MOOC與虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)融合應(yīng)用于微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探究-以福建工程學(xué)院為例

MOOC與虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)融合應(yīng)用于

微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探究以福建工程學(xué)院為例［摘要］微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)是微生物學(xué)建立和發(fā)展的根本條件，引入現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)開放課堂是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的有益補(bǔ)充和未來發(fā)展的趨勢。利用慕課和虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等互動(dòng)教學(xué)模式，能有效解決工科院校學(xué)生實(shí)驗(yàn)積極性不足、師生互動(dòng)少、創(chuàng)新力差等問題，有利于在新工科背景下為社會(huì)培養(yǎng)多學(xué)科交叉的應(yīng)用型人才。［關(guān)鍵詞］微生物學(xué)實(shí)驗(yàn);MOOC;虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)微生物學(xué)是生命科學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用性極強(qiáng)的一門交叉學(xué)科，該課程作為生物科學(xué)的一門專業(yè)基礎(chǔ)必修課，廣泛存在于現(xiàn)有生物學(xué)一級(jí)學(xué)科下各專業(yè)及其他生物學(xué)相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)方案中。111近年來，隨著生物科學(xué)的不斷發(fā)展，微生物學(xué)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(duì)微生物學(xué)課程進(jìn)行綜合改革。其中，在以工為主的應(yīng)用型本科高校中，微生物學(xué)課程的改革方向必須服務(wù)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(xué)與工程、土木工程、材料科學(xué)與工程、化學(xué)工程與工藝等專業(yè)的學(xué)科發(fā)展趨勢緊密結(jié)合。而微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)作為微生物學(xué)的重要組成部分，除了讓學(xué)生更好地鞏固理論知識(shí)外，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力，最終適應(yīng)工作崗位的需求。121比如在工程實(shí)踐中，微生物的先進(jìn)技術(shù)廣泛應(yīng)用于水污染控制工程、大氣污染控制工程、有毒有害物質(zhì)降解、環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境污染修復(fù)等生態(tài)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，還與土木工程學(xué)、材料學(xué)緊密結(jié)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(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)將為踐行新工科教學(xué)背景下以“學(xué)習(xí)結(jié)果”為導(dǎo)向，積極培養(yǎng)應(yīng)用型、技能型工程人才,打造多學(xué)科交叉復(fù)合型人才培養(yǎng)體系構(gòu)建提供有力支撐。田一、福建工程學(xué)院微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀福建工程學(xué)院是福建省一流學(xué)科重點(diǎn)建設(shè)高校，在“十三五”期間確立了堅(jiān)持“以工為主、區(qū)域性、應(yīng)用型”辦學(xué)定位，將建成高水平示范性應(yīng)用型大學(xué)、更名為“大學(xué)”、推進(jìn)博士學(xué)位授權(quán)立項(xiàng)培養(yǎng)單位建設(shè)作為近期的“三大目標(biāo)”。為配合學(xué)校發(fā)展需求，如何對(duì)傳統(tǒng)的微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行革新，以符合行業(yè)熱點(diǎn)的趨勢制定適合我校應(yīng)用型本、碩、博人才培養(yǎng)的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式成為當(dāng)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(xué)與工程兩個(gè)專業(yè)分別在本科二三年級(jí)開設(shè)環(huán)境工程微生物學(xué)、水處理生物學(xué)兩門生物學(xué)類課程，且課程中開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多為基礎(chǔ)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)（見下表）。在實(shí)踐教學(xué)中普遍存在以下三個(gè)問題:一是實(shí)驗(yàn)課時(shí)緊張,傳統(tǒng)的教師示教不能讓學(xué)生很好地掌握每節(jié)實(shí)驗(yàn)課的操作要點(diǎn)和難點(diǎn)，且由于學(xué)生預(yù)習(xí)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(shí)驗(yàn)完成質(zhì)量差。同二是受場地局限，實(shí)驗(yàn)教學(xué)均采用分組方式進(jìn)行，這雖有利于團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神的培養(yǎng)，但由于每組內(nèi)學(xué)生能力不一,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)所有實(shí)驗(yàn)均由組內(nèi)能力較強(qiáng)的學(xué)生獨(dú)立完成，而能力較弱的學(xué)生濫竽充數(shù)的現(xiàn)象。161三是由于微生物學(xué)研究的特點(diǎn)，許多綜合性實(shí)驗(yàn)的開展需要涉及高尖端儀器、危險(xiǎn)藥品，并且實(shí)驗(yàn)周期長，目前以本科教學(xué)為主的微生物實(shí)驗(yàn)室并不具備開展此類實(shí)驗(yàn)的條件。而近年來，工科專業(yè)對(duì)復(fù)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(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行改革，摒棄傳統(tǒng)微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中學(xué)生按照指定的實(shí)驗(yàn)步驟，“被動(dòng)遵循式”進(jìn)行操作和記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，很少關(guān)注實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及其背后的理論知識(shí)，缺乏主動(dòng)思考與自主設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)的問題。福建工程學(xué)院微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目序號(hào)項(xiàng)目名稱實(shí)驗(yàn)類型1光學(xué)顯微鏡的操作及微生物個(gè)體形態(tài)觀察驗(yàn)證性2微生物的染色驗(yàn)證性3微生物數(shù)量及大小的測定驗(yàn)證性4培養(yǎng)基的制備和滅菌驗(yàn)證性5環(huán)境中微生物的純種分離、培養(yǎng)和接種技術(shù)驗(yàn)證性6純培養(yǎng)菌種的菌體、菌落形態(tài)的觀察驗(yàn)證性7水體衛(wèi)生細(xì)菌學(xué)檢驗(yàn)驗(yàn)證性二、新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)思路當(dāng)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(shí)驗(yàn)教學(xué)改革帶來了新的機(jī)遇。MOOC與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)課程的不同之處在于其提倡的“師生互動(dòng)，生生討論”模式?！醭芴峁┮曨l資料、PPT、文本材料外,還能在每個(gè)學(xué)習(xí)視頻旁提供各種用戶交互討論區(qū)，為學(xué)習(xí)者建立交互參與機(jī)制,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。在此次改革中，通過嘗試將每個(gè)基礎(chǔ)性微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，如顯微鏡的操作、微生物個(gè)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(shù)等，濃縮成一個(gè)15分鐘的微視頻，內(nèi)容不僅包括教會(huì)學(xué)生如何操作，幫助學(xué)生做到充分利用課前時(shí)間獨(dú)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(yàn)，以期達(dá)到在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展前將不同層次學(xué)生分類，實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)開展過程中以生為本，因材施教的目的。l8J同時(shí)，為順應(yīng)專業(yè)發(fā)展趨勢，以虛擬仿真技術(shù)為依托開展迎合就業(yè)需求的大型綜合類微生物實(shí)驗(yàn)勢在必行。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟、硬件構(gòu)建一種整體的可代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)的可視化操作情景,供學(xué)生根據(jù)自身需求不受時(shí)間、地域和實(shí)驗(yàn)條件限制，獨(dú)立、自主、安全地進(jìn)行大型實(shí)驗(yàn)。叫不僅能有效解決許多高校因?yàn)橘Y金、場地、師資及安全性等限制無力開展此類大型實(shí)驗(yàn)的問題，還能幫助學(xué)生充分了解從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)到實(shí)際應(yīng)用的全過程,進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生潛能，培養(yǎng)其創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。三、改革舉措針對(duì)傳統(tǒng)微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題與不足，以我校應(yīng)用型本、碩、博人才培養(yǎng)為目標(biāo)，堅(jiān)持以就業(yè)為導(dǎo)向,以交叉學(xué)科促學(xué)科發(fā)展為原則,探究夯實(shí)基礎(chǔ)、強(qiáng)化技能、開拓創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系（見下圖）,主要采取了以下幾種措施。項(xiàng)目技術(shù)方案（一） MOOC應(yīng)用于基礎(chǔ)性微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(shí)驗(yàn)MOOC教學(xué)。因此，需不斷探索線上MOOC應(yīng)用于微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式,主要包括以下幾種。將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的預(yù)習(xí)、考核環(huán)節(jié)放到MOOC平臺(tái)中，通過理論視頻、作業(yè)和小測評(píng)能強(qiáng)化學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，且通過高清攝像機(jī)全程錄制教師的實(shí)驗(yàn)操作過程，對(duì)關(guān)鍵性的操作步驟進(jìn)行詳細(xì)演示講解，方便學(xué)生實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)。通過將高清MOOC運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不僅能規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作和教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，還能幫助學(xué)生更為高效地投入傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程中。由于每名學(xué)生生物學(xué)基礎(chǔ)不同，部分學(xué)生已經(jīng)較好地掌握大部分常規(guī)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過預(yù)習(xí)測試環(huán)節(jié)可篩選出此類學(xué)生，允許其在一堂實(shí)驗(yàn)課內(nèi)完成多個(gè)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)考核，提早進(jìn)行綜合虛擬實(shí)驗(yàn)操作。而不具備微生物實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的學(xué)生可按傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)步驟進(jìn)行，做到因材施教。針對(duì)并不具備生物學(xué)基礎(chǔ)的部分研究生,其微生物實(shí)驗(yàn)技術(shù)極為薄弱，而他們在科研階段卻亟需運(yùn)用相關(guān)微生物實(shí)驗(yàn)技術(shù)。通過基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)MOOC教學(xué)能幫助他們更好地梳理知識(shí)，將微生物相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用于科學(xué)研究中。1101（二） 傳統(tǒng)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革目前，各高校開展的傳統(tǒng)微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)，一般在1個(gè)學(xué)期內(nèi)開設(shè)7~8個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每次將學(xué)生分成2~3批,2人1組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。由于學(xué)生素質(zhì)能力參差不齊，存在部分學(xué)生能夠極快完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課時(shí)而能力差的學(xué)生混水摸魚的現(xiàn)象。通過實(shí)驗(yàn)MOOC的前期篩選，我們可以在一次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中同時(shí)開展2~3個(gè)不同的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，能力強(qiáng)的學(xué)生若能在一次實(shí)驗(yàn)課程中完成多個(gè)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目考核，即可投入后期綜合虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，能力較差的學(xué)生可按原有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排逐個(gè)完成。這樣根據(jù)學(xué)生能力安排實(shí)驗(yàn)，順應(yīng)學(xué)生個(gè)性發(fā)展需求，既提高了課堂效率，又能夠保證每個(gè)學(xué)生真正從實(shí)驗(yàn)課中學(xué)到知識(shí)和技術(shù)。此外，多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也可針對(duì)其他專業(yè)的學(xué)生根據(jù)MOOC學(xué)習(xí)后的成果，有選擇地申請(qǐng)開放實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行實(shí)踐操作。（三） 借助共享虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)福建省已有廈門大學(xué)、福建師范大學(xué)等高校建成生物虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),通過調(diào)研這兩所高校的情況，有望實(shí)現(xiàn)虛擬資源共享，并結(jié)合福建工程學(xué)院的實(shí)際情況制定適合我院學(xué)生學(xué)習(xí)的虛擬資源。學(xué)生可以通過虛擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)大型綜合微生物實(shí)驗(yàn)的完整操作，了解到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素、實(shí)驗(yàn)運(yùn)作的流程和實(shí)驗(yàn)分析的方法，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)操作的完美結(jié)合。總之，通過將微生物實(shí)驗(yàn)MOOC與虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)融入傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,探索出新型微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,有利于打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性，突出學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的主體地位,為其提供發(fā)揮創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的自由空間,更好地促進(jìn)學(xué)生自由、全面發(fā)展。另一方面,提升有深造意向的本科生對(duì)未來從事的科研工作的認(rèn)識(shí)，還能幫助碩士、博士研究生通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)將微生物實(shí)驗(yàn)技術(shù)融入自身的科學(xué)研究中。目前，我校已有土木工程專業(yè)、化學(xué)材料專業(yè)研究生在開題前借助此模式彌補(bǔ)微生物實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)及技術(shù)的欠缺，并將其運(yùn)用到后期的研究中，實(shí)踐效果良好。新時(shí)期的高等