安晓萍 王园 宋敏 刘娜 齐景伟
摘 要 为提高水产养殖专业人才培养质量，基于水产养殖专业水产微生物学课程特点，通过虚拟仿真技术构建水产微生物虚拟仿真教学体系，克服实验教学困难，改善教学模式，丰富教学内容，可最大限度地发挥实验教学的作用，深化实验教学改革，明显提高实验教学效率和质量。
关键词 虚拟仿真技术;水产养殖专业;水产微生物学;实验教学;教学资源;云畜牧创新平台;智慧养殖虚拟仿真平台
中图分类号：G642 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2021）11-0034-03
0 前言
改革开放以来，在“以养为主”的发展方针指导下，水产养殖业发展迅速，我国已成为世界上唯一的养殖水产品总量超过捕捞总量的国家[1]，随之而来的有技术、有经验、懂管理的水产养殖专业人才需求量逐年攀升。为了适应当代水产养殖业的快速发展，作为水产养殖专业人才输出基地，农林院校需要进一步加强学生专业素养和实践技能的提升。
水产微生物学是水产养殖专业必修基础课，良好的课程教学效果是水产养殖专业学生后续专业课程学习的铺垫，是培养基础理论扎实、创新意识和实践能力强的优秀水产养殖人才的基础。近年来，经济社会发展和建设用地不断扩张，养殖水域空间受到严重挤压，养殖网箱密度过大，养殖水域周边污染严重，各种新发、突发疾病不断出现且日益复杂[2]，水产微生物学实验教学面临严峻考验。
随着人工智能、大数据、5G、云计算等技术手段的发展，我国已经迈入全新的互联网时代。新冠疫情期间，教育部发布《关于切实做好新型冠状病毒感染的肺炎疫情防控工作应急预案的通知》，部署“停课不停学”的教育教学指示精神，要求高校教师更新教育观念、重构教学体系、变革教学模式，构建一种集成多种信息技术的全新教育体系[3]。虚拟仿真（Virtual Reality，VR）作为一种信息技术，是综合运用计算机虚拟现实和数码仿真技术，辅之以生物仿真引擎、处理因素数据库、虚拟环境界面等技术，给师生带来源于视觉、听觉和触觉等感官方面的模拟体验[4]。笔者所在课程组依托内蒙古农业大学动物科学学院云畜牧创新平台下智慧养殖虚拟仿真平台，在水产微生物学实验教学模式改革方面进行了探索。
1 水产微生物学课程定位与特点
在水产养殖专业的人才培养目标体系中，水产微生物学是非常重要的专业基础课程，在人才培养方案中占有十分重要的地位。水产微生物学作为微生物学的重要分支，通过介绍细菌、真菌和病毒的形态、结构、生理特性等生命活动基本规律，了解水产养殖生产中重要病原体，阐述其与水产养殖环境、水产动物疾病及水产品关系，目的在于通过人工调控方法挖掘、利用和改善有益微生物，控制改造和消灭有害微生物[5]。通过课堂的理论集中教学和实验教学，为学生后续专业课程学习和从事水产养殖行业打下良好基础，为保障水产养殖业健康发展服务。
水产微生物学是一门兼具理论性和实践性的课程。理论课涉及水产养殖生产中主要细菌、真菌和病毒，其形态结构、营养、生理代谢、生长方式和生长规律等知识抽象复杂，大量概念、原理需要理解和记忆，且不同微生物之间相似性强，容易混淆。实驗课则涉及微生物菌种分离和培养、染色和观察、菌种保藏以及有害微生物的控制，由于微生物具有肉眼不可见和无处不在的特点，实验过程中若不能严格执行无菌操作，就会造成杂菌的污染而导致实验失败。因此，实验操作具有特殊的规范和要求[6]。从水产微生物学的特点考虑，实验教学所教授的基本实验技能和基本实验方法在培养学生实践能力和创新意识方面具有举足轻重的作用，因此必须强化和改革实验教学环节，使学生具备较强的实验操作技能。
2 水产微生物学实验教学现状与存在的不足
2.1 教学资源不足
传统实验教学模式受学时、设备、场地以及经费的限制。以内蒙古农业大学为例，水产微生物学课程的实验教学课时数仅为16学时，菌种分离和培养、染色和观察、菌种保藏等实验周期长，教学任务非常繁重。水产微生物学实验室仅能提供30人的空间同时开展实验操作，人员拥挤嘈杂，再加上设备有限，存在多个小组共用超净工作台的情况，甚至出现只能使用酒精灯做简单的无菌操作的情况，而教学成本高或涉及先进仪器设备的实验项目更是无法开设。这些因素很大程度限制了水产微生物学实验教学的开展，不利于实践型水产养殖人才的培养。
2.2 教学模式陈旧
传统的水产微生物学实验课中，多采用教师先口头讲解实验原理，再集中演示方法，最后学生动手训练过程中教师辅助指导的教学模式[7]。教师在教授实验原理过程中多采用PPT的形式，很难将复杂的实验直观、生动地展示给学生。在演示实验方法过程中又因为空间、角度的原因，部分学生看不清操作动作，不能掌握全部实验操作，导致实验失败。由于理解程度不同，学生在动手训练过程中不断出现互相询问或寻求教师指导的情况，导致教师对所有学生实验过程的有效监控缺乏。这种传统的模式缺乏生动性、直观性和互动性，难以调动学生的学习积极性。
2.3 专业相关实验少
水产微生物学教学内容体现专业特色内容较少，主要偏重于基础性实验内容[8]。基础性实验内容主要为验证性实验，实验结果已知，缺乏创意和悬念，造成学生主动性不强，对实验结果分析不够深入，从而收获较少。同时，由于考虑到生物安全、实验操作中的危险与安全隐患，一些和水产养殖生产息息相关的致病性微生物的培养实验更是不能实施。
3 水产微生物学虚拟仿真实验教学探索
笔者所在课程组结合自身教学实际和特点，依托内蒙古农业大学动物科学学院云畜牧创新平台下智慧养殖虚拟仿真平台，对虚拟仿真教学进行了初步尝试，建立水产微生物虚拟仿真教学体系，涉及培养基制作、灭菌及无菌操作、革兰氏染色、分离纯化、生长曲线绘制和固态发酵六部分内容。将实际操作结合虚拟仿真预习、复习和考核，实现虚实结合，学生可以跨时空从形态→鉴别→培养→应用等方面递进、循环地深入学习，熟练掌握微生物学实验内容，圆满地完成水产微生物学实验教学，为水产养殖行业培养出实用、创新的专业人才。
3.1 基于虚拟仿真技术的水产微生物学实验课程总体目标
如图1所示，水产微生物学实验课程的总体目标是夯实水产专业学生微生物学知识，培养学生的微生物资源观和益生菌服务养殖观，提高学生的创新能力，激发学生的学习兴趣。
3.2 基于虚拟仿真技术的水产微生物学实验课程教学安排
虚拟仿真技术为水产微生物学实验课程教学提供了一种新的教学模式。在国家虚拟仿真实验教学项目中与水产微生物学实验课程内容相关的项目有“临床样本病原微生物检测虚拟仿真实验（南开大学）”“CDC病原微生物实验室生物安全事故应急处置（宁夏医科大学）”“水产养殖生产实习虚拟仿真实验（天津农学院）”“啤酒工艺虚拟仿真实验教学（广西大学）”及“固态白酒发酵的工艺原理和生物学本质探究虚拟仿真实验（华中农业大学）”。借助上述相关平台对水产微生物学教学内容、教学手段进行一些调整，从内容上增加五个虚拟仿真实验，从教学形式上增加了直观、模拟和沉浸的方法，以丰富实验形式、填补教学空白（表1）。具体的教学安排如下。
1）微生物实验室的安全、消毒和灭菌仿真。在进行生物安全培训、细菌培养基配制和灭菌实体实验之后，增设微生物实验室的结构和使用虚拟仿真实验，为学生提供微生物实验室安全操作全流程直观体验。
2）微生物形态及染色。在完成传统革兰氏染色和使用显微镜观察固定装片后，增设革兰氏染色微观实验虚拟仿真实验，实现革兰氏染色实验的微观可视化教学。
3）细菌生长曲线测定分析。在完成乳酸菌、酵母菌的液态培养生长曲线实验后，增设乳酸菌、酵母菌的液态培养动态、直观的虚拟仿真实验。
4）益生菌在生产中应用。在掌握微生物培养基本实验操作后，增设液态发酵和固态发酵两个综合实验的虚拟仿真，为学生体验益生菌在水产行业应用提供直观教学内容。
3.3 虚拟实验预习
学生登录内蒙古农业大学动物科学学院云畜牧创新平台下智慧养殖虚拟仿真平台，进入水产微生物学虚拟仿真实验板块。以水产微生物学实验五“酵母菌的液态发酵”为例，第一步，通过“知识点”模块了解细菌分离、纯化基本原则;第二步，通过“实验过程”模块，观看整个实验过程演示动画;第三步，进行虚拟实操训练，在虚拟水产微生物学实验室中进行培养基的配制、干热灭菌、稀释分离、平板制作、划线分离、纯化培养及无菌操作等步骤，操作步骤均为单向，若无法进行，可返回“实验过程”模块，再次观看整个实验过程演示动画。该虚拟仿真实验共建立七个独立的步骤和100余个交互操作。
3.4 实际实验操作
按照课程教学计划，在完成虚拟实验预习后，在实验室进行实际实操实验。同样以“酵母菌的液态发酵”为例，第一步，授课教师利用PPT、图片、视频、动画等多元手段讲解酵母菌分离纯化目的和原理;第二步，授课教师以演示示范詳解酵母菌分离纯化的步骤和注意事项，特别强调无菌操作的重要性，同时不断提出问题，检查预习效果;第三步，学生动手实际操作，授课教师走到学生中间答疑解惑，并随时观察学生的操作是否规范、安全，如有错误及时指出。
3.5 课后评价
在学生完成实际实验操作后，安排时间让学生再次登录内蒙古农业大学动物科学学院云畜牧创新平台下智慧养殖虚拟仿真平台，进入水产微生物学虚拟仿真实验板块，进行课后复习，操作与实验预习过程一致。但在复习过程中要求学生结合自己实操实验的经历，找出课程测试中他人完成实验视频的错误点，并完成其他相关测试。
4 小结与展望
虚拟仿真技术克服教学资源不足的限制，学生可多批次反复操作练习，提高实验操作规范性和准确性;克服教学模式陈旧的难题，可把枯燥的理论变为鲜活的图形，引发学生浓厚的兴趣，从而达到理论联系实际的目的;克服基础性实验过多的问题，学生自主设计实验、验证实验，激发学生的学生主动性和创造性;保证学生实验安全性，避免致病性微生物引起生物安全隐患。
作为一种新的实验教学模式，虚拟仿真实验教学对教师的综合素养及教学方法提出更高的要求，技术层面上要求教师熟练掌握和应用虚拟仿真技术，教学内容上要求保证虚拟仿真实验教学与实际实验教学的一致性。同时，在虚拟仿真实验教学体系中需要进一步加强课后评价体系，保障实验教学效果。
参考文献
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