利用發(fā)酵工藝虛擬仿真平臺強(qiáng)化問題導(dǎo)向的微生物學(xué)實(shí)踐

張言 周姚利 洪鍵 王歡莉

摘要：微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)是生物技術(shù)或生物工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程，是發(fā)酵工程、發(fā)酵工藝實(shí)驗(yàn)、生物工程實(shí)驗(yàn)等課程的基礎(chǔ)，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力的關(guān)鍵性課程。但是，在教學(xué)中存在課程時(shí)間有限、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與其他課程缺乏銜接、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容形式單一，這些因素限制了對學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為了解決上述不利因素，通過發(fā)酵工藝虛擬仿真平臺，采用問題導(dǎo)向的教學(xué)方式，突破傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限，延伸和拓展微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的教學(xué)途徑和教學(xué)資源。并通過“項(xiàng)目化教學(xué)”方法讓學(xué)生利用微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技能挖掘傳統(tǒng)釀造工藝的精髓，既有利于學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)的提高，也有利于學(xué)生核心價(jià)值觀的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：微生物學(xué)實(shí)驗(yàn);虛擬仿真;發(fā)酵工藝;問題導(dǎo)向

中圖分類號：Q936 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)是生物工程專業(yè)開設(shè)的一門實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課程，是學(xué)生學(xué)習(xí)發(fā)酵工程、發(fā)酵工藝實(shí)驗(yàn)、生物工程實(shí)驗(yàn)等的基礎(chǔ)，是培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力的關(guān)鍵性課程。但是，目前的微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)多以重現(xiàn)經(jīng)典操作技術(shù)為主，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)缺乏熱情，感覺所學(xué)技術(shù)與應(yīng)用沒有太大聯(lián)系。導(dǎo)致學(xué)生形成這樣認(rèn)識的原因主要是由實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置造成的，實(shí)際上微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)是開展發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)、發(fā)酵工藝實(shí)驗(yàn)的技術(shù)基礎(chǔ)，也是發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)的主要技術(shù)基礎(chǔ)，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。因此，通過近兩年的教學(xué)經(jīng)歷，結(jié)合近幾年現(xiàn)代信息科技在教學(xué)中的應(yīng)用情況，教學(xué)中開展了基于虛擬仿真平臺的“問題導(dǎo)向”的微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，增加學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生充分認(rèn)識到微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐價(jià)值，并利用平臺以“傳統(tǒng)釀醋工藝法果醋釀造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”為例，綜合訓(xùn)練學(xué)生的微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技能及實(shí)踐能力。

目前，以強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐能力為目標(biāo)的“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”建設(shè)已經(jīng)成為高等教育信息化建設(shè)和人才培養(yǎng)模式改革的發(fā)展趨勢[1-2]，通過構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)場景和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[3]，并與實(shí)體實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)有機(jī)結(jié)合、相互補(bǔ)充，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性，切實(shí)提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力[4]。

1 ? 建設(shè)發(fā)酵工藝虛擬仿真平臺的必要性

以微生物培養(yǎng)為基礎(chǔ)的發(fā)酵工藝具有工藝流程多、周期長，依賴專業(yè)設(shè)備，專業(yè)技能要求高等特點(diǎn)[5]。顯然，對于那些僅掌握微生物學(xué)、發(fā)酵工程基本原理，剛做過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和專業(yè)實(shí)驗(yàn)的本科生而言，難以通過一次專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)或?qū)嵱?xùn)就能讓學(xué)生深入理解發(fā)酵工藝原理和熟練掌握微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技能[6-7]。而教學(xué)中卻難以安排多次的實(shí)驗(yàn)或?qū)嵱?xùn)以強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐技能，主要是受專業(yè)設(shè)備投資高，設(shè)備數(shù)量建設(shè)不足;運(yùn)行消耗成本大，實(shí)驗(yàn)成本高;實(shí)驗(yàn)時(shí)間不能靈活安排等因素的限制[8-9]。因此，除了加強(qiáng)實(shí)體實(shí)訓(xùn)平臺的建設(shè)外，有必要通過建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限，達(dá)到如下實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

（1）利用“傳統(tǒng)釀醋工藝法果醋釀造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”模擬傳統(tǒng)釀醋工藝，引導(dǎo)學(xué)生利用微生物學(xué)原理與技術(shù)解析釀造機(jī)制，幫助學(xué)生理解、掌握中國傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵工藝中涉及的微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技能。

（2）模擬利用傳統(tǒng)釀醋工藝釀制不同風(fēng)味、品質(zhì)果醋的工藝條件，引導(dǎo)學(xué)生探究如何有效利用微生物的生長特性發(fā)酵釀制不同的果醋產(chǎn)品。

（3）將虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目嵌入課堂教學(xué)，探索構(gòu)建“仿真模擬+實(shí)踐檢驗(yàn)+仿真探究”的混合式教學(xué)方式、“項(xiàng)目化教學(xué)”的教學(xué)方法、“知識建構(gòu)-能力生成-創(chuàng)新發(fā)展”的學(xué)生學(xué)習(xí)體系和“過程性考核”評價(jià)體系，切實(shí)提高學(xué)生的微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新能力[8-9]。

（4）該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目融合傳統(tǒng)釀造工藝和現(xiàn)代微生物發(fā)酵技術(shù)，利用微生物學(xué)原理與技術(shù)解析工藝原理和改進(jìn)釀造工藝，通過創(chuàng)新以更好地傳承和發(fā)展傳統(tǒng)釀造工藝，既有利于提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，也有利于學(xué)生核心價(jià)值觀的培養(yǎng)。

2 ? 利用發(fā)酵工藝虛擬仿真平臺強(qiáng)化微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技能的實(shí)施措施

依托鹽城師范學(xué)院基礎(chǔ)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，利用互聯(lián)網(wǎng)、仿真技術(shù)搭建1個(gè)24 h開放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并結(jié)合實(shí)體實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)備，擬通過建設(shè)“傳統(tǒng)釀醋工藝法果醋釀造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”改變《微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)》、《發(fā)酵工藝實(shí)驗(yàn)》傳統(tǒng)教學(xué)方式和方法，探索構(gòu)建“仿真模擬+實(shí)踐檢驗(yàn)+仿真探究”的教學(xué)方式和“項(xiàng)目化教學(xué)”方法。構(gòu)建如圖1所示教學(xué)模式。

2.1 教學(xué)方法

項(xiàng)目采用虛實(shí)有機(jī)融合，相互補(bǔ)充的“仿真模擬+實(shí)踐檢驗(yàn)+仿真探究”的教學(xué)方式和“項(xiàng)目化教學(xué)”方法。采用的“仿真模擬+實(shí)踐檢驗(yàn)+仿真探究”教學(xué)方式有利于突破傳統(tǒng)發(fā)酵工藝實(shí)驗(yàn)教學(xué)中因?qū)I(yè)設(shè)備投資高，設(shè)備數(shù)量建設(shè)不足;運(yùn)行消耗成本大，實(shí)驗(yàn)成本高;實(shí)驗(yàn)時(shí)間不能靈活安排等因素的限制。通過高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，為學(xué)生提供多次重復(fù)的、專業(yè)的微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技能模擬訓(xùn)練和工藝原理學(xué)習(xí)。同時(shí)，將虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目納入傳統(tǒng)教學(xué)過程，有機(jī)融合，相互補(bǔ)充，克服虛擬仿真無法真實(shí)訓(xùn)練的弊端，將虛擬仿真模擬訓(xùn)練的效果通過利用實(shí)體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)和鞏固，也有利于學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，使學(xué)生具備分析解決復(fù)雜問題的能力，并將實(shí)際操作得到的經(jīng)驗(yàn)和方法用于優(yōu)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)，以更好地發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，通過虛實(shí)結(jié)合，相互補(bǔ)充，強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐技能。

在“仿真模擬+實(shí)踐檢驗(yàn)+仿真探究”教學(xué)方式的基礎(chǔ)上，通過“項(xiàng)目化教學(xué)”的方法有利于將最新科研成果和行業(yè)發(fā)展前沿融入教學(xué)資源中去，保證教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性;有利于靈活選取案例，做到有難有易、有高有低，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，因材施教引領(lǐng)學(xué)生核心價(jià)值觀的養(yǎng)成。因此，“項(xiàng)目化教學(xué)”方法的使用能夠?qū)⑻摂M仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，有利于“仿真模擬+實(shí)踐檢驗(yàn)+仿真探究”教學(xué)方式的構(gòu)建，滿足學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展需求，提高學(xué)生的實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力，使學(xué)生學(xué)會利用現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)，通過創(chuàng)新以更好地傳承和發(fā)展傳統(tǒng)釀造工藝。

2.2 評價(jià)體系