虛實結合教學體系構建

張 彪, 魏萬紅, 董召娣,丁海東, 杜 坤 , 黃金林, 潘志明

(1. 揚州大學 生物科學與技術學院, 江蘇 揚州 225009；2. 揚州大學 實驗室與設備管理處, 江蘇 揚州 225009)

“植物分類學實驗”教學,具有直觀性、開放性、綜合性、創(chuàng)造性等特征[1]。高等學校開設該課程的主要目的,是通過它教會學生用科學規(guī)范的實驗方法,從形態(tài)結構組成上認識、鑒別出相關植物標本的名稱,為古今中外對相關植物的研究成果的進一步開發(fā)利用,提供知識儲備。

1 構建“植物分類學實驗”虛實結合教學體系的緣由

傳統(tǒng)“植物分類學實驗”教學,其核心教學要素,如供試植物標本,由于受季節(jié)、地域、植物自身器官生長的漸次性和周期性等多因素的限制[2-3],在其選擇上存在既豐富又缺乏的現(xiàn)象,即“單一器官”標本可隨時采集、同一物種“全生育期”標本幾乎無法同時采到,這既降低了一次物種檢索鑒別實驗的完整性,又增加了實驗成本。在互聯(lián)網(wǎng)+時代,應用Unity3D虛擬現(xiàn)實、顯微-數(shù)碼成像、電子地圖等軟件編程技術與制作工具對相關物種“全生育期”標本、某一地域“植物生長場景”和物種檢索鑒別用“檢索表”,進行“數(shù)字化”“碎片化”與“一體化”的重構[4-5],則可較好地解決上述問題。

為此,以培養(yǎng)學生自主完成植物多樣性調查所需的“植物器官形態(tài)特征鑒別、標本采集與解剖技術操作流程、標本描述與檢索鑒別流程等”的訓練為出發(fā)點,結合國家級虛擬仿真實驗教學示范中心建設,開展了基于網(wǎng)絡、實驗室、植物生長場所“三維”空間下的“植物分類學實驗”虛實結合教學體系的研究與構建工作。其重點是通過對“植物分類學實驗”所涉教學內容的重排和資源的數(shù)字化建設,創(chuàng)建出“以教學實驗室為主體,以網(wǎng)絡、植物生長場所為兩翼”的“三位一體”實驗教學平臺、教學內容和教學模式,最終為建立“基于實驗室課堂的系統(tǒng)學習與基于網(wǎng)絡和植物生長場所的碎片式學習”的虛實結合實驗教學方式提供載體[6-9]。

2 拓展教學空間,構建“三位一體”實驗教學平臺

傳統(tǒng)“植物分類學實驗”教學主要在教學實驗室中進行,學生是在“固定”學習場所、“限定”學習時間及“確定”學習內容的前提下,在教師的主導下“分步”完成對相關課程內容的學習,既不利于利用“校園、田園、公園等”場所中的“原生態(tài)”花花草草來提升學生對“植物分類學實驗”的學習興趣,也不利于通過某一物種“全生育期”標本的采集來確保整個實驗“完整”實施。在互聯(lián)網(wǎng)+時代,依托虛擬網(wǎng)絡和植物生長場所來拓展實驗教學空間,構建基于網(wǎng)絡、實驗室、植物生長場所的“三位一體”實驗教學平臺,則可較好地解決上述問題。

2.1 以互聯(lián)網(wǎng)為載體,構建《植物分類學實驗》虛擬仿真教學平臺

以往在實驗開始前,要解決學生對實驗過程中“所涉儀器設備和實驗技能操作流程缺乏感性認識、一次獲取單一物種的全生育期標本”等問題,似乎很難,但在互聯(lián)網(wǎng)+時代,通過信息技術與實驗教學的融合,構建可在PC、平板、智能手機等網(wǎng)絡終端設備上順暢運行的虛擬仿真實驗教學平臺,則可較好地解決該問題。為此,在國家級虛擬仿真實驗教學示范中心建設過程中,以能力培養(yǎng)與形成為主線,以開放、平等、共享的互聯(lián)網(wǎng)精神為內核,以學生自主性實驗學習目標的實現(xiàn)為重點,展開了基于網(wǎng)絡條件下的“植物分類學實驗”虛擬仿真教學平臺的構建工作,主要包含“平臺”運行控制軟件編程及可添加到“平臺”中的虛擬標本、圖文數(shù)據(jù)庫等虛擬仿真資源素材的制作等,其基本架構見圖1。

圖1 “植物分類學實驗”虛擬仿真教學平臺基本架構

(1) 學生功能區(qū)。通過該功能區(qū),學生將實現(xiàn)：利用3D場景式動畫,對不同類型植物標本采集方法進行仿真學習；利用“植物器官”圖文數(shù)據(jù)庫,對描述植物形態(tài)特征的“名詞術語”進行觀摩學習；利用虛擬標本,完成對植物標本解剖流程、描述報告的撰寫進行模擬學習；利用“檢索表”文本數(shù)據(jù)庫,對物種檢索鑒別流程進行仿真學習；利用 “物種”圖文數(shù)據(jù)庫,完成對相關物種的形態(tài)特征、生態(tài)習性、利用價值等進行觀摩學習；師生在線開展教與學的交流與討論等。

(2) 教師功能區(qū)。通過該功能區(qū),教師將實現(xiàn)：審閱學生提交的實驗報告；添加各實驗報告成績；了解相關實驗內容的教學效果；師生在線開展教與學的交流與討論等。

(3) 管理功能區(qū)。通過該功能區(qū),管理員將實現(xiàn)：系統(tǒng)的初始化(基礎數(shù)據(jù)的錄入和添加)；對學生功能區(qū)和教師功能區(qū)進行管理；系統(tǒng)維護(數(shù)據(jù)備份和恢復、系統(tǒng)運行異常情況的診斷和處理)等。

2.2 以植物生長場所為載體，構建“植物分類學實驗”實訓教學平臺

隨著農業(yè)生產和人居環(huán)境美化的持續(xù)發(fā)展,一定區(qū)域內的植物種群數(shù)量常常取決于人們的喜好和生產需求,這既方便了對某一物種“全生育期”標本的“定點”觀察與采集,卻也增加了開展在“不同生境”下植物多樣性調查的難度。為此,在校園內設立“學習”區(qū),其內標本一是用于相關實驗技能(如器官觀摩解剖、物種檢索鑒別、標本采集制作等)課堂教學練習之用,二是用于植物多樣性調查方式方法教學模擬訓練之用；在校外田園、公園和自然保護區(qū)中設立“實習”區(qū),其內標本一是用于開展“地理環(huán)境”對植物器官形態(tài)特征“飾變”研究之用,二是用于不同生境下植物多樣性調查實訓之用。通過校園、田園、公園、自然保護區(qū)“三園一區(qū)”校內外實訓教學平臺的建立和應用,既豐富了教學用供試標本,還拓展了實驗教學空間,提升了學生的學習興趣和“自主”開展植物多樣性調查的能力。

3 調整教學內容,構建“開放式”實驗教學“新”體系

3.1 重新編排“植物分類學實驗”教學內容

圍繞學生 “自主”完成植物多樣性調查能力的養(yǎng)成,我們將“植物分類學實驗”課程教學目標定位為對學生開展“四個能力”訓練,并相應地將課程教學內容重新編排為4個模塊。

(1) 植物標本采集與制作能力訓練模塊。定點選擇3～5個物種(含喬木、灌木、草本等類型),開展“全生育期”各組成器官“電子與實體”標本的采集、整理與制作“規(guī)范化”操作流程訓練,重點訓練學生采集與制作標本的能力。

(2) 植物標本解剖與描述能力訓練模塊。選擇采集到的不同物種“根、莖、葉、花、果實、種子”標本,開展對“單一器官”觀摩與解剖 “規(guī)范化”操作流程的訓練,重點是訓練學生對標本解剖與用“術語”描述的能力。

(3) 植物標本檢索與鑒別能力訓練模塊。選擇某一物種的解剖描述報告(含“全生育期”標本),利用“紙質或電子”檢索表,開展物種檢索鑒別“規(guī)范化”操作流程能力訓練,重點是訓練學生標本鑒別能力。

(4) 植物多樣性調查能力訓練模塊。選定 “三園一區(qū)”中的某一區(qū)域,利用“三位一體”教學平臺中的條件,開展植物多樣性調查“規(guī)范化”操作流程訓練,重點是訓練學生“自主”開展植物多樣性調查的能力。

在教學實踐中, 首先將上述4個模塊中的教學內容設計成若干“必修、選修和自主”實驗項目,并依據(jù)各項目在整個實驗課程體系中的權重,給予“小學分”和課時；再依據(jù)教學日歷,將總課時分為若干個教學單元,并依各實驗項目能夠實現(xiàn)的教學目標,將其配置到相應的教學單元之中,供學生進行“自主”訓練和學習之用。

3.2 重構“植物分類學實驗”課程考核體系

圍繞“植物分類學實驗”課程教學目標,從細節(jié)、過程、結果、應用等方面入手,構建了基于“三維”實驗教學空間,覆蓋實驗教學全過程的考核內容與評價指標新體系(見表1)。這樣,既能較好地解決“以往”考核成績不能客觀反映學生實際能力的問題,還能夠將考核轉變成繼續(xù)學習的過程。

表1 “植物分類學實驗”課程考核體系架構

3.2.1 實驗平時成績綜合

該部分是以教學單元為單位,重點對實驗所用設備和技能的操作流程、標本形態(tài)結構組成特征的描述與拍攝、花程式的書寫、花圖式的繪制、檢索表的編寫、解剖描述與檢索鑒別報告的撰寫等進行考核。

(1) 設備和技能考核。在實驗室中,教師以觀摩和穿插提問的形式,對學生操作課程實驗所用儀器設備的規(guī)范化情況及對實驗技能注意事項等方面進行考核。

(2) 單元實驗報告。單元實驗結束后,教師依據(jù)學生提交的實驗報告,對其進行評分,同時規(guī)定,用學生自備實驗材料完成的報告加分30%；課程結束時,將各單元實驗報告成績進行加權平均即為該部分成績。

3.2.2 植物標本檢索鑒別

重點考核學生“整合”應用相關知識、技能進行物種解剖描述與檢索鑒別的能力。具體方法為：課程學習結束時,學生依據(jù)教師提供的植物標本,在實驗室中完成對相關標本的解剖描述和物種鑒別；考試結束時,學生提交一份含各標本“解剖描述報告和檢索鑒別報告”的試卷,供教師評閱打分。

3.2.3 植物物種識別

重點考核學生通過對植物標本形態(tài)特征的觀摩,確定其所屬科、屬、種名稱(學名)的能力。

(1) 實驗室識別。在實驗室內,學生在規(guī)定的時間內,現(xiàn)場說出或書寫出由教師準備的20～30種植物標本所屬科、屬、種的名稱,教師根據(jù)標本名稱的準確性,給出相應的成績。

(2) 植物生長場所識別。選定 “三園一區(qū)”中的某一區(qū)域,要求學生在規(guī)定的時間采集出10～15種植物標本(20%),并說出各標本所屬科、屬、種的名稱(50%)；同時,由教師任意選擇其中的1、2種標本,讓學生講述其形態(tài)結構組成特征(30%)。教師依據(jù)學生采集到的標本數(shù)量和對標本描述的準確性,評定出該部分的成績。

3.2.4 植物標本采集制作

重點考核學生獨立采集、制作一份完整植物標本的能力。

(1) 實體標本制作。要求學生獨立完成植物標本的采集、壓制、制作和鑒定,在課程結束時,提交一份臘葉標本和一份浸漬標本(原色)。教師根據(jù)標本質量給出相應的成績。

(2) 電子標本制作。要求學生通過“定點”觀察某一物種,在課程結束時,提交一份電子標本(文檔),其內容含“根、莖、葉、花、果實、種子”電子圖片和 “術語”描述文檔。教師根據(jù)圖片質量和所用“術語”的準確性,給出相應的成績。

3.2.5 植物多樣性調查

重點考核學生在某一區(qū)域獨立開展植物多樣性調查的能力。其具體方法為：由教師選定 “三園一區(qū)”中的某一區(qū)域,學生以個體或小組為單元,“自主”完成并提交一份含“調查方案、實驗數(shù)據(jù)的采集與處理、結果的分析與討論、參考資料的查閱與引用等”的植物多樣性調查分析報告。教師依據(jù)報告質量給出相應的成績。

4 變革教學方法,構建“虛實結合”實驗教學方式

隨著網(wǎng)絡終端設備,尤其是移動智能設備的發(fā)展與完善,應用網(wǎng)絡終端設備,尤其是智能手機進行“碎片化”學習與交流,不僅已成為在互聯(lián)網(wǎng)陪伴下長大的新生代學生群體獲取知識、傳遞信息、形成能力的重要途徑,還為借助網(wǎng)絡、實驗室、植物生長場所等空間實施“虛實結合”的實驗教學方式提供了載體。

4.1 在虛擬仿真實驗教學平臺中學習

學生可利用“平臺”中的虛擬仿真資源,如虛擬標本、3D場景式動畫、圖文數(shù)據(jù)庫等,全天候地在線開展標本采集與解剖“規(guī)范化”操作流程的觀摩與模擬學習、植物器官形態(tài)結構組成特征觀摩和仿真學習、標本描述與檢索鑒別報告的撰寫與比對學習、實時考核與交流等,既拓展了實驗教學時空,又解決了單一物種“全生育期”標本不易獲取而至檢索鑒別不能 “完整”實施的問題。

4.2 在教學實驗室中學習

學生在教學實驗室利用實驗室條件,一是對教師提供或自帶供試植物標本,自主或在教師的指導下完成對“標本”的觀摩、解剖與檢索鑒別,并撰寫出“對應”的解剖描述報告和檢索鑒別報告；二是對“三園一區(qū)”中的標本,通過“現(xiàn)場”觀摩與解剖所獲取的數(shù)據(jù),進行進一步修正,既豐富了實驗教學內容,又為學生“自主性”實驗學習方式的建立創(chuàng)造了條件。

4.3 在植物生長場所中學習

學生進入“三園一區(qū)”等植物生長場所,在采集某一物種標本后,可用手機登錄“平臺”,先將“實體標本”觀摩與解剖數(shù)據(jù)存儲到“平臺”中，再將“實體”數(shù)據(jù)與“平臺”中的虛擬仿真資源進行比對,通過線上線下“虛實結合”的實驗方式,在線完成對所采標本的鑒別、解剖描述及檢索鑒別報告的撰寫與提交。既可克服以往在野外進行物種鑒別實驗時相關“工具書”攜帶不便的問題,還可通過“游玩”與學習兩不誤來提升學生對植物物種鑒別實驗學習的興趣。

5 結語

通過互聯(lián)網(wǎng)+“植物分類學實驗”,構建基于網(wǎng)絡、實驗室、植物生長空間的“三位一體”實驗教學平臺,及其與之配套的課程教學體系和“虛實結合”的實驗教學方式,不僅使MOOC、翻轉課堂、虛擬仿真實驗等教學“新型態(tài)”在“植物分類學實驗”教學中得到應用,還使信息技術在實驗教學中的作用得以彰顯[9-11],既順應了在互聯(lián)網(wǎng)+背景下人們獲取知識途徑的變化,又提升了學生對“植物分類學實驗”的學習興趣。從基于“三維”空間下實施“植物分類學實驗”教學效果來看(兩輪),多數(shù)學生在該課程學習結束后,都能夠從形態(tài)上識別出100種以上植物標本。