MOOC與虛擬實驗系統(tǒng)融合應用于微生物實驗教學的探究-以福建工程學院為例

MOOC與虛擬實驗系統(tǒng)融合應用于

微生物實驗教學的探究以福建工程學院為例［摘要］微生物學實驗技術是微生物學建立和發(fā)展的根本條件，引入現(xiàn)代網(wǎng)絡開放課堂是對傳統(tǒng)實驗教學模式的有益補充和未來發(fā)展的趨勢。利用慕課和虛擬實驗系統(tǒng)等互動教學模式，能有效解決工科院校學生實驗積極性不足、師生互動少、創(chuàng)新力差等問題，有利于在新工科背景下為社會培養(yǎng)多學科交叉的應用型人才。［關鍵詞］微生物學實驗;MOOC;虛擬實驗系統(tǒng)微生物學是生命科學領域中應用性極強的一門交叉學科，該課程作為生物科學的一門專業(yè)基礎必修課，廣泛存在于現(xiàn)有生物學一級學科下各專業(yè)及其他生物學相關專業(yè)的人才培養(yǎng)方案中。111近年來，隨著生物科學的不斷發(fā)展，微生物學原理與方法不斷創(chuàng)新，各高校都在依據(jù)自身專業(yè)發(fā)展趨勢有的放矢地對微生物學課程進行綜合改革。其中，在以工為主的應用型本科高校中，微生物學課程的改革方向必須服務于新工科背景下各專業(yè)的需求，將其與環(huán)境工程、給排水科學與工程、土木工程、材料科學與工程、化學工程與工藝等專業(yè)的學科發(fā)展趨勢緊密結合。而微生物學實驗作為微生物學的重要組成部分，除了讓學生更好地鞏固理論知識外，更重要的是培養(yǎng)學生理論與實踐相結合的能力，最終適應工作崗位的需求。121比如在工程實踐中，微生物的先進技術廣泛應用于水污染控制工程、大氣污染控制工程、有毒有害物質降解、環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境污染修復等生態(tài)環(huán)境保護領域，還與土木工程學、材料學緊密結合共同參與到環(huán)境功能型材料的研發(fā)中。131因此,若能牢固掌握微生物學實驗技術將為踐行新工科教學背景下以“學習結果”為導向，積極培養(yǎng)應用型、技能型工程人才,打造多學科交叉復合型人才培養(yǎng)體系構建提供有力支撐。田一、福建工程學院微生物實驗教學現(xiàn)狀福建工程學院是福建省一流學科重點建設高校，在“十三五”期間確立了堅持“以工為主、區(qū)域性、應用型”辦學定位，將建成高水平示范性應用型大學、更名為“大學”、推進博士學位授權立項培養(yǎng)單位建設作為近期的“三大目標”。為配合學校發(fā)展需求，如何對傳統(tǒng)的微生物實驗教學進行革新，以符合行業(yè)熱點的趨勢制定適合我校應用型本、碩、博人才培養(yǎng)的新型實驗教學模式成為當下課程改革的方向。而目前我校僅有環(huán)境工程、給排水科學與工程兩個專業(yè)分別在本科二三年級開設環(huán)境工程微生物學、水處理生物學兩門生物學類課程，且課程中開設的實驗項目多為基礎性驗證實驗（見下表）。在實踐教學中普遍存在以下三個問題:一是實驗課時緊張,傳統(tǒng)的教師示教不能讓學生很好地掌握每節(jié)實驗課的操作要點和難點，且由于學生預習通常不充分，在具體操作過程中經(jīng)常邊看書邊操作，整體實驗完成質量差。同二是受場地局限，實驗教學均采用分組方式進行，這雖有利于團隊協(xié)作精神的培養(yǎng)，但由于每組內(nèi)學生能力不一,經(jīng)常會出現(xiàn)所有實驗均由組內(nèi)能力較強的學生獨立完成，而能力較弱的學生濫竽充數(shù)的現(xiàn)象。161三是由于微生物學研究的特點，許多綜合性實驗的開展需要涉及高尖端儀器、危險藥品，并且實驗周期長，目前以本科教學為主的微生物實驗室并不具備開展此類實驗的條件。而近年來，工科專業(yè)對復雜工程問題綜合解決能力的要求在不斷提高，促使我們必須對傳統(tǒng)的實驗課程進行改革，摒棄傳統(tǒng)微生物實驗教學過程中學生按照指定的實驗步驟，“被動遵循式”進行操作和記錄實驗數(shù)據(jù)，很少關注實驗現(xiàn)象及其背后的理論知識，缺乏主動思考與自主設計綜合實驗的問題。福建工程學院微生物學實驗項目序號項目名稱實驗類型1光學顯微鏡的操作及微生物個體形態(tài)觀察驗證性2微生物的染色驗證性3微生物數(shù)量及大小的測定驗證性4培養(yǎng)基的制備和滅菌驗證性5環(huán)境中微生物的純種分離、培養(yǎng)和接種技術驗證性6純培養(yǎng)菌種的菌體、菌落形態(tài)的觀察驗證性7水體衛(wèi)生細菌學檢驗驗證性二、新型實驗教學的設計思路當前，新型在線開放課程（慕課）（MassiveOpenOnlineCourese,MOOC）在世界范圍內(nèi)廣泛興起，給微生物實驗教學改革帶來了新的機遇。MOOC與傳統(tǒng)網(wǎng)絡課程的不同之處在于其提倡的“師生互動，生生討論”模式。□除能提供視頻資料、PPT、文本材料外,還能在每個學習視頻旁提供各種用戶交互討論區(qū)，為學習者建立交互參與機制,激發(fā)學生學習的積極性和主動性。在此次改革中，通過嘗試將每個基礎性微生物學實驗，如顯微鏡的操作、微生物個體形態(tài)觀察、微生物的染色、培養(yǎng)基制備與滅菌、平板培養(yǎng)與接種技術等，濃縮成一個15分鐘的微視頻，內(nèi)容不僅包括教會學生如何操作，幫助學生做到充分利用課前時間獨立思考,避免出現(xiàn)具體操作過程中邊看書邊操作的現(xiàn)象;還可以在其中添加小測驗，以期達到在傳統(tǒng)實驗教學開展前將不同層次學生分類，實現(xiàn)在實驗開展過程中以生為本，因材施教的目的。l8J同時，為順應專業(yè)發(fā)展趨勢，以虛擬仿真技術為依托開展迎合就業(yè)需求的大型綜合類微生物實驗勢在必行。虛擬實驗系統(tǒng)運用計算機軟、硬件構建一種整體的可代替真實實驗的可視化操作情景,供學生根據(jù)自身需求不受時間、地域和實驗條件限制，獨立、自主、安全地進行大型實驗。叫不僅能有效解決許多高校因為資金、場地、師資及安全性等限制無力開展此類大型實驗的問題，還能幫助學生充分了解從實驗設計到實際應用的全過程,進一步激發(fā)學生潛能，培養(yǎng)其創(chuàng)新設計能力。三、改革舉措針對傳統(tǒng)微生物實驗教學中存在的問題與不足，以我校應用型本、碩、博人才培養(yǎng)為目標，堅持以就業(yè)為導向,以交叉學科促學科發(fā)展為原則,探究夯實基礎、強化技能、開拓創(chuàng)新的實驗教學體系（見下圖）,主要采取了以下幾種措施。項目技術方案（一） MOOC應用于基礎性微生物實驗教學前期目前，國內(nèi)的微生物MOOC大多數(shù)僅涉及專業(yè)理論課程,缺乏實驗MOOC教學。因此，需不斷探索線上MOOC應用于微生物實驗教學的方式,主要包括以下幾種。將實驗項目的預習、考核環(huán)節(jié)放到MOOC平臺中，通過理論視頻、作業(yè)和小測評能強化學生對理論知識的理解，且通過高清攝像機全程錄制教師的實驗操作過程，對關鍵性的操作步驟進行詳細演示講解，方便學生實驗預習。通過將高清MOOC運用于實驗教學中，不僅能規(guī)范實驗操作和教學標準，還能幫助學生更為高效地投入傳統(tǒng)實驗課程中。由于每名學生生物學基礎不同，部分學生已經(jīng)較好地掌握大部分常規(guī)基礎性實驗項目，通過預習測試環(huán)節(jié)可篩選出此類學生，允許其在一堂實驗課內(nèi)完成多個基礎性實驗考核，提早進行綜合虛擬實驗操作。而不具備微生物實驗基礎的學生可按傳統(tǒng)實驗教學步驟進行，做到因材施教。針對并不具備生物學基礎的部分研究生,其微生物實驗技術極為薄弱，而他們在科研階段卻亟需運用相關微生物實驗技術。通過基礎性實驗MOOC教學能幫助他們更好地梳理知識，將微生物相關實驗技術應用于科學研究中。1101（二） 傳統(tǒng)課內(nèi)實驗教學改革目前，各高校開展的傳統(tǒng)微生物實驗教學，一般在1個學期內(nèi)開設7~8個實驗項目，每次將學生分成2~3批,2人1組進行實驗操作。由于學生素質能力參差不齊，存在部分學生能夠極快完成基礎實驗課時而能力差的學生混水摸魚的現(xiàn)象。通過實驗MOOC的前期篩選，我們可以在一次的實驗教學中同時開展2~3個不同的基礎性實驗項目，能力強的學生若能在一次實驗課程中完成多個基礎性實驗項目考核，即可投入后期綜合虛擬實驗學習，能力較差的學生可按原有的實驗教學安排逐個完成。這樣根據(jù)學生能力安排實驗，順應學生個性發(fā)展需求，既提高了課堂效率，又能夠保證每個學生真正從實驗課中學到知識和技術。此外，多個實驗項目也可針對其他專業(yè)的學生根據(jù)MOOC學習后的成果，有選擇地申請開放實驗，進行實踐操作。（三） 借助共享虛擬實驗系統(tǒng)福建省已有廈門大學、福建師范大學等高校建成生物虛擬實驗系統(tǒng),通過調(diào)研這兩所高校的情況，有望實現(xiàn)虛擬資源共享，并結合福建工程學院的實際情況制定適合我院學生學習的虛擬資源。學生可以通過虛擬系統(tǒng)實現(xiàn)對大型綜合微生物實驗的完整操作，了解到實驗設計的關鍵要素、實驗運作的流程和實驗分析的方法，實現(xiàn)實驗理論教學與實驗操作的完美結合?？傊ㄟ^將微生物實驗MOOC與虛擬實驗系統(tǒng)融入傳統(tǒng)實驗教學中,探索出新型微生物學實驗教學模式,有利于打破傳統(tǒng)實驗教學的局限性，突出學生在實驗教學中的主體地位,為其提供發(fā)揮創(chuàng)新能力和實踐能力的自由空間,更好地促進學生自由、全面發(fā)展。另一方面,提升有深造意向的本科生對未來從事的科研工作的認識，還能幫助碩士、博士研究生通過系統(tǒng)學習將微生物實驗技術融入自身的科學研究中。目前，我校已有土木工程專業(yè)、化學材料專業(yè)研究生在開題前借助此模式彌補微生物實驗基礎知識及技術的欠缺，并將其運用到后期的研究中，實踐效果良好。新時期的高等