“环境工程微生物学实验”虚拟仿真教学资源建设的探讨

1、“环境工程微生物学实验”虚拟仿真教学资源建设的探讨摘要在传统环境工程微生物实验实际教学基础上，探讨多维应用现代教育信息技术构建与课程密切相关的教学资源素材， 专项整合环境工程微生物实验虚拟仿真实验项目库、实体实验项目库、实验现象图库、模拟动画库、规范操作视频库五大教学资 源库，搭建环境工程微生物学实验”教学网站，通过图文并茂、动静结合的形式，丰富实验教学内容，从而激发学生的学习兴趣与 热情，增强学生对实验原理、实验内容和实验技巧的认识和理解，强化学生的实验操作技能，有效提高实验教学成效。关键词环境工程微生物学实验;虚拟仿真教学资源；教学改革随着现代教育理念的不断深入，“互联网+”引 发了教育的

2、历史性变革，如何利用信息技术改革 教学方式、提高教学效率、扩大教学规模、实现学 生自主学习等是高等教育教学改革发展的必然趋 势1%虚拟仿真实验教学和传统实体实验两种实 验方式相互补充、相得益彰,能拓展常规实验的教 学功能,提高实验教学效果,进一步促进对学生创 新精神与实践能力的培养。教学团队重点围绕“环 境工程微生物学实验”虚拟仿真教学资源的建设 开展了探讨与构思。一、开展虚拟仿真实验教学可有效弥补传统 实验教学的不足虚拟仿真技术通过模拟构建实验操作环境和 实验对象，再现真实实验场景，营造出高效、安全、 的实验环境2，具有沉浸性、交互性等特点，体验 直观、真实，在实验教学领域格外受到关注。相比

3、 传统实验教学，虚拟仿真实验具有以下优点%（一）实现实验教学的再现性,确保实验教学 的安全性虚拟仿真实验教学可辅助教师直观演示复杂 或危险的实验、实验结果不易观察的实验、实验周 期过长的实验、无法控制反应过程等传统实验教 学中无法完成的实验，虚拟再现实验过程，降低实 验过程中毒、爆、腐、火、水等风险,确保实验教学 的重复性和安全性。（二）增强实验课堂的趣味性,保障实验教学 的实效性虚拟仿真实验教学综合应用多种技术，立体 逼真地演示抽象的实验内容，丰富课堂教学手段, 弥补由于实验室生物安全和场地设施紧张等问题 而不能开设的教学内容，扩充课前预习阶段的学 习资源，从而激发学生的自主实验兴趣,强化学

4、生 实验基本技能,提高预习的效果,保证实验教学的 完整性和有效性。（三）降低设备使用试剂消耗,提高实验教学 的集约性教师可根据实际教学需求建设不同类型的虚 拟仿真实验，学生实验和学习不受时空限制，降低 大型仪器设备的使用消耗,减少器材和药剂损耗, 绿色减排,降低实验室运行成本,实现实验教学的 集约性和持续性。二、虚拟仿真技术在“环境工程微生物学实 验”的应用具有广阔空间基于传统实验教学的限制和虚拟仿真实验教 学无可比拟的优势，从2 013年开始，教育部做出了 进一步建设国家级虚拟仿真实验教学中心的部 署，许多院校在各个领域都开展了虚拟仿真实验 的建设并取得了较好的成效。虚拟仿真实验教学 也成了

5、 “金课”建设的重要内容，如何围绕“金课标 准”构建具有高阶性、创新性和挑战度的虚拟仿真 实验课程是当前的重点研究内容。教育部在20172020年开展了示范性国家虚 拟仿真实验教学项目的建设和认定工作，涉及多 个专业类另U，20172019年分别认定了105、296和 327项国家虚拟仿真实验教学项目，2020年认定了 728门首批国家级虚拟仿真实验教学一流课程。其 中，与微生物相关的项目主要集中于医学、公共卫 生和生命科学领域，比如扬州大学的“高致病性病 原微生物检测虚拟仿真实验”&青岛大学的“单纯 疱疹病毒的分离与鉴定虚拟仿真实验”、四川大学 的“结核分枝杆菌实验室检测的虚拟仿真项目$、

6、中山大学的“禽类交易市场外环境禽流感病毒监 测采样操作虚拟仿真实验”、华南农业大学的“高 致病性禽流感诊断虚拟仿真实验”、武汉大学的 “病毒感染与检测虚拟仿真综合实验”、安徽医科 大学的“肠道致病菌分离与鉴定虚拟实验”等。目前,虚拟仿真教学在食品、农业等专业的微 生物实验课程中具有一定的研究或应用，比如微 生物数字切片系统、大型真菌虚拟3D模拟识别系 统、细菌分子生物学分类鉴定仿真系统、根瘤菌发 酵工艺仿真实验、真菌栽培工艺仿真实验、污水微 生物处理工艺仿真实验等。虚拟仿真技术在微生 物实验教学中的应用实现了可视化、形象化、立体 化的教学，但也存在相关教学数据库不足、教师在 制作教学数据库较传

7、统、教学方法需要花费较多 时间和精力、教学投入不够、共享性不强等问题。 虚拟仿真实验在环境工程微生物实验教学中的研 究与应用还处于起步阶段，具有广阔的研究和建 设前景。开发和建设与实际教学密切契合的环境 工程微生物实验虚拟仿真教学资源，可为环境工 程微生物虚拟仿真实验教学实践奠定基础，促进 传统实验教学与虚拟仿真实验的深入融合，激发 学生的学习兴趣，扩展学生自主学习的选择空间三、“环境工程微生物学实验”虚拟仿真教学 资源的建设内容构思“环境工程微生物学实验”是桂林理工大学环 境工程专业的重要专业核心必修课，课堂上的实验 内容包括微生物的显微镜观察、微生物的染色、培 养基的制备和灭菌、水中细菌总

8、数的测定、水中大 肠菌群数的测定、细菌的分离纯化、细菌生化特性 的测定、综合实验等内容，本教学团队围绕实验教 学全过程进行了教学改革研究与持续性改进 3，句。 依托水污染控制国家级实验教学示范中心，以及 环境污染防治与生态保护虚拟仿真国家级实验教 学中心的建设，教学团队改变传统实验观念，以 “创新、协调、绿色、开放、共享”的科学发展理念为 指导，在本课程虚拟仿真教学资源的建设方面开 展了构思与探讨（见表1）。（一）建设课程网络平台，搭建教学资源支撑 载体,延伸教学时空以微生物实验数码显微互动系统、学校网络 教学平台和手机客户端为载体,运用二维码、Web 技术，开发“环境工程微生物学实验”教学网

9、站，作 为环境工程微生物实验虚拟仿真实验项目库、实 体实验项目库、实验现象图库、模拟动画库、规范 操作视频库等资源库的载体，包括实验项目（实体 实验和虚拟仿真实验项目）、虚拟仿真资源中心、 学习社区等模块，上传多媒体网络课件、电子教 案，将纸质教材与网络衔接，利用手机移动终端实 现“ 口袋里的实验室”，为学生的自主学习、课前预 习、课后复习提供平台支撑，打破传统实验教学的 时空限制。（二）基于科研成果与工程实例，构建环境工 程微生物虚拟仿真实验项目根据教学团队所在的广西环境污染控制理论 与技术重点实验室、岩溶地区水污染控制与用水 安全保障协同创新中心的前期科研成果，构建项 目式的虚拟仿真实验教

10、学项目，如“有机磷农药降 解菌的筛选与鉴定”“细菌质粒DNA的提取和PCR 扩增”“喀斯特地区土壤微生物群落的高通量测序 和多样性分析”“采油废水处理系统活性污泥中微 生物群落结构分析”“雁山校区污水处理工艺中生 物膜微生物的结构分析”“基于发光菌和绿藻评价 不同污染物的毒性作用”等。将耗时耗能、周期长、资源库建设内容建设目标“环境工程微生物学 实验”教学网站实验项目、虚拟仿真资源中心、学习社区等模块资源库建设内容建设目标“环境工程微生物学 实验”教学网站实验项目、虚拟仿真资源中心、学习社区等模块各类教学资源的支撑载体虚拟仿真实验项目库基于科研成果与工程实例,将课堂难以开展的微生物 实验项目构

11、建成虚拟仿真实验项目构建项目式的虚拟仿真实验 教学项目实体实验项目库按照土壤、水环境和空气三种不同介质，分类整理基 础性实验、综合性实验和现代环境微生物实验项目库提升实验设置的连贯性，为 学生开展综合实验提供参考实验现象图库有针对性地整理实验现象和实验结果图库,构建典型 环境微生物数字化图谱库与鉴别指南为学生提供实验结果、实验 现象和微生物分类图谱，提 升对实验的感性认识模拟动画库利用动画演示、仿真模拟和多媒体展示等介质分解实 验原理，形象化地展示微生物形态和实验过程微生物可视化和形象化，提 升学生对实验原理和实验内 容的理解规范操作视频库制作微生物基础性实验的标准化实验操作视频直观演示关键实

12、验步骤，把 握实验细节，切实提高学生 的实验操作技能表1“环境工程微生物学实验”虚拟仿真教学资源建设内容的构思（三）实验设置整体化,整合实体实验项目库， 突显专业特征按照基础性实验、综合性实验和现代环境微 生物实验分类整理实验项目库，汇总实际教学中 历年学生的综合实验报告，按照土壤、水环境和空 气三种不同介质的微生物进行分类整理，构建综 合实验项目库，为学生的综合实验方案设计和实 验开展提供参考将环境工程专业所涉及的实际 工程案例或科研项目成果融入微生物实验的教学 项目内容,重新分类整理、组织安排，有机串联整 合零散的实验项目，提高实验设置的连贯性，增强 各个知识点的联系,提升实验的现实性（四

13、）实验结果预见化，整理实验现象图库，提 升学生对实验的理解学生在预习阶段，只有教材作参考，对实验过 程和实验结果缺乏想象的画面，对实验内容难以 完全掌握,导致上课时思路不清、难以下手故对 于基础性、验证性的实验项目，教学团队可对实验 过程中的现象和实验结果进行针对性的记录和拍 照，将实验现象整理成图库，为学生的预习提供参 考，加深对知识点或实验方法的理解，提高教学效 果例如，将“微生物的革兰氏染色”中革兰氏阴性 菌、阳性菌的染色结果的成功案例和失败案例提 供给学生，让学生对实验目的形成清晰地认识，提 高实验效果微生物种类繁多，形态各异，实验教学过程中 微生物识别与分类困难的问题始终困扰着教师和

14、 学生教学团队利用微生物智能鉴定系统，整合历 年科研与教学过程中的经典指示性微生物图片， 对商业标本进行分类整理，构建典型环境微生物 数字化图谱库与鉴别指南，为学生“活性污泥中微 生物的观察”实验提供分类参考和依据（五）实验原理可视化,制作模拟动画，丰富虚 拟仿真视频资源基于学习思维习惯和现代信息技术，利用动 画演示、仿真模拟和多媒体展示等介质,虚实结合 地分解烦琐的实验步骤，通过内容丰富、图文并 茂、动静结合的形式提高微生物的可视化和形象 化，提升学生对实验原理和实验内容的理解和认 识，深入地掌握相关知识点例如,结合传统实验 操作演示和生动的动态模拟，制作三维细菌细胞 膜、DNA模型等，将“

15、革兰氏染色实验$#PCR扩增 实验”“培养基的制备和灭菌”“酶底物法测定水中 大肠菌群”等实验的实验目的、原理、方法、步骤、 易出现的问题总结、实验报告要求及思考讨论等， 制作成三维微课件，实现实验的微观可视化教学（六）实体实验数字化,录制操作视频库,提升 学习效果采用视频录像的方法展现经典传统的基础性 实验操作。制作由资深实验教师亲自操作实验过 程的标准化实验视频，并配音详细讲解每一步关 键操作点，弥补传统实验课教师课堂现场讲解示 范的弊端。实验实际操作的视频库录制包括:显微 镜的使用、细菌的无菌操作、培养基的配置过程中 各种玻璃器皿的包装、高压蒸汽灭菌锅的使用、无 菌平板和斜面的制备、平板

16、划线、琼脂糖凝胶电泳 等单体实验教学项目，设计实际实验内容、准备实 验器材、确定操作步骤、强调实验关键和易出错 点、展示实验结果，实现直观、动态化的实验教学， 增强学生对实验内容的感性和理性认识，加深学 生对实验的理解，把握实验细节，切实提高学生的 实验操作技能，为学生课前预习和课后复习提供 教学素材。四、结语随着虚拟仿真实验教学项目建设工作的不断 深化和拓展，虚拟仿真实验与传统实验教学的结 合是大势所趋。教学团队结合实际教学情况构思 了 “环境工程微生物学实验”的虚拟仿真实验教学 资源建设思路。建设课程实验教学平台，应用多媒 体网络课件、电子教案、视频录像、模拟演示等技 术，专项配套整合课前预习、课后复习的相关实验 教学资源，构建环境工程微生物