大學(xué)生對光合作用虛擬仿真實驗內(nèi)容與學(xué)習(xí)效果的態(tài)度

莊楓紅 胡學(xué)軍 彭長連 李玲 黃勝琴

摘 ?要：為了解大學(xué)生對虛擬仿真實驗課程的態(tài)度，對參與學(xué)習(xí)“光合作用光能的吸收、轉(zhuǎn)化及不同類型植物的光合測定與應(yīng)用的虛擬仿真”實驗的112位大學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查。結(jié)果表明，參與調(diào)查的大學(xué)生對該實驗課程教學(xué)滿意程度達(dá)到88.39%。大學(xué)生認(rèn)為該虛擬仿真實驗有助于理解光合作用的本質(zhì)與意義。作業(yè)方面，學(xué)生認(rèn)為網(wǎng)上自測有助于鞏固知識，85.71%的學(xué)生認(rèn)為在虛擬課程學(xué)習(xí)后需提交實驗報告，這有利于梳理實驗過程。這些結(jié)果為深入開展虛擬仿真實驗在培養(yǎng)大學(xué)生自主學(xué)習(xí)的研究提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實驗教學(xué);光合作用;深度學(xué)習(xí);態(tài)度調(diào)查

中圖分類號：G640 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2020）09-0044-05

Abstract： In order to understand the attitude of college students towards virtual simulation experiment， a questionnaire survey was conducted among 112 college students who participated in the experiment of "virtual simulation of absorption and transformation of photosynthetic light energy and photosynthetic measurement and application of different types of plants". The results showed that the satisfaction degree of the students was 88.39%. The students thought that the virtual simulation experiment was helpful to understand the nature and significance of photosynthesis. In terms of homework， students thought that online self-test was conducive to consolidating knowledge. 85.71% of students thought that they need to submit experimental reports after learning virtual courses， which was conducive to sorting out the experimental process. These results provide the basis for further developing the research of virtual simulation experiment in cultivating college students' autonomous learning.

Keywords： virtual simulation experiment teaching; photosynthesis; deep learning; attitude survey

隨著信息時代的到來以及科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，社會對人才的需求提出新的要求，尤其是對大學(xué)生的分析與解決實際問題能力的培養(yǎng)顯得更加重要，使得高校常規(guī)的實驗教學(xué)體系和實驗平臺需要更新。當(dāng)前各種信息化系統(tǒng)也在計算機(jī)中得到應(yīng)用，其中虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)，為大學(xué)生的自主性學(xué)習(xí)提供了平臺[1]。教育部在《關(guān)于狠抓新時代全國高等學(xué)校本科教育工作會議精神落實的通知》（教高函〔2018〕8號）提出“金課”的理念，其中虛擬仿真“金課”有可能是一種新的教育生產(chǎn)力且能促進(jìn)高校的教學(xué)尤其是實驗教學(xué)，但需要進(jìn)一步探索“智能+教育”。目前，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)成為許多高新技術(shù)研究和課程教學(xué)的重要手段，并顯示出了相較于傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法的突出優(yōu)勢，破解了高等學(xué)校實驗、實習(xí)、實訓(xùn)中的諸如環(huán)境、設(shè)備限制等一些老大難問題。發(fā)展虛擬仿真實驗教學(xué)具有重要的實際意義[2-5]。

光合作用是指綠色植物吸收太陽光的能量，同化二氧化碳和水，制造有機(jī)物質(zhì)并釋放氧氣的過程。光合作用是“地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)”[6]。光合作用是植物生理學(xué)課程教學(xué)中的重點和難點，在植物生理學(xué)課程中占據(jù)著重要地位，又是自然科學(xué)的一個重要研究領(lǐng)域。長期以來，學(xué)生對于光合作用的學(xué)習(xí)都只是通過教師在課堂上的理論講解、PPT展示光合作用過程中的每個組件的作用以及視頻觀看光合作用的反應(yīng)過程，通過機(jī)械記憶來記住C3、C4和CAM植物的生理特征異同點，光合作用在生態(tài)環(huán)境中的作用如維持大氣中O2和CO2的相對平衡等也只能依靠理論學(xué)習(xí)，比較枯燥無味。

為了讓學(xué)生更好地學(xué)習(xí)理解光合作用，我們教學(xué)團(tuán)隊在多年“植物生理學(xué)”的教學(xué)改革與實踐[7-8]的基礎(chǔ)上，2017年提出了“光合作用光能的吸收、轉(zhuǎn)化及不同類型植物的光合測定與應(yīng)用的虛擬仿真”實驗，通過“光合作用光能吸收、轉(zhuǎn)化”、“不同類型植物光合測定”、“不同類型植物在居家布置的應(yīng)用”三大實驗內(nèi)容闡述光合作用原理與應(yīng)用，開發(fā)了此虛擬仿真實驗項目，2017年獲批為教育部的首批國家級虛擬仿真教學(xué)項目。在該項目建設(shè)與實施過程中，我們組織了多名大學(xué)生自主學(xué)習(xí)虛擬仿真實驗并獨立完成網(wǎng)上自測和實驗報告。本文通過調(diào)查大學(xué)生對光合作用虛擬仿真實驗內(nèi)容與學(xué)習(xí)效果的態(tài)度，以了解虛擬實驗的使用情況和需改進(jìn)的地方，為進(jìn)一步完善與建設(shè)虛擬實驗提供理論依據(jù)。

一、研究方法

（一）虛擬仿真實驗的內(nèi)容

“光合作用光能的吸收、轉(zhuǎn)化及不同類型植物的光合測定與應(yīng)用的虛擬仿真”實驗課程主要由三個內(nèi)容組成，分別是：光合作用光合吸收、轉(zhuǎn)化、不同類型植物光合測定以及不同類型植物在居家布置的應(yīng)用（表1）。

（二）問卷調(diào)查內(nèi)容

利用問卷星網(wǎng)站制作《大學(xué)生對“光合作用光能的吸收、轉(zhuǎn)化及不同類型植物的光合測定與應(yīng)用的虛擬仿真”實驗課程線上學(xué)習(xí)及測評滿意度調(diào)查》問卷，題目設(shè)置為12項，包含5部分內(nèi)容（表2）。

（三）調(diào)查對象

華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2016級生物科學(xué)專業(yè)和2017級生物技術(shù)專業(yè)學(xué)生（表3），他們分別在2018年下學(xué)期和2019年上學(xué)期學(xué)習(xí)了“植物生理學(xué)”課程，在學(xué)習(xí)理論課的過程中，學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)虛擬仿真實驗，并完成作業(yè)（網(wǎng)上自測和實驗報告）。2019年6月，學(xué)生學(xué)習(xí)虛擬實驗后，通過網(wǎng)絡(luò)平臺發(fā)放問卷，收回有效問卷112份，并對問卷進(jìn)行統(tǒng)計分析。

二、調(diào)查結(jié)果與分析

（一）大學(xué)生對虛擬仿真實驗課程效果的滿意度

圖1和圖2可知，88.39%的學(xué)生對于《光合作用光能的吸收、轉(zhuǎn)化及不同類型植物的光合測定與應(yīng)用的虛擬仿真》實驗課程的開設(shè)是滿意的。而對于在理論課學(xué)習(xí)后，利用課后時間進(jìn)一步學(xué)習(xí)光合作用的做法，大部分學(xué)生認(rèn)為有效。因此，針對“光合作用的過程”開設(shè)的虛擬仿真實驗課程有助于學(xué)生在學(xué)習(xí)光合作用的理論知識以后，通過組裝電子傳遞鏈的三維結(jié)構(gòu)模式圖，虛擬測定水稻、玉米的光響應(yīng)曲線，CO2響應(yīng)曲線和陰生、陽生植物生長環(huán)境等進(jìn)一步理解植物光合作用過程。

（二）大學(xué)生對光合作用知識與技能的評價

圖3表明，超過54.46%的學(xué)生認(rèn)為本虛擬實驗課程對于自身理解光合電子傳遞鏈、C3、C4植物的光合生理特性和陰生、陽生植物生長環(huán)境的選擇比較有幫助（非常+比較有幫助），只有少數(shù)同學(xué)（8%）認(rèn)為沒有任何幫助。而對三個部分的虛擬實驗操作，學(xué)生有不同的見解。53.57%的學(xué)生認(rèn)為實驗一《光合作用光合吸收、轉(zhuǎn)化》對于他們理解光合電子傳遞鏈上電子與質(zhì)子的傳遞及ATP的生成比較有幫助（圖4）。學(xué)生反映他們通過自主組裝光合電子傳遞鏈上各個組分，將每個組分與課堂的理論知識一一對應(yīng)，加深了自身記憶。56.25%的學(xué)生覺得實驗二《不同類型植物光合測定》對于他們理解C3、C4植物的光合特性差異比較有幫助，而且通過線上學(xué)習(xí)操作LI-6400光合測定儀也為學(xué)生接下來對植物光合特性的研究打下良好的基礎(chǔ)（圖5）。對于實驗三《不同類型植物在居家布置的應(yīng)用》，55.36%的學(xué)生認(rèn)為比較有助于他們理解陰生、陽生植物的生長環(huán)境（圖6）。學(xué)生通過評價家庭綠化配置的科學(xué)性，認(rèn)識植物在生態(tài)環(huán)境中的重要性，加深自身的生態(tài)理念，保護(hù)自然，與自然和諧共處。

（三）大學(xué)生對虛擬實驗的網(wǎng)上自測和實驗報告的評價

大學(xué)生在學(xué)習(xí)完虛擬實驗后完成網(wǎng)上自測，由系統(tǒng)即時評閱。圖7表明，91.07%的學(xué)生對于網(wǎng)上自測欄目表示滿意，認(rèn)為該測驗有助于他們及時檢測自身對知識的掌握程度，通過自測題來了解自身的知識薄弱點，只有8.93%的學(xué)生對該欄目表示不滿意，認(rèn)為其對知識的鞏固沒有幫助。本虛擬實驗也設(shè)置了實驗報告環(huán)節(jié)，78.57%的學(xué)生覺得提交實驗報告是重要的，21.43%的學(xué)生則認(rèn)為實驗報告不重要（圖8-A）。85.71%的學(xué)生覺得提交實驗報告有助于他們理解整個實驗過程，學(xué)生反映他們在完成整個實驗操作以后，整理實驗報告可以更好地梳理實驗思路，還有利于和教師進(jìn)行交流、反饋。14.29%的同學(xué)則持反對意見，主要是覺得撰寫內(nèi)容比較多（圖8-B）。

三、結(jié)束語

虛擬仿真實驗主要是利用人工智能的手段，依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫、傳感技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建一個高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，以便于大學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實驗，為教師及學(xué)生提供一個安全、低成本的新型實驗方式，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果和人才培養(yǎng)目標(biāo)[9-10]。

本光合作用虛擬仿真實驗可以通過電腦端進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)生通過自主安排時間，利用自己的課余時間可多次操作實驗、觀看教學(xué)視頻，能將抽象的光合過程具體化、形象化，為學(xué)生提供更加直觀、形象的教學(xué)內(nèi)容，打破了傳統(tǒng)課堂教學(xué)的時間與空間的限制。將電腦變成學(xué)習(xí)的工具，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，讓他們在玩中學(xué)、學(xué)中做的互動學(xué)習(xí)模式中掌握光合作用的知識點，從而最大限度地激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣。

本虛擬仿真實驗課程的開展，主要是通過操作來直觀地認(rèn)識植物體內(nèi)的微觀光合現(xiàn)象，對光合作用的電子傳遞過程進(jìn)行詳細(xì)闡述;通過虛擬地組裝光合測定儀LI-6400，進(jìn)一步認(rèn)識和掌握該大型儀器的應(yīng)用;通過評價家庭綠化配置的科學(xué)性，了解陰生與陽生植物適應(yīng)不同光環(huán)境的特點與應(yīng)用，加深理解植物美化環(huán)境、凈化空氣的重要性。學(xué)生總體上還是認(rèn)可該實驗課程的。學(xué)生對于網(wǎng)上自測也是持贊同意見，覺得對于他們知識的掌握還是有所幫助的。但是對于實驗報告的提交，有相當(dāng)一部分的同學(xué)認(rèn)為沒必要，但是只有提交實驗報告，教師通過查閱實驗報告，才能進(jìn)行答疑、反饋和指導(dǎo)，才能與學(xué)生有所互動。

任重而道遠(yuǎn)。在新課改和“互聯(lián)網(wǎng)+”時代背景下，我們要努力達(dá)到虛擬實驗課程“金課”的要求，不斷地完善該實驗平臺。作為輔助理解理論知識的平臺，要提高網(wǎng)頁的流暢性，優(yōu)化系統(tǒng)，保證學(xué)生順利完成實驗。幫助學(xué)生了解虛擬實驗的重點、難點，通過線上指導(dǎo)，實時答疑，增加師生間互動，確保實驗的順利進(jìn)行。虛擬實驗平臺要滿足大學(xué)生課后自主多次進(jìn)行操作實驗，實驗內(nèi)容突出科學(xué)與創(chuàng)新，促進(jìn)學(xué)生對光合作用知識的深入理解，這有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神，才能培養(yǎng)更多高質(zhì)量的人才。

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