虛實結(jié)合的生態(tài)學(xué)實驗教學(xué)體系構(gòu)建

何 磊， 陳 欣， 唐建軍， 程 磊

（浙江大學(xué)a.國家級生物實驗教學(xué)示范中心；b.生命科學(xué)學(xué)院，杭州310058）

0 引 言

生態(tài)學(xué)課程由于學(xué)科特點所限，實驗開設(shè)具有一定的局限性，不能完全滿足教學(xué)要求［1-5］。首先，生態(tài)學(xué)實驗受到季節(jié)限制，因課程時間有限，學(xué)生只能觀察到某一個季節(jié)的種群、群落或生態(tài)系統(tǒng)的變化；其次，部分生態(tài)學(xué)實驗持續(xù)時間長，需要經(jīng)過較長時間的觀察才能獲得實驗結(jié)果；再者，有些生態(tài)學(xué)實驗具有實驗過程抽象且轉(zhuǎn)化過程不可見等特點，這些問題均嚴重影響了生態(tài)學(xué)實驗的教學(xué)效果［6-9］。隨著互聯(lián)網(wǎng)信息化和多媒體的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)逐漸進入高校實驗課堂，虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展豐富了高校本科實驗教學(xué)資源，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，加快了高校本科實驗教學(xué)的改革與創(chuàng)新［10-14］。本文以虛實結(jié)合的生態(tài)學(xué)實驗為主題，以“稻魚共生生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)實驗”為例，依托學(xué)校國家級生物實驗教學(xué)示范中心生態(tài)學(xué)教學(xué)實驗室和“基于穩(wěn)定性同位素技術(shù)的生態(tài)系統(tǒng)氮素運轉(zhuǎn)虛擬仿真實驗”系統(tǒng)，從實驗方案構(gòu)建、實驗教學(xué)方式、實驗考核評價及實驗體系特色方面，構(gòu)建與探索虛擬仿真實驗與實體實驗相結(jié)合的生態(tài)學(xué)實驗教學(xué)體系。

1 虛實結(jié)合實驗教學(xué)方案的構(gòu)建

生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)實驗教學(xué)是學(xué)生理解生態(tài)系統(tǒng)組成和元素循環(huán)過程的重要環(huán)節(jié)，是驗證和鞏固理論知識的重要渠道，更是補充和深化課堂的理論知識、通過實驗達到提高學(xué)生綜合素質(zhì)的目的［15］。但是，生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)是一個復(fù)雜的過程，具有時間長、跨越大等特點，學(xué)生無法親歷完整的生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)過程，而且氮素在生物之間的轉(zhuǎn)運過程也無法直觀地在一次實驗中觀察到［16］。因此，在生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)實體實驗教學(xué)中結(jié)合了虛擬仿真實驗教學(xué)，從而構(gòu)建虛實結(jié)合的實驗教學(xué)方案（見圖1）。

圖1 虛實結(jié)合生態(tài)學(xué)實驗教學(xué)體系構(gòu)建

虛實結(jié)合的教學(xué)方案分為課前預(yù)習(xí)、實體實驗、虛擬仿真實驗和開放性課題研究4部分。課前預(yù)習(xí)主要包括：①通過航拍視頻和虛擬仿真軟件，了解稻魚共生生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境特征及狀況；②通過文獻及相關(guān)資料查詢，了解全球稻魚共生生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展歷史與現(xiàn)實情況。實體實驗主要包括對某一時期生態(tài)系統(tǒng)中的氮素樣品（如土壤）進行回收、研磨、微量稱取（超微量天平）、包樣、樣品上機（同位素質(zhì)譜儀）分析及計算等（見圖2）。虛擬仿真實驗主要包括野外場景中生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建、15N標(biāo)記物質(zhì)（氮素）的制備及輸入、動物在生態(tài)系統(tǒng)中的活動情況分析及動植物樣品的取樣處理等實體實驗無法操作的模塊以及實體實驗可以操作的“同位素元素的測定與計算、氮素在生態(tài)系統(tǒng)中的利用分析”等模塊（見圖3）。開放性課題研究以小組合作的形式開展，學(xué)生自主選擇開放性課題或者選擇教師給出的相關(guān)課題，比如①利用穩(wěn)定性同位素技術(shù)研究稻魚共生生態(tài)系統(tǒng)中田魚的食譜；②利用穩(wěn)定性同位素技術(shù)研究稻魚共生生態(tài)系統(tǒng)中浮游生物和藻類對氮素的固持。

圖2 實體實驗主要操作步驟

圖3 虛擬仿真實驗?zāi)K

通過虛實結(jié)合的實驗教學(xué)，使學(xué)生①了解生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)的主要路徑；②認識生態(tài)系統(tǒng)物種之間的互惠關(guān)系及生態(tài)學(xué)意義；③掌握測定氮素在生態(tài)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的方法與技術(shù)；④了解利用穩(wěn)定性同位素技術(shù)研究生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)的原理；⑤掌握穩(wěn)定性同位素的測定和分析技術(shù)。

2 虛實結(jié)合實驗教學(xué)項目的教學(xué)方式

2.1 虛實結(jié)合的教學(xué)方式

在實驗教學(xué)中先通過實體實驗讓學(xué)生從原理上整體把握生態(tài)系統(tǒng)元素循環(huán)過程，掌握元素循環(huán)過程某一具體環(huán)節(jié)的觀測方法。比如，通過獲取土壤樣品，完成穩(wěn)定性同位素15N的測定，然后計算生態(tài)系統(tǒng)氮素運轉(zhuǎn)過程中，生物組分對氮素的固持等。但由于生態(tài)系統(tǒng)元素循環(huán)過程具有時空特性，實體實驗教學(xué)內(nèi)容片段化（即只進行某一環(huán)節(jié)），學(xué)生很難通過一次實驗教學(xué)經(jīng)歷元素循環(huán)的整個生態(tài)學(xué)過程，因此對過程的認知比較抽象和陌生。另外，穩(wěn)定性同位素標(biāo)記物價格昂貴，同位素質(zhì)譜儀數(shù)量少、使用要求高，在實體實驗教學(xué)中只能以小班形式進行。因此，在教學(xué)過程中結(jié)合“基于穩(wěn)定性同位素技術(shù)的生態(tài)系統(tǒng)氮素運轉(zhuǎn)虛擬仿真實驗”軟件，采用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，通過3D虛擬場景以及圖片影像資料將片段化的實驗環(huán)節(jié)連接，使整個實驗過程更加立體直觀，從而有利于學(xué)生更好地認識與理解相關(guān)知識點（見圖4）。通過虛實結(jié)合的教學(xué)方式，減少實驗教學(xué)在時空、經(jīng)費和儀器設(shè)備等方面的制約，將實驗過程中抽象、耗時長、實體實驗難以實現(xiàn)的部分通過虛擬仿真實驗的形式進行，從而做到虛擬實驗與實體實驗相互結(jié)合，虛擬實驗有效補充實體實驗內(nèi)容，實現(xiàn)虛實結(jié)合的目的。

圖4 虛擬仿真實驗操作現(xiàn)場

2.2 問題啟發(fā)式教學(xué)和體驗式學(xué)習(xí)相結(jié)合的教學(xué)方法

生態(tài)系統(tǒng)元素循環(huán)過程復(fù)雜，實驗知識點多，為了打破實體實驗教學(xué)過程中的沉悶氣氛，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，因此基于實體實驗，在虛擬仿真實驗中設(shè)置了體驗式學(xué)習(xí)模塊，例如，稻魚共生生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建，田魚取食活動的觀察等多個場景。學(xué)生在野外虛擬環(huán)境中親自構(gòu)建不同類型生態(tài)系統(tǒng)，體驗身臨其境的感覺。同時，在虛擬仿真實驗的各個環(huán)節(jié)設(shè)置了多個與實體實驗知識點相關(guān)的習(xí)題，學(xué)生只有完成習(xí)題才能進入下一個實驗步驟。例如，在田魚取食活動觀察模塊中，基于科研結(jié)果，設(shè)計了田魚不同個體取食行為及其對氮素運轉(zhuǎn)的影響，從而激發(fā)學(xué)生觀察、探索各個生物組分對氮素固持特點。學(xué)生在完成虛擬仿真實驗過程中，將虛擬實驗操作和問題貫穿其中，激發(fā)了學(xué)生在實體實驗中對實驗原理的思考，同時熟悉了實體實驗操作流程，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達到增強學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造性的教學(xué)效果。

2.3 研討式互動引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的教學(xué)方式

針對生態(tài)系統(tǒng)元素運轉(zhuǎn)循環(huán)實驗中的重點和難點問題，在實驗前要求學(xué)生收集稻魚共生生態(tài)系統(tǒng)在全球的分布以及研究中存在的爭議性問題，講述國內(nèi)外研究生態(tài)系統(tǒng)元素運轉(zhuǎn)和循環(huán)的技術(shù)手段和經(jīng)典案例。實驗完成后進行分組討論，聯(lián)系實驗過程中出現(xiàn)的問題和難題，分析原因并探討解決方法。例如，生態(tài)系統(tǒng)中生物之間相互作用關(guān)系如何影響到元素轉(zhuǎn)移？動物活動在生態(tài)系統(tǒng)元素循環(huán)中扮演什么樣的角色？元素在動物-植物-微生物之間如何運轉(zhuǎn)？現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是否可以利用物種之間的相互關(guān)系提高氮素的利用效率？物種多樣性的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)構(gòu)建其關(guān)鍵步驟有哪些？通過分析實驗過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和難點問題，總結(jié)進一步提升實驗互動性，更好把握實驗知識點的意見和建議。在實驗結(jié)束后，學(xué)生可以以小組形式自行選擇開放性課題，如根據(jù)稻魚共生生態(tài)系統(tǒng)中田魚活動的測定結(jié)果，分析動物（田魚）活動對生態(tài)系統(tǒng)元素循環(huán)的影響；根據(jù)不同生態(tài)系統(tǒng)（稻魚共生生態(tài)系統(tǒng)、水稻單作生態(tài)系統(tǒng)、田魚單作生態(tài)系統(tǒng)）土壤微生物組分的差異，探討動物-植物-微生物的協(xié)同關(guān)系。研討式互動教學(xué)通過學(xué)生查閱文獻、課堂討論和教師總結(jié)等促進學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和思考，培養(yǎng)學(xué)生科研素養(yǎng)及運用所學(xué)知識解決實際問題的能力。

3 多樣化的評價方式

實驗考核采用線下（實體實驗）和線上（虛擬仿真實驗）相結(jié)合的評定模式進行。考核內(nèi)容分為實體實驗、虛擬仿真實驗、實驗報告和開放性課題研究4部分。實體實驗考核包括實驗準(zhǔn)備、實驗操作情況以及實驗完成質(zhì)量等進行綜合考核。虛擬仿真實驗考核通過虛擬仿真系統(tǒng)進行，包括整個實驗操作流程、操作規(guī)范、系統(tǒng)預(yù)設(shè)問題完成與課后鞏固練習(xí)完成等方面綜合評定。實驗考核方式與課程性質(zhì)相關(guān)，專業(yè)課及專業(yè)基礎(chǔ)課必修學(xué)生課前預(yù)習(xí)占10%，實體實驗占40%，虛擬仿真實驗占30%，實驗報告及心得體會占20%；其他選修生態(tài)學(xué)大實驗通識課程學(xué)生課前預(yù)習(xí)占20%，虛擬仿真實驗占50%，實驗報告及心得體會占30%。實驗報告按學(xué)校實驗報告模式撰寫。具體評分規(guī)則見表1。

表1 虛實結(jié)合實驗教學(xué)項目考核評價要求

4 虛實結(jié)合實驗教學(xué)項目特色

4.1 實驗方案設(shè)計思路獨特

本實驗以稻魚共生生態(tài)系統(tǒng)為背景開展，以此為研究對象主要基于3點考慮：①稻魚共生系統(tǒng)歷史悠久，浙江“青田稻魚共生系統(tǒng)”具有1 200年歷史，被聯(lián)合國聯(lián)農(nóng)組織列入“全球重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)”［17-18］。青田稻魚共生系統(tǒng)在自然和人類共同作用下不斷演化，是研究氮素在生態(tài)系統(tǒng)生物間運轉(zhuǎn)的理想系統(tǒng)，實驗系統(tǒng)具有獨特性；②我校自2005年開始對青田稻魚共生系統(tǒng)開展研究，在國際重要學(xué)術(shù)期刊發(fā)表了大量學(xué)術(shù)論文和專著［19-20］，具有豐富的研究基礎(chǔ)及實踐基礎(chǔ)，促進了科研與教學(xué)之間的轉(zhuǎn)化，實驗內(nèi)容反映生態(tài)系統(tǒng)元素循環(huán)研究前沿科學(xué)問題，實驗系統(tǒng)具有先進性；③稻魚共生系統(tǒng)是目前國家發(fā)展綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)的重要模式，實驗的開設(shè)可為國家農(nóng)業(yè)科學(xué)持續(xù)發(fā)展、鄉(xiāng)村振興和生態(tài)文明建設(shè)提供服務(wù)，具有重大的實踐意義。

4.2 教學(xué)方式虛實結(jié)合、科教結(jié)合

本項目采用虛擬實驗操作和實體實驗操作相結(jié)合的方式進行，虛擬實驗為實體實驗提供教學(xué)資源，實體實驗為虛擬實驗提供實踐平臺，教學(xué)方式方法靈活多樣、新穎有趣，從課堂到網(wǎng)絡(luò)，從實體操作到虛擬仿真，充分體現(xiàn)“以虛補實、以虛促實、虛實結(jié)合”的教學(xué)理念。項目教學(xué)方式多元化，采用以問題為導(dǎo)向的啟發(fā)式教學(xué)、人機互動的研討式教學(xué)，突出以學(xué)生為中心，增強了學(xué)生主動學(xué)習(xí)、獨立學(xué)習(xí)、研討式學(xué)習(xí)的能力，同時從教學(xué)理念上，鼓勵學(xué)生觀察思考，提出科學(xué)問題，從而提高學(xué)生解決問題的能力。本實驗以學(xué)校農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)團隊過去10多年的創(chuàng)新性科研成果為依托，將稻魚共生系統(tǒng)的科學(xué)研究推向教學(xué)一線，適用于高校多個專業(yè)，如農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境、生態(tài)學(xué)、生物科學(xué)、農(nóng)學(xué)、動物科學(xué)等的教學(xué)和農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣部門的技術(shù)培訓(xùn)，實現(xiàn)科教結(jié)合，達到科教相互促進的目的。

4.3 延伸與拓展了傳統(tǒng)教學(xué)

生態(tài)系統(tǒng)氮素運轉(zhuǎn)實驗以我校相關(guān)團隊多年來所深入研究的稻魚共生系統(tǒng)為研究案例，圍繞生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)研究的核心知識點和研究技能關(guān)鍵點，以生態(tài)系統(tǒng)氮素轉(zhuǎn)運為主線、穩(wěn)定性同位素技術(shù)為量化技術(shù)，突破其他研究手段所存在的過程量化困難等制限，創(chuàng)新性強，填補國內(nèi)同類實驗項目空白。同時，本實驗以虛實結(jié)合的形式進行，打破了生態(tài)學(xué)相關(guān)實驗在開設(shè)過程中的時間和空間限制，將傳統(tǒng)教學(xué)無法實現(xiàn)的實驗項目通過虛擬仿真形式呈現(xiàn)給學(xué)生。虛擬仿真軟件將傳統(tǒng)稻魚共生生態(tài)系統(tǒng)及穩(wěn)定性同位素測定技術(shù)“搬到”學(xué)生眼前，學(xué)生可以不受空間（野外生態(tài)系統(tǒng)實驗場地）、實驗時間、實驗儀器等限制的，進行自主學(xué)習(xí)，解決了只能在小班進行實驗，很難面向大量學(xué)生的問題，延伸和拓展了傳統(tǒng)教學(xué)。

5 結(jié) 語

虛實結(jié)合生態(tài)學(xué)實驗教學(xué)體系的構(gòu)建拓展了生態(tài)學(xué)實驗教學(xué)的深度，引領(lǐng)了生態(tài)學(xué)實驗教學(xué)形式與改革方向。該體系在我校生態(tài)學(xué)實驗課程中的運用效果良好，有效提升了學(xué)生的實驗效率和對知識點的把控。在教育部倡導(dǎo)“停課不停學(xué)”期間，學(xué)生進行線上的虛擬仿真實驗，有利于實驗課程安全有序地開展。目前，該虛擬仿真實驗項目已與多家高校及農(nóng)業(yè)推廣部門簽訂了共享協(xié)議，覆蓋農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境、生態(tài)學(xué)、農(nóng)學(xué)、種子科學(xué)，生物科學(xué)、生物技術(shù)等專業(yè)，實現(xiàn)了與院校及推廣部門的開放共享，為后期兄弟院校構(gòu)建虛實結(jié)合的生態(tài)學(xué)實驗教學(xué)體系奠定了基礎(chǔ)。