实验技能的基础上，着重培养学生自己解决问题能力、技能结合和应用推广能力。以《环境微生物实验课》传授的理论-技术-经验为基础，鼓励学生申请本科生基金、北创、国创等自主创新项目并给予指导。

三、虚拟仿真与传统教学结合案例

传统教学中第3-5节课分别是“环境中的微生物”、“革兰氏染色”和“藻类的计数”。其教学目的分别是传授独立设计微生物实验的基本方法，了解处理组与对照组在实验设计中的意义。以“革兰氏染色”为例传授简单的定性分析，以“藻类的计数”传授基础的定量分析。然而在这个模块中由于实验场地和器材的缺乏，常规教学很难做到方法的应用与推广，借助虚拟仿真技术上述模块被设计成如下案例教学。

EDTA对土壤中微生物群落的影响实验研究：

实验背景：通过视频画面，学生先认识到我国土壤重金属污染问题严重并亟需解决；目前我国现有的土壤修复方法的汇总；简述用挖掘方法将重金属污染的土壤集中后用1.5M 的EDTA进行洗脱的方法和原理；提出问题，EDTA会在土壤中保留有一定的残留液，这类土壤回归自然后土壤中微生物群落生长是否会受到影响，有什么程度的影响？

实验设计：通过软件技术实现学生自行设计实验的目的。 具体包括方法设计、培养过程设计、实验分析设计。方法设计，如学生自行设计实验变量，包括：EDTA的浓度梯度，土壤的类型，同等条件下对照组的设计； 培养过程设计包括：培养时间和条件，采样时间和方法，平板划线分析等操作过程；实验分析包括：筛选出的微生物定性和定量分析并得出初步的结果。

实验验证部分：运用虚拟仿真技术，学生可以虚拟操作流式细胞仪进行简单的细菌染色及计数， 通过虚拟操作高通量测序得出定量结果并作为课堂实操的验证。

四、虚拟仿真实验教学展望

从环境科学与工程的學科特点上分析，环境科学一般是针对特定的微生物样品进行处理和条件化干预，进而获得特定微生物与其它事物之间的关系模式，通过探索其发生-发展-过程的机理，总结出规律进而形成理论，为自然的认知提供知识。因此，环境科学涉及的是对已知微生物的研究，其标准化实验包括微生物的定性（微生物是否存在）、定量（个数）、功能（酶）、理化特征（形状、大小、化学性质等）。对于环境工程来说，微生物样品往往是环境样品，即未知样品。其标准化实验一般包括：微生物群落结构分析、优势种群筛选、简单的分类（革兰氏染色）、某种特征微生物的鉴定等。

从表1不难看出，如果结合实际应用，传统教学的内容需要进行修改和提高，鉴于仪器缺乏和场地的限制，虚拟仿真技术的发展空间很大，可以设计出很多在满足现有教学要求的同时还可以重视实验应用。进而提高学生认识，培养学生实验科研兴趣。

参考文献：

[1]贾兴建.基于 Proteus 仿真软件的项目式教学法在单片机教学中的应用研究[J].考试周刊，2016，（54）：127.

[2]胡原，黄涛，熊国梅，等.生物学虚拟仿真资源建设的探索与实践[J].实验室科学，2018，（1）：225-228.

[3]杜玉宝，孙淑强，亓文涛.虚拟仿真实验教学信息化平台的建设与思考[J].中国现代教育装备，2016，249：26-28.

[4]成丹，崔瑾，王庆亚，等.植物学虚拟实验平台的构建及应用[J].实验室研究与探索，2016，（2）：62-66.

[5]王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索.2013，（12）：5-8.

[6]张敬南，张镠钟.实验教学中虚拟仿真技术应用的研究[J].实验技术与管理.2013，（12）：101-104.

作者简介：

赵金博（1980-），男， 汉族，吉林梅河口人，博士，高级实验师， 主要研究方向为环境监测、环境微生物。

刘梦媛（1996-），女，汉族，湖北武汉人，本科生，研究方向为环境科学。