MOOC与虚拟实验系统融合应用于微生物实验教学的探究-以福建工程学院为例

MOOC与虚拟实验系统融合应用于

微生物实验教学的探究以福建工程学院为例［摘要］微生物学实验技术是微生物学建立和发展的根本条件，引入现代网络开放课堂是对传统实验教学模式的有益补充和未来发展的趋势。利用慕课和虚拟实验系统等互动教学模式，能有效解决工科院校学生实验积极性不足、师生互动少、创新力差等问题，有利于在新工科背景下为社会培养多学科交叉的应用型人才。［关键词］微生物学实验;MOOC;虚拟实验系统微生物学是生命科学领域中应用性极强的一门交叉学科，该课程作为生物科学的一门专业基础必修课，广泛存在于现有生物学一级学科下各专业及其他生物学相关专业的人才培养方案中。111近年来，随着生物科学的不断发展，微生物学原理与方法不断创新，各高校都在依据自身专业发展趋势有的放矢地对微生物学课程进行综合改革。其中，在以工为主的应用型本科高校中，微生物学课程的改革方向必须服务于新工科背景下各专业的需求，将其与环境工程、给排水科学与工程、土木工程、材料科学与工程、化学工程与工艺等专业的学科发展趋势紧密结合。而微生物学实验作为微生物学的重要组成部分，除了让学生更好地巩固理论知识外，更重要的是培养学生理论与实践相结合的能力，最终适应工作岗位的需求。121比如在工程实践中，微生物的先进技术广泛应用于水污染控制工程、大气污染控制工程、有毒有害物质降解、环境监测、环境污染修复等生态环境保护领域，还与土木工程学、材料学紧密结合共同参与到环境功能型材料的研发中。131因此,若能牢固掌握微生物学实验技术将为践行新工科教学背景下以“学习结果”为导向，积极培养应用型、技能型工程人才,打造多学科交叉复合型人才培养体系构建提供有力支撑。田一、福建工程学院微生物实验教学现状福建工程学院是福建省一流学科重点建设高校，在“十三五”期间确立了坚持“以工为主、区域性、应用型”办学定位，将建成高水平示范性应用型大学、更名为“大学”、推进博士学位授权立项培养单位建设作为近期的“三大目标”。为配合学校发展需求，如何对传统的微生物实验教学进行革新，以符合行业热点的趋势制定适合我校应用型本、硕、博人才培养的新型实验教学模式成为当下课程改革的方向。而目前我校仅有环境工程、给排水科学与工程两个专业分别在本科二三年级开设环境工程微生物学、水处理生物学两门生物学类课程，且课程中开设的实验项目多为基础性验证实验（见下表）。在实践教学中普遍存在以下三个问题:一是实验课时紧张,传统的教师示教不能让学生很好地掌握每节实验课的操作要点和难点，且由于学生预习通常不充分，在具体操作过程中经常边看书边操作，整体实验完成质量差。同二是受场地局限，实验教学均采用分组方式进行，这虽有利于团队协作精神的培养，但由于每组内学生能力不一,经常会出现所有实验均由组内能力较强的学生独立完成，而能力较弱的学生滥竽充数的现象。161三是由于微生物学研究的特点，许多综合性实验的开展需要涉及高尖端仪器、危险药品，并且实验周期长，目前以本科教学为主的微生物实验室并不具备开展此类实验的条件。而近年来，工科专业对复杂工程问题综合解决能力的要求在不断提高，促使我们必须对传统的实验课程进行改革，摒弃传统微生物实验教学过程中学生按照指定的实验步骤，“被动遵循式”进行操作和记录实验数据，很少关注实验现象及其背后的理论知识，缺乏主动思考与自主设计综合实验的问题。福建工程学院微生物学实验项目序号项目名称实验类型1光学显微镜的操作及微生物个体形态观察验证性2微生物的染色验证性3微生物数量及大小的测定验证性4培养基的制备和灭菌验证性5环境中微生物的纯种分离、培养和接种技术验证性6纯培养菌种的菌体、菌落形态的观察验证性7水体卫生细菌学检验验证性二、新型实验教学的设计思路当前，新型在线开放课程（慕课）（MassiveOpenOnlineCourese,MOOC）在世界范围内广泛兴起，给微生物实验教学改革带来了新的机遇。MOOC与传统网络课程的不同之处在于其提倡的“师生互动，生生讨论”模式。□除能提供视频资料、PPT、文本材料外,还能在每个学习视频旁提供各种用户交互讨论区，为学习者建立交互参与机制,激发学生学习的积极性和主动性。在此次改革中，通过尝试将每个基础性微生物学实验，如显微镜的操作、微生物个体形态观察、微生物的染色、培养基制备与灭菌、平板培养与接种技术等，浓缩成一个15分钟的微视频，内容不仅包括教会学生如何操作，帮助学生做到充分利用课前时间独立思考,避免出现具体操作过程中边看书边操作的现象;还可以在其中添加小测验，以期达到在传统实验教学开展前将不同层次学生分类，实现在实验开展过程中以生为本，因材施教的目的。l8J同时，为顺应专业发展趋势，以虚拟仿真技术为依托开展迎合就业需求的大型综合类微生物实验势在必行。虚拟实验系统运用计算机软、硬件构建一种整体的可代替真实实验的可视化操作情景,供学生根据自身需求不受时间、地域和实验条件限制，独立、自主、安全地进行大型实验。叫不仅能有效解决许多高校因为资金、场地、师资及安全性等限制无力开展此类大型实验的问题，还能帮助学生充分了解从实验设计到实际应用的全过程,进一步激发学生潜能，培养其创新设计能力。三、改革举措针对传统微生物实验教学中存在的问题与不足，以我校应用型本、硕、博人才培养为目标，坚持以就业为导向,以交叉学科促学科发展为原则,探究夯实基础、强化技能、开拓创新的实验教学体系（见下图）,主要采取了以下几种措施。项目技术方案（一） MOOC应用于基础性微生物实验教学前期目前，国内的微生物MOOC大多数仅涉及专业理论课程,缺乏实验MOOC教学。因此，需不断探索线上MOOC应用于微生物实验教学的方式,主要包括以下几种。将实验项目的预习、考核环节放到MOOC平台中，通过理论视频、作业和小测评能强化学生对理论知识的理解，且通过高清摄像机全程录制教师的实验操作过程，对关键性的操作步骤进行详细演示讲解，方便学生实验预习。通过将高清MOOC运用于实验教学中，不仅能规范实验操作和教学标准，还能帮助学生更为高效地投入传统实验课程中。由于每名学生生物学基础不同，部分学生已经较好地掌握大部分常规基础性实验项目，通过预习测试环节可筛选出此类学生，允许其在一堂实验课内完成多个基础性实验考核，提早进行综合虚拟实验操作。而不具备微生物实验基础的学生可按传统实验教学步骤进行，做到因材施教。针对并不具备生物学基础的部分研究生,其微生物实验技术极为薄弱，而他们在科研阶段却亟需运用相关微生物实验技术。通过基础性实验MOOC教学能帮助他们更好地梳理知识，将微生物相关实验技术应用于科学研究中。1101（二） 传统课内实验教学改革目前，各高校开展的传统微生物实验教学，一般在1个学期内开设7~8个实验项目，每次将学生分成2~3批,2人1组进行实验操作。由于学生素质能力参差不齐，存在部分学生能够极快完成基础实验课时而能力差的学生混水摸鱼的现象。通过实验MOOC的前期筛选，我们可以在一次的实验教学中同时开展2~3个不同的基础性实验项目，能力强的学生若能在一次实验课程中完成多个基础性实验项目考核，即可投入后期综合虚拟实验学习，能力较差的学生可按原有的实验教学安排逐个完成。这样根据学生能力安排实验，顺应学生个性发展需求，既提高了课堂效率，又能够保证每个学生真正从实验课中学到知识和技术。此外，多个实验项目也可针对其他专业的学生根据MOOC学习后的成果，有选择地申请开放实验，进行实践操作。（三） 借助共享虚拟实验系统福建省已有厦门大学、福建师范大学等高校建成生物虚拟实验系统,通过调研这两所高校的情况，有望实现虚拟资源共享，并结合福建工程学院的实际情况制定适合我院学生学习的虚拟资源。学生可以通过虚拟系统实现对大型综合微生物实验的完整操作，了解到实验设计的关键要素、实验运作的流程和实验分析的方法，实现实验理论教学与实验操作的完美结合。总之，通过将微生物实验MOOC与虚拟实验系统融入传统实验教学中,探索出新型微生物学实验教学模式,有利于打破传统实验教学的局限性，突出学生在实验教学中的主体地位,为其提供发挥创新能力和实践能力的自由空间,更好地促进学生自由、全面发展。另一方面,提升有深造意向的本科生对未来从事的科研工作的认识，还能帮助硕士、博士研究生通过系统学习将微生物实验技术融入自身的科学研究中。目前，我校已有土木工程专业、化学材料专业研究生在开题前借助此模式弥补微生物实验基础知识及技术的欠缺，并将其运用到后期的研究中，实践效果良好。新时期的高等