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摘 要：为了解决本科实验室缺乏超速离心机和透射电镜等大型设备的问题，开发了水生动物病毒的分离纯化及形态观察虚拟仿真实验，应用于水产微生物实验教学，是实体实验教学的有益补充，拓展水产微生物学实验教学内容的广度和深度。教学方法上以学生为中心，问题为抓手，教师为引导，采用PBL法辅助虚拟仿真实验的教学模式，不仅让学生掌握了研究病毒的重要方法，还激发了学生学习兴趣，培养了学生主动学习、积极思考并独立分析解决问题和创新的能力，提升了学生的综合科研素养，有助于水产专业研究型人才培养。
关键词：PBL法;水生动物病毒分离纯化;虚拟仿真实验教学;研究型人才
中图分类号：G642.41 文献标识码：A
随着科学家对病毒领域研究的不断深入，病毒的分离纯化在生命科学相关专业应用非常广泛，是一种非常重要和常用的技术[1]，由于本科实验室没有超速离心机、透射电镜等这些昂贵的大型设备，无法开展这类实验课，在很大程度上限制了本科生实验课教学的拓展，不利于学生科研素质的全面提升和研究型人才的培养。
随着科技的发展和进步，虚拟仿真技术的出现为解决这些问题提供了新的思路[23]。近年来，虚拟仿真技术已经应用于很多领域并取得了丰硕的成果[45]。为了拓展水产微生物学实验教学内容的广度和深度，提高学生的科研能力，本着“能实不虚、以虚补实、以虚促实”的原则，我们开发了水生动物病毒的分离纯化及形态观察虚拟仿真项目，为学生打开了一扇通向病毒世界的大门。以问题为基础（problem based learning，PBL）的PBL教学法以学生为主体，教师为辅对学生进行引导，在生物科学类课程应用并取得良好的教学效果，可以锻炼学生主动学习、积极思考并独立分析解决问题及创新的能力[67]。因此，我们采用了PBL教学法辅助虚拟仿真实验教学，提高科研综合素养，促进研究型人才培养。
一、虚拟仿真实验的建设
多年来，由于受到大型仪器设备缺乏等客观因素的影响，学生对病毒的了解只能停留在书本的理论知识和抽象的想象，难以激发学生的学习热情，另外也学不到目前病毒研究中最常用的技术方法。因此，我院根据水产微生物学教学大纲开发水生动物病毒的分离纯化及形态观察虚拟仿真实验，使学生可以身临其境般进行虚拟操作实践。
虚拟仿真实验是一个4模块3模式的模块化系统，教学模式中学生既可以根据讲解和提示来进行相应的实验操作，也可以只看视频，视频播放过程中可随时暂停，将关键动作重复播放，可加深对操作流程细节的记忆和理解以便熟悉和掌握整个实验流程。
练习模式则是学生在完成教学模式学习后，为进一步熟悉整个实验操作流程进行的自主训练，学生可以自主操作，挑选自己不熟练的步骤反复练习。
考试模式也是虚拟仿真实验中学生可以自主操作的部分。学生必须掌握了实验材料的准备、试剂的配制、仪器设备的使用方法、实验步骤和注意事项等相关知识才能进入该模式。这个模式中则没有任何讲解和提示，学生只有正确完成了当前实验操作才可进入下一步操作直到实验结束，在操作过程中系统会对学生的操作进行评分，考核学生对整体实验的掌握情况。
二、PBL法结合虚拟仿真实验教学模式
教学过程中以学生为中心，以问题为导向贯穿整个教学过程与4模块3模式融会贯通，教学模式思维导图如图1所示，在教学中将理论知识与虚拟仿真实验操作有机结合;遵循三讲三不讲和三布置三不布置原则;分为课前、课内和课后三步骤，自主学习、小组讨论、精讲点拨和巩固检测四环节。
课前充分利用多媒体资源，将实验内容所涉及的教学资源及课前思考题等电子资料上传至中心平台，学生可随时随地登陆平台提前自主预习四模块中的实验目的、实验原理和实验概况并思考老师提出的问题;课中老师先多维度讲解与病毒相关的人物故事和案例报道等，然后提出启发式问题导入，接着學生带着疑问在实验操作模块中的教学模式进行自主学习寻找答案并发现新的问题，分小组讨论问题后进行汇报，老师针对重难点及易混易错点进行讲解和点拨，学生再带着答案重新在实验操作模块中的练习模式进行虚拟实验操作加以巩固，随后在实验操作模块中的考试模式检测对实验的掌握程度;课后布置探究性、拓展性和启发思维的思考题，达到使理论知识在实验操作中巩固，实验技能在理论指导中强化提升的目的。
三、PBL法结合虚拟仿真实验教学效果
该虚拟仿真实验项目2019年建成，应用2年均获得师生的认可和广泛好评。建成后，在水产养殖和水族科学与技术两个专业7个大三班级上课中应用，上课结束后发放问卷调查学生的使用情况，收到有效调查问卷207份。
经统计发现在上此次课之前有98.07%的同学都体验过虚拟仿真实验，因此本次调查问卷极具参考价值。有92.75%的同学认为虚拟仿真实验相对传统实验有诸多优势，具体优势的支持率如表1所示。并且通过虚拟仿真实验的学习学生可以完成教学的要求，在上本次课之前67%的学生不知道病毒的形态如何，83.1%的学生不知道怎样分离纯化病毒，但是在完成虚拟仿真实验后，学生不仅掌握了这些基本的知识和方法，81.6%的学生对实验课也更有兴趣了。通过虚拟仿真实验的学习，如果以后要进行实际操作，75.4%的学生认为能迅速熟悉实验器材及方法，在遇到困难时75.8%的学生可以回忆起虚拟仿真的体验以解决问题，知识记忆模糊的同学还可以随时随地登录系统进行重新学习。通过虚拟仿真的方式学习该技术，不仅仅对实际操作有帮助，而且还可以提高学生的综合能力，更是为学生打开了一扇通向病毒微观世界的大门，87.4%的学生认为此虚拟仿真实验的学习其以后的发展有深远的影响（如下表所示）。
采用虚拟仿真的实验教学方式，学生可以不受时空限制自主安排学习，达到实验要求，掌握实验技术。对2020年的使用情况进行统计发现，除了上课的时间，每个学生平均学习3.13次，最多达到10次，并且经过反复训练和学习每个班级的考核成绩均达到97分以上并比平时成绩大幅提升（如图2所示），达到了强化学习效果和增强学习主观能动性的目的。 四、PBL法结合虚拟仿真实验教学应用的总结
科学技术和信息技术的飞速发展使虚拟仿真技术应运而生，该技术在实验教学中的应用不仅突破了传统教学模式的制约、节约了实验教学成本、实现了特殊实验教学项目从不可能到可能的飞跃，还可以作为理论教学的有益补充，拓展教育信息交流的新渠道。同时这也对教学提出了更高的要求，教学理念、教学模式、教学方法和手段等都需要随之变革[8]。
以本文虚拟仿真实验为例：
（1）我们更新教学理念，打破了常规课堂老师讲——学生听——做实验的常规模式，而是把课堂还给学生，以学生为主，以老师为辅，帮助学生提高自主学习的能力;
（2）改革教学模式和方法，以案例激发兴趣和调动积极性为出发点，以问题为导向。比如在课堂导入时通过病毒研究历史人物故事和案例报道等“知识趣点”的讲解[9]，学生自主学习的积极性和兴趣明显提高，并且还有利于引导学生形成正确的科研价值观;
（3）在课中实验前提出问题[10]，学生可以带着问题在实验中寻找答案并不断思考发现新的问题，可以充分调动学生学习和思考的积极性;
（4）在课后布置探究性、拓展性和启发思维的思考题[11]，使学生在知道了病毒分离纯化是什么，怎么做的基础上还能了解到后面能做什么，通过理论教学、实验教学与科学研究相结合，让学生对病毒及科研的认识层层深入并形成系统全面的认识，为以后的科研之路夯实基础[12]。
在整个虚拟仿真实验教学过程中，授学生以渔，激发学生自主学习兴趣，提升学生处理信息、分析问题、勇于思考、敢于创新的综合科研素质，提高了研究型人才培养成效。
参考文献：
[1]于佐安，王崇明，任伟成，等.鱼虾贝病毒分离纯化技术概述[J].渔业科学进展，2009，30（02）：127131.
[2]熊宏齐.虚拟仿真实验教学助推理论教学与实验教学的融合改革与创新[J].实验技术与管理，2020，37（05）：14+16.
[3]郭燕秋，朱远征，程平，等.虚拟仿真技术的应用进展[J].科技创新与应用，2020（01）：149151.
[4]郭婷，杨树国，江永亨，等.虚拟仿真实验教学项目建设与应用研究[J].实验技术与管理，2019，36（10）：215217+220.
[5]钱猛，崔瑾，成丹，等.南京农业大学微生物学虚拟仿真实验教学模式的探索[J].微生物学通报，016，43（04）：861866.
[6]BODAGH N，BLOOMFIELD J，BIRCH P，et al.Problembased learning：a review[J].Br J Hosp Med（Lond），2017，78（11）：167170.
[7]陶芳，文漢，余梅，等.高等农业院校“生物化学”PBL教学方法的初步探索[J].高校生物学教学研究（电子版），2012，2（3）：2325.
[8]周文富.地方高校实验教学模式改革与创新人才培养[J].实验室研究与探索，2009，28（07）：97102.
[9]黎志东，徐志凯.通过全景式教学法激发学生学习兴趣的研究——以立克次体为例[J].微生物学杂志，2020，40（02）：124128.
[10]杜莉莉，吕润潇，许静，等.高校互动式教学模式探讨[J].微生物学杂志，2016，36（03）：109112.
[11]黎志东，徐志凯.启发式等三种教学方法在医学微生物学教学中的应用[J].微生物学通报，2015，42（01）：218222.
[12]孟凡刚，黄越，赵姗姗.基于科研能力综合提升的《环境工程微生物学及实验》教学改革[J].微生物学杂志，2020，40（01）：125128.
基金项目：华中农业大学虚拟仿真实验教学项目“水生动物病毒的分离纯化及形态观察虚拟仿真项目”（20170507）
作者简介：郑菲菲（1989— ），女，汉族，河北石家庄人，硕士，实验师，主要从事水生动物疾病方向研究。
*通讯作者：李莉娟（1976— ），女，湖北浠水人，博士，副教授，主要从事水生动物分子病毒学研究。
关键词：PBL法;水生动物病毒分离纯化;虚拟仿真实验教学;研究型人才
中图分类号：G642.41 文献标识码：A
随着科学家对病毒领域研究的不断深入，病毒的分离纯化在生命科学相关专业应用非常广泛，是一种非常重要和常用的技术[1]，由于本科实验室没有超速离心机、透射电镜等这些昂贵的大型设备，无法开展这类实验课，在很大程度上限制了本科生实验课教学的拓展，不利于学生科研素质的全面提升和研究型人才的培养。
随着科技的发展和进步，虚拟仿真技术的出现为解决这些问题提供了新的思路[23]。近年来，虚拟仿真技术已经应用于很多领域并取得了丰硕的成果[45]。为了拓展水产微生物学实验教学内容的广度和深度，提高学生的科研能力，本着“能实不虚、以虚补实、以虚促实”的原则，我们开发了水生动物病毒的分离纯化及形态观察虚拟仿真项目，为学生打开了一扇通向病毒世界的大门。以问题为基础（problem based learning，PBL）的PBL教学法以学生为主体，教师为辅对学生进行引导，在生物科学类课程应用并取得良好的教学效果，可以锻炼学生主动学习、积极思考并独立分析解决问题及创新的能力[67]。因此，我们采用了PBL教学法辅助虚拟仿真实验教学，提高科研综合素养，促进研究型人才培养。
一、虚拟仿真实验的建设
多年来，由于受到大型仪器设备缺乏等客观因素的影响，学生对病毒的了解只能停留在书本的理论知识和抽象的想象，难以激发学生的学习热情，另外也学不到目前病毒研究中最常用的技术方法。因此，我院根据水产微生物学教学大纲开发水生动物病毒的分离纯化及形态观察虚拟仿真实验，使学生可以身临其境般进行虚拟操作实践。
虚拟仿真实验是一个4模块3模式的模块化系统，教学模式中学生既可以根据讲解和提示来进行相应的实验操作，也可以只看视频，视频播放过程中可随时暂停，将关键动作重复播放，可加深对操作流程细节的记忆和理解以便熟悉和掌握整个实验流程。
练习模式则是学生在完成教学模式学习后，为进一步熟悉整个实验操作流程进行的自主训练，学生可以自主操作，挑选自己不熟练的步骤反复练习。
考试模式也是虚拟仿真实验中学生可以自主操作的部分。学生必须掌握了实验材料的准备、试剂的配制、仪器设备的使用方法、实验步骤和注意事项等相关知识才能进入该模式。这个模式中则没有任何讲解和提示，学生只有正确完成了当前实验操作才可进入下一步操作直到实验结束，在操作过程中系统会对学生的操作进行评分，考核学生对整体实验的掌握情况。
二、PBL法结合虚拟仿真实验教学模式
教学过程中以学生为中心，以问题为导向贯穿整个教学过程与4模块3模式融会贯通，教学模式思维导图如图1所示，在教学中将理论知识与虚拟仿真实验操作有机结合;遵循三讲三不讲和三布置三不布置原则;分为课前、课内和课后三步骤，自主学习、小组讨论、精讲点拨和巩固检测四环节。
课前充分利用多媒体资源，将实验内容所涉及的教学资源及课前思考题等电子资料上传至中心平台，学生可随时随地登陆平台提前自主预习四模块中的实验目的、实验原理和实验概况并思考老师提出的问题;课中老师先多维度讲解与病毒相关的人物故事和案例报道等，然后提出启发式问题导入，接着學生带着疑问在实验操作模块中的教学模式进行自主学习寻找答案并发现新的问题，分小组讨论问题后进行汇报，老师针对重难点及易混易错点进行讲解和点拨，学生再带着答案重新在实验操作模块中的练习模式进行虚拟实验操作加以巩固，随后在实验操作模块中的考试模式检测对实验的掌握程度;课后布置探究性、拓展性和启发思维的思考题，达到使理论知识在实验操作中巩固，实验技能在理论指导中强化提升的目的。
三、PBL法结合虚拟仿真实验教学效果
该虚拟仿真实验项目2019年建成，应用2年均获得师生的认可和广泛好评。建成后，在水产养殖和水族科学与技术两个专业7个大三班级上课中应用，上课结束后发放问卷调查学生的使用情况，收到有效调查问卷207份。
经统计发现在上此次课之前有98.07%的同学都体验过虚拟仿真实验，因此本次调查问卷极具参考价值。有92.75%的同学认为虚拟仿真实验相对传统实验有诸多优势，具体优势的支持率如表1所示。并且通过虚拟仿真实验的学习学生可以完成教学的要求，在上本次课之前67%的学生不知道病毒的形态如何，83.1%的学生不知道怎样分离纯化病毒，但是在完成虚拟仿真实验后，学生不仅掌握了这些基本的知识和方法，81.6%的学生对实验课也更有兴趣了。通过虚拟仿真实验的学习，如果以后要进行实际操作，75.4%的学生认为能迅速熟悉实验器材及方法，在遇到困难时75.8%的学生可以回忆起虚拟仿真的体验以解决问题，知识记忆模糊的同学还可以随时随地登录系统进行重新学习。通过虚拟仿真的方式学习该技术，不仅仅对实际操作有帮助，而且还可以提高学生的综合能力，更是为学生打开了一扇通向病毒微观世界的大门，87.4%的学生认为此虚拟仿真实验的学习其以后的发展有深远的影响（如下表所示）。
采用虚拟仿真的实验教学方式，学生可以不受时空限制自主安排学习，达到实验要求，掌握实验技术。对2020年的使用情况进行统计发现，除了上课的时间，每个学生平均学习3.13次，最多达到10次，并且经过反复训练和学习每个班级的考核成绩均达到97分以上并比平时成绩大幅提升（如图2所示），达到了强化学习效果和增强学习主观能动性的目的。 四、PBL法结合虚拟仿真实验教学应用的总结
科学技术和信息技术的飞速发展使虚拟仿真技术应运而生，该技术在实验教学中的应用不仅突破了传统教学模式的制约、节约了实验教学成本、实现了特殊实验教学项目从不可能到可能的飞跃，还可以作为理论教学的有益补充，拓展教育信息交流的新渠道。同时这也对教学提出了更高的要求，教学理念、教学模式、教学方法和手段等都需要随之变革[8]。
以本文虚拟仿真实验为例：
（1）我们更新教学理念，打破了常规课堂老师讲——学生听——做实验的常规模式，而是把课堂还给学生，以学生为主，以老师为辅，帮助学生提高自主学习的能力;
（2）改革教学模式和方法，以案例激发兴趣和调动积极性为出发点，以问题为导向。比如在课堂导入时通过病毒研究历史人物故事和案例报道等“知识趣点”的讲解[9]，学生自主学习的积极性和兴趣明显提高，并且还有利于引导学生形成正确的科研价值观;
（3）在课中实验前提出问题[10]，学生可以带着问题在实验中寻找答案并不断思考发现新的问题，可以充分调动学生学习和思考的积极性;
（4）在课后布置探究性、拓展性和启发思维的思考题[11]，使学生在知道了病毒分离纯化是什么，怎么做的基础上还能了解到后面能做什么，通过理论教学、实验教学与科学研究相结合，让学生对病毒及科研的认识层层深入并形成系统全面的认识，为以后的科研之路夯实基础[12]。
在整个虚拟仿真实验教学过程中，授学生以渔，激发学生自主学习兴趣，提升学生处理信息、分析问题、勇于思考、敢于创新的综合科研素质，提高了研究型人才培养成效。
参考文献：
[1]于佐安，王崇明，任伟成，等.鱼虾贝病毒分离纯化技术概述[J].渔业科学进展，2009，30（02）：127131.
[2]熊宏齐.虚拟仿真实验教学助推理论教学与实验教学的融合改革与创新[J].实验技术与管理，2020，37（05）：14+16.
[3]郭燕秋，朱远征，程平，等.虚拟仿真技术的应用进展[J].科技创新与应用，2020（01）：149151.
[4]郭婷，杨树国，江永亨，等.虚拟仿真实验教学项目建设与应用研究[J].实验技术与管理，2019，36（10）：215217+220.
[5]钱猛，崔瑾，成丹，等.南京农业大学微生物学虚拟仿真实验教学模式的探索[J].微生物学通报，016，43（04）：861866.
[6]BODAGH N，BLOOMFIELD J，BIRCH P，et al.Problembased learning：a review[J].Br J Hosp Med（Lond），2017，78（11）：167170.
[7]陶芳，文漢，余梅，等.高等农业院校“生物化学”PBL教学方法的初步探索[J].高校生物学教学研究（电子版），2012，2（3）：2325.
[8]周文富.地方高校实验教学模式改革与创新人才培养[J].实验室研究与探索，2009，28（07）：97102.
[9]黎志东，徐志凯.通过全景式教学法激发学生学习兴趣的研究——以立克次体为例[J].微生物学杂志，2020，40（02）：124128.
[10]杜莉莉，吕润潇，许静，等.高校互动式教学模式探讨[J].微生物学杂志，2016，36（03）：109112.
[11]黎志东，徐志凯.启发式等三种教学方法在医学微生物学教学中的应用[J].微生物学通报，2015，42（01）：218222.
[12]孟凡刚，黄越，赵姗姗.基于科研能力综合提升的《环境工程微生物学及实验》教学改革[J].微生物学杂志，2020，40（01）：125128.
基金项目：华中农业大学虚拟仿真实验教学项目“水生动物病毒的分离纯化及形态观察虚拟仿真项目”（20170507）
作者简介：郑菲菲（1989— ），女，汉族，河北石家庄人，硕士，实验师，主要从事水生动物疾病方向研究。
*通讯作者：李莉娟（1976— ），女，湖北浠水人，博士，副教授，主要从事水生动物分子病毒学研究。