新工科背景下微生物学学科虚拟仿真实验教学研究

随着我国虚拟仿真实验教学工作的开展，群组式学习模式被越来越多的探讨并应用到实际教学中，但将此学习模式与虚拟仿真类实验课程相结合进行教学研究的实例相对较少。针对微生物类实验实践教学中存在的典型问题，以哈尔滨工业大学《微生物生理学》研究生精品课程建设研究为例，提出基于群体协同交互式学习模式的微生物生理学虚拟仿真实验教学研究，以期打造微生物学科一流实验/实践类教学课程。本文阐述了群体协同交互式学习模式的内涵、构成要素及优势，论述了群体协同交互式学习模式在微生物生理学虚拟仿真实验教学中的实现过程，并总结了该模式的不足与未来发展方向。

 

1 群体协同交互式学习模式理论分析

1.1 传统学习模式弊端

随着教学改革加快、新教学理念推广，传统教学理念和教学方法的弊端越来越被凸显。相对于现代信息化教学方式，线下个体学习是人们进行知识建构最古老和最基础的学习模式。在此模式下，学习者由于自身价值观、知识经验有限等原因，所获得和创造的知识往往在一定程度上缺少全面性和系统性。随后产生的线下群体学习通过合作者间频繁的知识交流，可以在一定程度上弥补个体学习的局限性。然而，相比于线上学习，传统的线下学习模式存在消息闭塞、迭代时间长等不足。随着网络信息化技术和智能化技术的迅速兴起，基于大数据和人工智能的线上学习模式应运而生，然而近年来开展的线上学习模式多为个体学习，存在一定的局限性，无法实现群体间的合作学习。
目前，在实验教学中大多还是采用传统教学模式。即在实验室内教师完成知识点的讲解、实验演示，进而学生独立或分组进行小型实验设备的操作。传统的实体实验课不可避免地存在以下问题：实验场所受限，对于工程背景实验，很难利用实际工程项目开展实验；实验耗材多，成本高，受硬件设施限制大，往往会造成课堂效率低和实验时间过长；实验次数有限，实验室使用率低，受场地、时间和人力的限制，学生理论上只能进行一次实验学习，不能通过反复学习来深入掌握所学内容；教学内容缺乏灵活性和趣味性，实验课教学在既定实验内容的基础上很难再进行多方面的延伸。尤其是对于多条件探究类实验，有时受时间或仪器限制只能在多个子实验中选取少数几个进行示范教学，学生通过实验不能对课程全部内容进行掌握，而传统的教学方式容易减弱学生对教学内容的兴趣，难以实现学生对知识的主动吸收和拓展。
在新教学理念中，学习形式由过去的以教师教授为中心转换为以学生学习为中心，老师的职责不再是简单呈现课程内容，而是为学生建立一个合适的学习环境。老师与学生之间变成了协作关系，协同完成教学目标，共同解决教学难题，这也就是日常所说的“教学相长”。因此，基于线上的群体协同交互式学习模式被越来越多的探讨并被应用于实际教学活动中。

1.2 群体协同交互式学习模式

1.2.1 群体协同交互式学习模式内涵及特征
群体协同交互学习指以群体形式组织起来的的学习者，在共同目标的指引下，通过组内的沟通协作共同完成知识建构的过程。“群体”是指两个或两个以上互相影响、互相依赖的人为了完成特定的目标而组成的一个整体。
群体协同交互式学习强调个体间的协作和交互。在完成共同目标的过程中，不同个体会产生不同的解决思路，个体间存在着认知冲突，通过交流辩证和实践检验，群体最终会生成一个公认为最适当的解决路径，从而出色完成群体目标。
1.2.2 群体协同交互式学习模式优势
教学实践表明，群体协同交互式学习模式显著提高了学生学习的积极性，提升了学生的自主学习能力，加强了学生的团队合作精神和人际交往能力。
基于网络信息和通信技术的群体协同交互学习模式的优势主要体现在信息化和个体间的交互上，使得学习过程更加开放灵活和个性化。个体能够通过网络迅速获取所需的知识和最新的消息，也能通过同步和异步通信实现群体成员间的双向交互，不仅解决了线下学习消息闭塞的问题，也通过充分的个体交互弥补了个体学习的局限性。基于群体协同交互学习模式的虚拟仿真实验教学不仅可以在很大程度上弥补传统实体实验教学的不足，还可以实现线上的群体学习，在增加个体知识建构深度和广度，以及提高群体目标实现的效率和质量上都具有相对于其他学习模式的明显优势，值得推广并被实际应用到教学活动中。

图1-1群体协同交互式学习现场
Figure 1-1 Group collaborative interactive learning on site

 
1.2.3 群体协同交互式学习模式构成要素及影响因素
群体协同交互式学习主要是指“师生互动”及“生生互动”。群体协同交互学习过程包括以个体知识建构为主的准备阶段，以讨论、协商等群体知识建构为主的面对面研训阶段，以及以实践创作、应用、反思等双重建构为主的远程研训阶段，其中包含了个体知识建构、协同知识建构和基于点评讲解的高层次认知三个循环过程。
其中，以个体知识建构为主的准备阶段，即学生个体通过提前查阅资料，对要完成的课题进行剖析。协同知识建构即以讨论、协商为主的面对面研训阶段，此阶段是整个学习模式中较为重要的阶段。在此阶段中群体成员相互了解、建立人际认知网络，以共同完成一份实验设计为目标，群体成员间进行话语表述、观点交流、辩论共享，以期提出较适合的方案。基于点评讲解的高层次认知即教师点评、群体成员总结与反思，以期实现对学习内容更高程度的理解。
在群体协同交互式学习中认知冲突有助于促进群体成员的知识建构。群体成员间一旦产生认知冲突，便会引起认知心理的不平衡，进而激发学习者的求知欲，促进学习者的知识建构。研究表明，群体目标有利于群体成员间的凝聚、团结协作，进而促进群体知识建构。学习是不断循环上升的过程，对群体知识的应用和充分总结反思有助于群体知识实际意义的展现。

图1-2群体协同交互式学习知识构建图
Figure 1-2 Group collaborative interactive learning knowledge construction

 

2 《微生物生理学》实验虚拟仿真课程介绍

紧扣“金课”标准，开展微生物生理学课程虚拟仿真实验教学研究，是助推信息技术与实验教育教学深度融合的有效方式。微生物生理学虚拟仿真实验旨在创建更有利于培养学生实践能力和创新思维的实验教学场景，倡导具有探究性和个性化学习结果。通过实践能力的提高，进一步强化学生对理论、知识的理解。
微生物生理学实验课程教学内容从“微生物代谢”出发，基于科研课题“微生物脱氮机理及实际应用”成果转化教学内容，通过对实际污水不同脱氮工艺的比较，总结目前脱氮过程的不足之处，聚焦于脱氮过程中化能自养型、化能异养型微生物脱氮的矛盾问题，从代谢角度应用基因组学、转录组学等工具分析不同类型微生物脱氮机理，进而总结影响脱氮工艺的关键点，提出相应解决方案，并考察实际应用效能。课程核心内容如图2-1所示。
在当前智慧化教育背景下，本课程采用“严肃游戏”的思想和形式开展实验教学，基于游戏仿真创建优质虚拟仿真实验教学场景。严肃游戏以传授知识技巧、提供专业训练和模拟为主要内容，在游戏化教学活动中，教师通过虚拟仿真实验教学后台，还原真实环境污染案例或模拟现实不可及场景，结合群体协同交互式学习模式，让学生分组、分角色进行综合一体化联机训练模式演练，综合运用相关专业知识，制定实验方案，最终全面提高学生的综合应用能力，以更好地适应未来的实际工作要求。

图2-1微生物生理学实验课核心内容
Figure 2-1 Core content of microbiology physiology experiment course

 

3 教学方法实现

3.1  学习模式应用研究

3.1.1 群组组建
群组组建指在正式开展实验教学之前，上课学生按照一定规则进行分组并完成组内任务分配。其流程为个性化测试、个体分类、随机分组、课前任务下达和组内分工。根据微生物生理学实验课程要求，利用虚拟仿真实验平台对班级学生进行个性化测试，按照个人思维对机理问题和应用问题倾向的不同，将学生分为偏机理型、偏应用型和复合型三类。进而将学生随机分组，本实验中每组3人，且至少包含两种类型的学生，组内不设组长。课前，教师在教学平台下达任务，即“微生物脱氮机理及实际应用”，给出情境导入及必要知识点，学生接收任务并组内分工，即对任务进行剖析、分解、分工。
3.1.2 个体知识建构
根据“微生物脱氮机理及实际应用”实验要求，在课前准备环节小组成员可根据实验模块和组内分工，在规定时间内进行相应理论知识、方法技术的查找及学习，对不同实验方法进行总结归纳，以期得到较适合的实验方案。小组成员可以彼此共享信息，对除分工以外部分涉及的理论知识、方法技术进行学习，以便之后协同知识建构的开展。不同个体知识建构内容和结构因个人差异而不同，小组成员个人知识建构的水平会影响后续协同知识建构的效果。

图3-1个体知识建构过程示意图
Figure 3-1 Schematic diagram of individual knowledge construction process

 
3.1.3 协同知识建构
线下沟通基础上，借助线上教学系统的同步通信模块和共享环境，小组成员在系统中也可以进行视频和语音通话，传输文件，也可以共享屏幕和白板，从而便于异地同步实验学习。这可以保证小组成员之间沟通途径的畅通，一方面有助于小组高效地做出群体决策，一方面也可以有效避免组员间的重复操作和决策冲突。在课前准备阶段之后，小组成员对实验项目有了一定程度的理解，并各自形成初步的实验方案，而协同知识建构环节则是通过群体成员间的话语表述、观点交流、辩论共享等方式解决个体知识建构过程中遇到的难点，对每个个体提出的实验方案进行总结、归纳、改进，提出一套较适合的方案。
在操作过程中，小组成员间通过频繁的交流讨论，迅速明确阶段目标，不断改进实验方案或技术路线。系统在某些问题节点处存在预设的多个分支（如，在对脱氮基因进行定位时实验方法有质粒消除、基因组文库构建、全基因组测序），因此小组在解决某个问题时的不同选择可能会产生不同的运行结果，不同小组产生的总体解决路径可能存在差异，从而产生多种路径下的不同处理结果。同时，教师可在后台实时观察每个小组的交流状况和操作情况，在必要时通过实时通讯对各个小组进行适当引导。
根据学生分类结果，将班级学生划分为多个学习小组，按照组别分别划分为：1号Agent Group，2号Agent Group等等，各Agent Group下又根据任务分解和组内分工的不同，分解为多个Agent，各Agent即各学生个体的职能各不相同，分工协作，完成虚拟场景中的实验任务。其中最为关键的是解决Agent之间的通信、协作与冲突消解问题。建立基于Multi-Agent的协同知识建构体系结构，其中教师起到了冲突消解和方向引导的作用。

图3-2协同决策体系结构
Figure 3-2 Collaborative decision architecture

 
3.1.4 基于点评的高层次认知环节
实验操作结束，群组成员获得一定实验结果，并撰写实验报告。在实验教学过程中，虚拟仿真平台会对群组成员间的交互学习过程、实验操作过程进行实时、详细记录，并根据群组成员的参与情况、操作情况进行打分。最终的成绩判定基于实验报告、实验操作情况、以及群体交互过程中成员的表现情况。
实验报告提交后，教学平台将自动生成一份点评报告，即系统对群体成员实验方案选择、操作的日志评价，根据此份报告，学生自行总结实验过程中的不足并对自己在群体交互式学习中的表现情况进行反思。进而教师根据教学平台反馈的学生的主动探究、团队协作、问题思考、实验操作等过程的表现情况，对学生进行点评，强调优点、指出不足并给出改进建议。在最后教师给出“微生物脱氮机理及实际应用”这一实验的较合适方案，对实验方法的选择、实验方案的确定进行讲解，指出各小组产生的不同实验方案中的不足并解释原因，以供学生思考、总结，引导学生将知识与实际应用、学科交叉等进行关联。

3.2  效果与反思

群体协同交互式学习模式在微生物生理学虚拟仿真实验教学中的实现，根据教学结果、学生反馈情况以及往年实验教学开展情况，可以得出群体协同交互式学习在一定程度上深化了学生对知识的理解，提高了学习成效，使理论知识与实践过程更加统一。实验不再是一味的模仿、跟随，而是有了自己的选择，更系统、整体的学习了实验操作。群体协同交互式学习强调群体间的交流、沟通，这锻炼了学生的表达能力、团队协作等工程实践能力。
由于是初次尝试将此种学习模式结合到虚拟仿真的实验教学中，存在着一些不足之处，比如实时通讯的稳定性和流畅性还需进一步提高；部分学生群组的协作效率不够高效，这可能与学生个体的性格及交流方式有关，在未来应对群组的组建过程进行把关；在小组协作中尚存在个别学生参与度低或一直处于被动状态。以上，均是未来应用此教学模式需要解决的问题。

4 结语与展望

本文归纳了群体协同交互式学习模式的优势、特征、构成要素，论述了此种学习模式在微生物生理学虚拟仿真实验教学中的应用方法，并对此学习模式的应用效果进行了总结反思。在新工科的背景下，群体协同交互式学习成为了一种绩效较高的学习模式，通过群体协同交互式学习模式，可以提高学生的学习兴趣，建立以学生为中心的自适应成长体系，创建有利于培养学生实践能力和创新思维的实验教学体系。未来，此模式的应用将会更加普遍，其它领域，如医学教育、数学教学等可在此模式的基础上进行虚拟仿真程序的开发，以满足高质量教学的需求。对系统进行优化，扩充教学内容，学科的交叉应用将会是此模式的发展方向。