趙圣明,趙巖巖,周威,朱明明,焦凌霞,畢繼才
河南科技學(xué)院食品學(xué)院(新鄉(xiāng) 453003)
在當(dāng)前新工科教育背景下,實驗教學(xué)是工科專業(yè)人才培養(yǎng)體系中的重要組成部分,是推進工科教育改革發(fā)展的重要環(huán)節(jié),因此,培養(yǎng)工科學(xué)生的實踐能力尤為重要[1]?!笆称肺⑸飳W(xué)”是食品科學(xué)與工程、食品質(zhì)量與安全及糧食工程等工科專業(yè)的主干專業(yè)基礎(chǔ)課程。通過學(xué)習(xí)和掌握微生物學(xué)相關(guān)基礎(chǔ)理論和實驗技術(shù),進一步應(yīng)用于食品微生物安全控制與檢測、食品發(fā)酵生產(chǎn)等實踐過程?!笆称肺⑸飳W(xué)”實踐教學(xué)是知識向能力轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié),也是培養(yǎng)食品微生物類應(yīng)用型創(chuàng)新人才的主要途徑,實踐教學(xué)質(zhì)量對學(xué)生的綜合實踐能力、創(chuàng)新精神和工程素質(zhì)培養(yǎng)具有舉足輕重的影響[2]。因此,“食品微生物學(xué)”實驗教學(xué)環(huán)節(jié)至關(guān)重要,通過系統(tǒng)的實驗學(xué)習(xí),可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,提高創(chuàng)新意識,有助于掌握抽象的理論知識,并將其進一步應(yīng)用生產(chǎn)實踐中。然而,傳統(tǒng)的“食品微生物學(xué)”實驗教學(xué)模式及教學(xué)技術(shù)落后,主要依賴于真實的實驗室,實驗教學(xué)質(zhì)量及項目設(shè)置易受實驗設(shè)施、課程教學(xué)時間、實驗資源、實驗成本及空間等條件的限制。大多學(xué)校由于軟硬件等條件的限制,實驗操作學(xué)時遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,不能調(diào)動學(xué)生參與實驗學(xué)習(xí)的積極性,同時也不能滿足“新工科”建設(shè)及應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的要求。因此,加強現(xiàn)代信息化技術(shù)在傳統(tǒng)工科高等教育中的深度融合,是強化實驗教學(xué)、提高學(xué)生實際操作能力的重要手段。
虛擬仿真實驗是依托現(xiàn)代化計算機硬件和軟件技術(shù),利用動態(tài)教學(xué)模型對傳統(tǒng)實驗的場景、儀器設(shè)備、操作行為等進行系統(tǒng)性、動態(tài)性的模仿,實現(xiàn)與實際實驗結(jié)果一致的教學(xué)效果[3]。隨著5G時代的到來,虛擬仿真技術(shù)也得到快速發(fā)展,為實踐教學(xué)改革帶來巨大機遇。早在2017年我國教育部就印發(fā)《關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》[2],進一步深化和拓展虛擬仿真教學(xué)項目的建設(shè)工作,推動虛擬仿真技術(shù)在高校教學(xué)中的改革探索。采用虛擬仿真技術(shù)進行“食品微生物學(xué)”實踐教學(xué)改革,可促使實踐教學(xué)從傳統(tǒng)的知識型教學(xué)向技術(shù)應(yīng)用型教學(xué)轉(zhuǎn)變,不僅可以節(jié)約實驗資源、實驗成本、拓展實踐教學(xué)時間與空間,有效突破時間、空間和儀器資源等的約束,克服實驗教學(xué)對實際客觀條件的依賴性,而且還可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,滿足自主學(xué)習(xí)的需求,深化對實踐知識點的理解,提高學(xué)生創(chuàng)新思維能力、動手能力和綜合實驗技能,培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)技能和職業(yè)素養(yǎng),具有重要的理論意義和實際意義。通過運用SWOT分析法,分析開展“食品微生物學(xué)”虛擬仿真實驗教學(xué)的具體優(yōu)勢、劣勢、機會和挑戰(zhàn),以期拓展“食品微生物學(xué)”實驗教學(xué)模式,提升“食品微生物學(xué)”實驗教學(xué)水平,為進一步促進現(xiàn)代信息技術(shù)在實驗教學(xué)改革中的應(yīng)用提供借鑒。
以河南科技學(xué)院為例,傳統(tǒng)“食品微生物學(xué)”實驗教學(xué)人數(shù)每學(xué)期人數(shù)約200人,但“食品微生物學(xué)”實驗室空間只能供60人左右同時進行實驗學(xué)習(xí)。尤其是一些綜合設(shè)計型實驗,如大腸菌群測定,需要進行培養(yǎng)基配制與滅菌、平板制作、樣品無菌操作、菌落培養(yǎng)、菌落計數(shù)等操作項目,整個實驗流程需要1周左右,多個班級只能輪流進行實驗,影響實驗的連續(xù)性。由于實驗室條件限制,為滿足所有學(xué)生的實驗教學(xué)需求,因此學(xué)生需要在規(guī)定的時間完成實驗項目,這也明顯限制了學(xué)生的創(chuàng)新性思維訓(xùn)練,影響學(xué)生科學(xué)探索精神的培養(yǎng)。還有一些實驗如病原微生物的檢測,可能會危害學(xué)生的身體健康。此外,一些新型實驗設(shè)備和儀器成本較高,由于經(jīng)費有限,學(xué)校更新較慢,導(dǎo)致一些學(xué)科前沿的實驗項目無法順利開展。同時,大型設(shè)備需要專業(yè)人員定期維護和保養(yǎng),以及某些學(xué)生的粗心操做也可能損壞實驗設(shè)備,這些因素都增加了實驗成本[4]。因此,傳統(tǒng)的“食品微生物學(xué)”實驗教學(xué)模式已不能滿足當(dāng)代大學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。傳統(tǒng)實驗教學(xué)手段單一、學(xué)生參與度不高,往往是參照實驗指導(dǎo)和教師的講解按部就班地進行實驗操作,學(xué)生缺乏深入的實驗思考。手機、電腦已成為當(dāng)代大學(xué)生學(xué)習(xí)和生活的必需品。將實驗教學(xué)與信息化手段相結(jié)合,將有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,發(fā)揮其主觀能動性[5]。雖然基于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的信息化教學(xué)模式,如學(xué)習(xí)通、雨課堂等教學(xué)平臺在一定程度上加強了師生的互動交流,提高了“食品微生物學(xué)”實驗教學(xué)的質(zhì)量和學(xué)習(xí)效率,但基于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的信息化教學(xué)模式依舊偏重于實驗理論教學(xué)。而虛擬仿真實驗教學(xué),可以利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺和以Unity3D平臺為基礎(chǔ)的3D仿真技術(shù)開發(fā)虛擬仿真實驗平臺進行“食品微生物學(xué)”實驗教學(xué),將實際實驗室操作和虛擬實驗課堂有機結(jié)合,不僅可以讓理論教學(xué)更加生動有趣,還可使學(xué)生身臨其境地感受實驗操作。同時虛擬仿真技術(shù)的高逼真性、交互性、沉浸性和虛幻性等特點,有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,豐富實驗教學(xué)內(nèi)容,提高學(xué)生的實踐綜合應(yīng)用能力和促進實時交互式教學(xué)活動的開展。虛擬仿真技術(shù)使實驗教學(xué)可視化、形象化、立體化,提高課程實踐教學(xué)效率,對新工科背景下的人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新具有深遠(yuǎn)的影響。
2.1.1 虛擬仿真技術(shù)優(yōu)勢
以Unity3D平臺為基礎(chǔ)的3D仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托,以“食品微生物學(xué)”實驗操作為載體,采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)開發(fā),集實物仿真、創(chuàng)新設(shè)計、智能指導(dǎo)、虛擬實驗結(jié)果自動批改和教學(xué)管理于一體。整體構(gòu)架分為數(shù)據(jù)層、支撐層、通用服務(wù)層、仿真層和應(yīng)用層等。在數(shù)據(jù)層里,分別設(shè)置虛擬實驗的用戶信息、基礎(chǔ)原件庫、規(guī)則庫、答案庫、實驗教程等。支撐層是“食品微生物學(xué)”虛擬仿真實驗教學(xué)與開放共享平臺的核心框架,是實驗項目正常開放運行的基礎(chǔ),負(fù)責(zé)整個基礎(chǔ)系統(tǒng)的運行、維護和管理。通用服務(wù)層是為“食品微生物學(xué)”虛擬仿真實驗教學(xué)管理平臺提供虛擬實驗教學(xué)環(huán)境的一些通用支持組件,有助于快速在虛擬實驗環(huán)境中完成虛擬仿真實驗搭建。仿真層主要針對該項目進行相應(yīng)的器材建模、實驗場景構(gòu)建、虛擬儀器開發(fā)、提供通用的仿真器,并為應(yīng)用層提供實驗結(jié)果數(shù)據(jù)的格式化輸出。應(yīng)用層針對學(xué)生提供具體應(yīng)用服務(wù)[6]。同時系統(tǒng)開發(fā)中使用大場景三維掃描和手持式掃描等方式對實驗室場景和常用設(shè)備、材料進行采集測量,構(gòu)建測量數(shù)據(jù)庫,并以此為基礎(chǔ)對實驗室場景和相關(guān)設(shè)備進行1︰1建模,構(gòu)建高真實感的實驗場景。虛擬仿真實驗平臺對硬件設(shè)備要求低、交互性強,通過虛擬仿真技術(shù)與實驗教學(xué)的有機結(jié)合,有效解決實驗場地、成本等因素制約問題,提高學(xué)生的理論和實踐操作能力。
2.1.2 學(xué)校教學(xué)平臺優(yōu)勢
河南科技學(xué)院食品科學(xué)與工程專業(yè)為國家一流本科專業(yè)建設(shè)點,專業(yè)實力強大,利用國家一流專業(yè)的優(yōu)勢支撐一流課程的建設(shè)。面對教育信息化的快速發(fā)展趨勢,對開展課堂教學(xué)的信息化改革尤為重視。學(xué)校設(shè)立專項經(jīng)費,保證信息化技術(shù)在高等教育教學(xué)中的推廣應(yīng)用,推動虛擬仿真技術(shù)在高校教學(xué)改革中的應(yīng)用創(chuàng)新。鼓勵教師積極申報虛擬仿真實驗教學(xué)方向的相關(guān)課題,配套購買相關(guān)的教學(xué)平臺和資源?!笆称肺⑸飳W(xué)”虛擬仿真實驗平臺開發(fā),可有力促進食品專業(yè)教學(xué)模式的多樣化,也有助于學(xué)校精品數(shù)字化課程的開發(fā)和虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)。同時食品科學(xué)與工程專業(yè)師資力量雄厚,博士學(xué)歷占比達80%以上,能夠快速學(xué)習(xí)和接受新的信息化教學(xué)模式。
2.1.3 教學(xué)效果優(yōu)勢
虛擬仿真實驗場景和操作動畫更具有趣味性,可以在實驗場景內(nèi)設(shè)置互動性問答習(xí)題,并將問答習(xí)題設(shè)置成游戲闖關(guān)模式,只有答對了問題,才能進行下一步的實驗操作。虛擬仿真實驗教學(xué)可通過啟發(fā)式學(xué)習(xí)、分步驟演示等方式呈現(xiàn),提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力,有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[7]。正常的實驗操作在實驗室內(nèi)進行,由于人數(shù)較多,教師僅憑肉眼觀察,很難及時發(fā)現(xiàn)所有學(xué)生錯誤的實驗操作,無法實現(xiàn)對每個學(xué)生的一對一指導(dǎo)。但是,教師可以在虛擬仿真軟件中根據(jù)系統(tǒng)的錯誤操作提示,及時糾正學(xué)生的錯誤實驗操作,更好把握教學(xué)節(jié)奏,提高教學(xué)效果。同時,虛擬仿真實驗教學(xué)突破傳統(tǒng)的教學(xué)模式,促進實驗教學(xué)由教師為中心的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生為中心,學(xué)生愿意主動參與學(xué)習(xí),積極與教師互動交流,活躍課堂學(xué)習(xí)氛圍,有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,并促進學(xué)生獨立思考、主動進行科學(xué)探索的學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。
2.2.1 成本劣勢
虛擬仿真技術(shù)國內(nèi)起步較晚,尚還處于高速發(fā)展階段,實驗項目開發(fā)費用較高,一個實驗項目的開發(fā)加上版權(quán)使用費用需十余萬元,而“食品微生物學(xué)”可開設(shè)的實驗項目20~30個,導(dǎo)致將實驗項目整體都開設(shè)成虛擬仿真實驗的成本較高,僅適合一些需要昂貴實驗儀器或者有健康風(fēng)險的實驗項目推廣和應(yīng)用。同時,虛擬仿真實驗課程制作需要既掌握“食品微生物學(xué)”實驗知識又精通軟件開發(fā)的專業(yè)技術(shù)人員,對技術(shù)人員的綜合要求較高,同時還需要花費大量精力和時間開發(fā)。此外,在實驗項目各個環(huán)節(jié)中設(shè)置的交互性問題,客觀題可由計算機進行自動批閱,而主觀題無法進行自動批閱,仍需要教師根據(jù)具體的回答情況進行手動批閱,并對學(xué)生的操作失誤進行及時的反饋和糾正,因此工作量也較大。
2.2.2 模擬現(xiàn)實劣勢
虛擬仿真實驗雖能較為真實地模擬實驗環(huán)境,具有沉浸性和不受時空限制等特點,但仍存在一些劣勢,主要是模擬實驗場景無法與現(xiàn)實環(huán)境完全對應(yīng)。如:無法還原雙手接觸實驗儀器、樣品的手感和操縱感;微生物接種、倒平板、平板劃線等實驗操作需要真實感受器具和樣品間接觸的面積和摩擦力的變化,因此需要通過平衡感受并調(diào)整接種和平板劃線的力度,以免劃破培養(yǎng)基表面。尤其是一些“食品微生物學(xué)”實驗需要精確的實驗操作技術(shù),而虛擬仿真實驗只能在軟件中模擬實驗過程。雖然虛擬仿真實驗一定程度上可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,但是實驗只能從視覺、聽覺等方面進行簡單的模擬,無法帶來實際觸覺和操作的體驗,因此不能使學(xué)生學(xué)習(xí)到真正的實驗操作技術(shù)和鍛煉學(xué)生的實際動手能力,無法保證課堂的教學(xué)質(zhì)量。
2.3.1 國家政策帶來的契機
近年來,為加快信息技術(shù)在高等教育中的快速發(fā)展,國家教育部相繼發(fā)布《關(guān)于開展2014年國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》《2017年教育信息化工作要點》《關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》《職業(yè)教育示范性虛擬仿真實訓(xùn)基地建設(shè)指南》等相關(guān)文件,鼓勵高校開展虛擬仿真實驗項目和和實驗中心的建設(shè),表明國家層面對虛擬仿真實驗教學(xué)的高度重視。國家的政策支持和經(jīng)費投入,使虛擬仿真實驗在教學(xué)中的應(yīng)用廣泛開展起來。因此,抓住信息技術(shù)變革帶來的歷史性機遇,推動實現(xiàn)高等教育質(zhì)量的“變軌超車”成為高校關(guān)注的重點。虛擬仿真實驗在“食品微生物學(xué)”中的應(yīng)用目前還處于初步發(fā)展階段,具有廣闊的開發(fā)應(yīng)用前景。將現(xiàn)代虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)“食品微生物學(xué)”實驗相結(jié)合,將有利于助推食品類專業(yè)的新工科建設(shè),探索傳統(tǒng)工科實驗教育的智能改造升級。隨著信息化技術(shù)的高速發(fā)展,智能手機和平板電腦等移動終端的逐步普及,以及虛擬仿真實驗項目在高等教育教學(xué)中的快速推廣和應(yīng)用,教師和學(xué)生對虛擬仿真實驗的接受度越來越高,虛擬仿真實驗教學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域和使用頻率也將越來越廣。
2.3.2 專業(yè)發(fā)展提供的機會
近年來,隨著社會對食品安全以及消費者飲食營養(yǎng)與健康的日益重視,各高校食品類專業(yè)的報考人數(shù)和錄取分?jǐn)?shù)逐漸提升,說明社會對食品類專業(yè)的認(rèn)知度較高。同時,工科教育主導(dǎo)的成果導(dǎo)向教育理念也為虛擬仿真實驗的開展提供新契機。因此,高校應(yīng)該緊跟專業(yè)發(fā)展的快車道,將傳統(tǒng)實驗教學(xué)與虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合,創(chuàng)新教學(xué)模式,提升教學(xué)質(zhì)量。虛擬仿真實驗過程中的答題環(huán)節(jié),教師和學(xué)生可以通過平臺共同討論、分析和解決問題,有效培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新意識和工程實踐能力[8],實現(xiàn)理論和實踐相結(jié)合的食品類創(chuàng)新應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。此外,虛擬仿真實驗已在較多高校中開展應(yīng)用探索,已完成的或者在建的實驗項目為“食品微生物學(xué)”虛擬仿真實驗提供一定建設(shè)經(jīng)驗。
2.3.3 虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展帶來的機遇
近幾十年,信息技術(shù)飛速發(fā)展,虛擬仿真開發(fā)技術(shù)也越來越成熟。因此,實驗軟件和平臺的開發(fā)的成本也會越來越低,這為虛擬仿真實驗技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供良好契機。在國家政策支持和社會的需求下,虛擬仿真技術(shù)在高等教育的廣泛應(yīng)用是大勢所趨。雖然虛擬仿真實驗教學(xué)模式應(yīng)用的時間不長,但是快速的技術(shù)更新,使其功能越來越強大,可以根據(jù)教師和學(xué)生的意見反饋,定向開發(fā)新功能,為師生提供更好的體驗。隨著虛擬技術(shù)成本的降低,智能化、個性化和泛在化的“食品微生物學(xué)”虛擬仿真實驗教室將會逐步呈現(xiàn),實驗體驗更加真實,科技感更強,創(chuàng)新“食品微生物學(xué)”實驗教學(xué)模式,有效彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足。
2.4.1 課程開發(fā)質(zhì)量要求高
虛擬仿真實驗雖然具有不限空間、時間、設(shè)備等客觀條件的優(yōu)勢[9],但是一些實驗精度要求高、操作性強、需要熟能生巧、鍛煉實驗技術(shù)的實驗類項目,虛擬仿真實驗開發(fā)難度高。這類實驗項目還是更適合于傳統(tǒng)課堂教學(xué)實驗操作為主。如光學(xué)顯微鏡的使用,需要通過肉眼觀察目鏡,協(xié)同手動調(diào)節(jié)載物臺和調(diào)焦螺旋觀察細(xì)菌的形態(tài),實驗需要反復(fù)的操作才能熟悉顯微鏡的使用并觀察到細(xì)菌的微小形態(tài)結(jié)構(gòu)。此外,一些涉及分子生物學(xué)的實驗操作,如質(zhì)粒的提取,基因的轉(zhuǎn)化等,需要精準(zhǔn)的實驗技術(shù),這些實驗如果都應(yīng)用虛擬仿真實驗進行教學(xué),學(xué)生將無法得到基本實驗技能的訓(xùn)練機會。因此,為進一步促進虛擬仿真實驗在傳統(tǒng)“食品微生物學(xué)”實驗中的應(yīng)用,可將智能頭盔、智能穿戴等設(shè)備與虛擬仿真實驗項目相結(jié)合,提高數(shù)據(jù)傳輸速度、屏幕刷新技術(shù)、交互設(shè)備精確度,使實驗顯示內(nèi)容和感官同步,提高實驗項目的體驗性,真正實現(xiàn)實驗項目的虛擬操作。教育領(lǐng)域?qū)μ摂M仿真實驗教學(xué)的開發(fā)應(yīng)用沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,導(dǎo)致開發(fā)的實驗項目與使用的虛擬仿真軟件應(yīng)用平臺不兼容,如系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)庫支持、功能模塊、運轉(zhuǎn)流程等都存在差異,影響虛擬仿真實驗實驗項目的廣泛推廣和應(yīng)用。
2.4.2 師資力量薄弱和學(xué)生管理難度大
教師習(xí)慣于傳統(tǒng)的課堂實驗教學(xué),開設(shè)虛擬仿真實驗課程,需要重新進一步掌握信息化知識,需要與軟件開發(fā)公司對接,根據(jù)實驗需求進行虛擬仿真實驗設(shè)計,還缺乏系統(tǒng)、成熟的信息技術(shù)操作和管理的培訓(xùn)體系。此外,因為軟件開發(fā)公司無法提供實時的技術(shù)服務(wù),后續(xù)的虛擬仿真實驗軟件和運行平臺也需要教師進行管理和維護。因此,長期順利開展虛擬仿真實驗教學(xué)也存在一定困難。
學(xué)生剛接觸虛擬仿真實驗時,由于是新鮮事物,普遍興趣較高,可以自主、有效完成學(xué)習(xí)。一旦學(xué)習(xí)時間長久,也會逐漸產(chǎn)生厭倦心理,便可能通過技術(shù)手段或者尋找他人替代自己刷課,完成虛擬仿真實驗課程的學(xué)習(xí)。虛擬仿真實驗課程雖然突破時間和空間的束縛,但如果教師不在現(xiàn)場教學(xué),僅通過網(wǎng)絡(luò)則無法有效實現(xiàn)對學(xué)生的監(jiān)督作用。因此,結(jié)合視頻直播或者其他有效的考核監(jiān)督方式是未來虛擬仿真實驗項目開發(fā)需要考慮的一個重要問題。
虛擬仿真實驗的交互性、沉浸性和趣味性等特點,有力推動了信息技術(shù)與“食品微生物學(xué)”實驗教學(xué)的結(jié)合和發(fā)展。利用SWOT方法分析“食品微生物學(xué)”虛擬仿真實驗教學(xué)模式的應(yīng)用應(yīng)該考慮具體實驗的類型和內(nèi)容發(fā)揮其優(yōu)勢,并不是完全通過虛擬仿真實驗替代傳統(tǒng)的課堂實驗操作教學(xué)[10],而是建議采用“虛”實結(jié)合的方式,將虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容和傳統(tǒng)實驗教學(xué)內(nèi)容有機結(jié)合,充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢。通過虛擬仿真實驗教學(xué)模式的應(yīng)用,提高課堂的實驗技能教學(xué)效果,充分激發(fā)學(xué)生的求知欲和發(fā)揮其主觀能動性,提高學(xué)習(xí)效率。因此,虛擬仿真實驗教學(xué)模式為不斷提高“食品微生物學(xué)”實驗的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果以及培養(yǎng)食品領(lǐng)域的復(fù)合型應(yīng)用人才發(fā)揮重要作用。