昆蟲學(xué)實驗教學(xué)方法的探討

胡 霞，李國強，張飛萍

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院，福州 350002；2.生態(tài)公益林重大有害生物防控福建省高校重點實驗室，福州 350002)

一、引言

當(dāng)前昆蟲學(xué)實驗教學(xué)依然是以傳統(tǒng)教學(xué)方式為主，授課內(nèi)容主要以活體觀察以及昆蟲標(biāo)本觀察為主。隨著電子信息等高新技術(shù)的高速發(fā)展，對于昆蟲學(xué)實驗的教學(xué)模式也應(yīng)有所改進。在昆蟲形態(tài)的電子信息識別技術(shù)高速發(fā)展中，昆蟲學(xué)專業(yè)學(xué)生對于昆蟲學(xué)知識將不再僅局限于對活體昆蟲形態(tài)的了解，以電子信息技術(shù)結(jié)合昆蟲學(xué)的行業(yè)及工作將越來越多。三維技術(shù)及3D打印技術(shù)的快速發(fā)展對昆蟲學(xué)也有著巨大影響，已有公司利用這兩項技術(shù)結(jié)合昆蟲學(xué)相關(guān)知識開展相應(yīng)的商業(yè)活動，但在昆蟲學(xué)的教學(xué)中還未體現(xiàn)。隨著招生規(guī)模的不斷擴大，昆蟲標(biāo)本使用日益頻繁，損耗巨大，利用新型技術(shù)制作昆蟲標(biāo)本可有效解決當(dāng)前標(biāo)本損耗缺失的問題。同時，傳統(tǒng)昆蟲學(xué)實驗教學(xué)方式存在著大量的弊端，已逐漸與當(dāng)下的社會及生態(tài)現(xiàn)狀相脫節(jié)。因此，對昆蟲學(xué)實驗教學(xué)方法及實驗材料進行改進迫在眉睫。

二、昆蟲學(xué)實驗教學(xué)存在的問題

(一)實驗教學(xué)標(biāo)本材料的缺失與老化

實驗教學(xué)標(biāo)本是昆蟲學(xué)實驗教學(xué)的物質(zhì)基礎(chǔ)，在昆蟲學(xué)實驗教學(xué)中起著至關(guān)重要的作用，標(biāo)本的質(zhì)量及種類直接影響著實驗教學(xué)質(zhì)量的優(yōu)劣，優(yōu)質(zhì)的標(biāo)本更有利于學(xué)生對昆蟲形態(tài)的理解學(xué)習(xí)。但隨著高校的擴招，需要開設(shè)昆蟲實驗課程的學(xué)生人數(shù)正逐年增加，標(biāo)本使用越來越頻繁，導(dǎo)致實驗標(biāo)本面臨著諸多問題。目前昆蟲學(xué)教學(xué)使用的標(biāo)本主要面臨三大問題：標(biāo)本資源入不敷出、標(biāo)本長期使用導(dǎo)致的損壞和老化嚴(yán)重、完好的標(biāo)本越來越少；標(biāo)本內(nèi)容更新乏力，隨著新興課程出現(xiàn)、氣候環(huán)境變化、生物入侵等問題的發(fā)生，森林入侵生物昆蟲標(biāo)本、檢疫性害蟲標(biāo)本、資源昆蟲標(biāo)本等都存在很大缺口，急需補充；標(biāo)本采集不易，許多昆蟲的數(shù)量稀少，無法將其作成標(biāo)本讓學(xué)生觀察[1]。因此，急需對昆蟲學(xué)實驗教學(xué)材料的種類進行豐富和改進。

(二)實驗教學(xué)模式及內(nèi)容傳統(tǒng)單一

在昆蟲學(xué)教學(xué)中，無論是實驗課還是理論課依然都是以教師灌入式的教學(xué)為主，例如教師使用多媒體教學(xué)工具在課堂上演示，向?qū)W生輸送理論及實驗知識。這種教學(xué)模式下教師是整個課堂的主體，學(xué)生是知識傳輸?shù)氖荏w，師生之間缺乏互動，學(xué)生積極性差、注意力不集中，對知識的消化能力也弱。由于理論課的知識點多而難，實驗課也沒能得到更好的理解，學(xué)生理解、消化較為困難，在實驗操作的過程中就會遇到各種各樣的問題，而且不同的學(xué)生知識儲備量不同，基礎(chǔ)知識參差不齊，單靠填鴨式的教學(xué)難以讓學(xué)生更好地將理論知識與實驗相結(jié)合。當(dāng)前昆蟲學(xué)實驗教學(xué)的方法依然是以傳統(tǒng)教學(xué)方法為主，主要從以下幾方面進行：通過使用體視鏡對活體昆蟲、昆蟲插針標(biāo)本及玻片標(biāo)本進行觀察，了解昆蟲的外部特征及構(gòu)造；在體視鏡下解剖昆蟲，了解昆蟲的內(nèi)部構(gòu)造；學(xué)習(xí)并進行插針及玻片標(biāo)本的制作。雖然這些傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容可以幫助學(xué)生解讀理論知識，但單靠這些傳統(tǒng)方法的教學(xué)已經(jīng)不足以滿足國家和社會對于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求，隨著電子信息等高新技術(shù)的快速發(fā)展，昆蟲學(xué)與各種高新技術(shù)的聯(lián)系愈加緊密，昆蟲學(xué)實驗教學(xué)與電子信息等高新技術(shù)的結(jié)合也越來越迫切。

(三)考核方式單一

對于一門課程來說，考核是十分重要的一個環(huán)節(jié)，考核的目的是為了檢驗學(xué)生對昆蟲學(xué)理論及實驗知識的掌握程度，同時通過考核使學(xué)生加強對理論知識的理解。在傳統(tǒng)昆蟲學(xué)實驗教學(xué)中，考核內(nèi)容較為單一，主要以實驗報告及昆蟲標(biāo)本制作成品展示的形式進行。這兩種考核方式都有其弊端，其中實驗報告形式的考核弊端最大，大量的實驗報告冊都有抄襲現(xiàn)象，這就使得本該加強學(xué)生對理論知識理解的考核變成了助長不良風(fēng)氣的幫兇；昆蟲標(biāo)本制作成品展示也有著不小弊端，教師只能看到成品的昆蟲標(biāo)本，對學(xué)生標(biāo)本制作的掌握情況無法深入了解，甚至存在著部分學(xué)生網(wǎng)購成品標(biāo)本用于應(yīng)對考核的現(xiàn)象。因此，基于對高質(zhì)量昆蟲學(xué)人才培養(yǎng)的要求，昆蟲學(xué)實驗考核的改革迫在眉睫。

三、教學(xué)改革探索

(一)昆蟲學(xué)實驗內(nèi)容及材料改革探索

1.昆蟲學(xué)實驗教學(xué)與三維技術(shù)的結(jié)合

計算機技術(shù)的一大特色就是可以通過計算機技術(shù)產(chǎn)生人為的虛擬環(huán)境，使用計算機圖形構(gòu)成三維空間或者將其他真實環(huán)境編制到計算機中產(chǎn)生接近真實的“虛擬環(huán)境”，讓觀察者在視覺上有一種沉浸其中的感覺[2]。利用計算機圖像處理與虛擬現(xiàn)實結(jié)合的技術(shù)，可建立一種自動化制作昆蟲三維模型的方法[3]，從而得到昆蟲的三維模型并將其運用到昆蟲學(xué)實驗教學(xué)中。三維技術(shù)在許多學(xué)科都已經(jīng)有了較好的應(yīng)用，如病理學(xué)[4]、地質(zhì)學(xué)[5]等。昆蟲的研究在三維成像技術(shù)方面已有部分的應(yīng)用[6]，但在昆蟲學(xué)實驗教學(xué)方面鮮有報道。

利用三維技術(shù)制作出的昆蟲電子標(biāo)本能夠保留昆蟲的真實外貌，立體感強，可以從多角度來觀察昆蟲的細(xì)微特征。與普通昆蟲標(biāo)本相比，其具有不會變色褪色、不易損壞、不會老化、完成一次制作就可永久使用、可供多人同時觀察、可在網(wǎng)上快速檢索等特點。

將內(nèi)容豐富的昆蟲電子標(biāo)本運用到昆蟲實驗教學(xué)中，可以滿足教學(xué)中的多種需求，既能解決昆蟲教學(xué)標(biāo)本老化、標(biāo)本種類不足等問題，又能增加昆蟲學(xué)實驗的新穎性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，加快學(xué)生對知識的理解與記憶。學(xué)生使用昆蟲電子標(biāo)本可以觀察到更多傳統(tǒng)實驗課上無法觀察到的珍稀昆蟲形態(tài)，豐富學(xué)生對于昆蟲知識的儲備量，了解到更多昆蟲的具體形態(tài)特征；同時結(jié)合對活體昆蟲及一些模型昆蟲的觀察，使學(xué)生進一步加深對昆蟲學(xué)理論知識的理解。學(xué)生在對昆蟲電子標(biāo)本觀察的過程中將會意識到，對于昆蟲學(xué)實驗的學(xué)習(xí)不是單純地依靠傳統(tǒng)教學(xué)，而是隨著技術(shù)的進步而動態(tài)發(fā)展。

2.昆蟲學(xué)實驗教學(xué)與3D打印技術(shù)的結(jié)合

3D打印是以三維數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，通過材料(金屬、高分子、無機材料等)層層疊加方式形成實體結(jié)構(gòu)的制造方法，也被稱為增材制造、快速成型、迭層制造等，是一種直接數(shù)字化設(shè)計與實體加工制造相結(jié)合的技術(shù)，其已在教育、航空航天、生物醫(yī)療、創(chuàng)意產(chǎn)品等領(lǐng)域得到大量運用[7]。3D打印技術(shù)主要有七類，即熔融沉積成形(FDM)、光固化立體成形(SLA)、分層實體制造(LOM)、電子束選區(qū)熔化(EBM)、激光選區(qū)熔化(SLM)、金屬激光熔融沉積(LDMD)、電子束熔絲沉積成形(EBF)[8]，其中光固化立體成形技術(shù)被運用得最多。

目前國內(nèi)外均有通過應(yīng)用3D打印技術(shù)來實現(xiàn)昆蟲標(biāo)本模型構(gòu)建的實例[9]，如金光耀等通過3D打印技術(shù)研究了五種檢疫性昆蟲標(biāo)本的3D模型打印方法，對昆蟲的3D打印作出了初步探索，通過比較模型與昆蟲實物整體以及細(xì)微結(jié)構(gòu)特征的擬合度,篩選優(yōu)化出了昆蟲3D打印最佳方案和最優(yōu)著色方法[10]。因此，對于將3D打印技術(shù)應(yīng)用于昆蟲學(xué)實驗教學(xué)具有極大的可行性。

3D打印技術(shù)作為一種新型技術(shù),對于學(xué)生來說既陌生又熟悉，經(jīng)常在網(wǎng)絡(luò)和新聞上聽到但卻從未真正觸及過，當(dāng)將3D打印技術(shù)應(yīng)用到昆蟲學(xué)實驗教學(xué)時，必定引起學(xué)生廣泛的興趣和好奇心，激發(fā)他們主動參與學(xué)習(xí)活動。與3D打印技術(shù)相結(jié)合的昆蟲實驗活動有助于體現(xiàn)學(xué)生作為學(xué)習(xí)活動主體主動參與學(xué)習(xí)的重要性和價值，進而促進學(xué)生主動參與對昆蟲構(gòu)造的了解與學(xué)習(xí)。

基于3D打印技術(shù)的昆蟲實驗任務(wù),需要學(xué)生更加深入地了解昆蟲的詳細(xì)構(gòu)造，主動分析打印任務(wù)、參與計劃與決策、參與昆蟲原型的選擇與設(shè)計，這種主體意識和被需要的感覺讓學(xué)生意識到自己在昆蟲學(xué)實驗過程中的價值和重要性，促使學(xué)生更加主動地參與到昆蟲學(xué)的學(xué)習(xí)中[11]。在進行3D打印前需要學(xué)生對昆蟲學(xué)的理論知識以及昆蟲形態(tài)有足夠的了解，學(xué)生基于對3D打印技術(shù)的興趣，進而對昆蟲學(xué)理論知識的掌握也更加深入，可以使學(xué)生更好地將昆蟲學(xué)的理論知識與實驗課程的學(xué)習(xí)有機結(jié)合在一起。

3.改進昆蟲學(xué)實驗教學(xué)的標(biāo)本材料

在傳統(tǒng)的昆蟲學(xué)實驗教學(xué)中，昆蟲標(biāo)本以插針標(biāo)本、浸液標(biāo)本以及昆蟲觸角及足的玻片標(biāo)本為主，這些標(biāo)本普遍存在著老化損耗嚴(yán)重等問題。為解決這些問題，可引進一些耐損耗的標(biāo)本類型，如通過三維技術(shù)、3D打印技術(shù)得到的電子昆蟲標(biāo)本、昆蟲模型標(biāo)本等耐損耗的昆蟲標(biāo)本，這樣既能豐富昆蟲學(xué)實驗教學(xué)的內(nèi)容，又能解決教學(xué)標(biāo)本不足的問題；也可引進一些易制作的標(biāo)本類型，如昆蟲器官橫切標(biāo)本，因為昆蟲器官橫切標(biāo)本制作方便，少量昆蟲便可制作出較多的器官橫切標(biāo)本，對昆蟲樣本需求量小，同時昆蟲橫切面的觀察對于昆蟲學(xué)的學(xué)習(xí)也是十分重要的，有助于學(xué)生掌握昆蟲相關(guān)器官的詳細(xì)構(gòu)造，了解昆蟲器官的位置及器官間的相互關(guān)系。

昆蟲器官橫切標(biāo)本的制作也相對比較簡單，如曾憲順的徒手石蠟切片法[12]。簡易步驟如下：將昆蟲器官放入5%氫氧化鈉液，用酒精燈加熱煮沸幾分鐘，使標(biāo)本體內(nèi)的脂肪消解，取出用清水清洗，然后依次在50%、75%、85%、95%的酒精中脫水5—10min，最后無水乙醇脫水5min，晾干；晾干后使用石蠟包埋，使標(biāo)本浸沒在蠟液中間，凝固后取出切片，由外向內(nèi)來回切削；將切好的標(biāo)本放到載玻片上，除去四周多余的蠟片，加入二甲苯使其透明，透明后滴加些許蛋清，使玻片上的標(biāo)本快速固定，隨后滴上封片膠，蓋上蓋玻片，封片膠凝固后昆蟲器官橫切標(biāo)本便完成。

學(xué)生在學(xué)習(xí)昆蟲器官橫切標(biāo)本的制作過程中，不但有助于其掌握昆蟲器官的詳細(xì)構(gòu)造，而且還能讓其熟練掌握徒手石蠟切片法這一技能，在其他學(xué)科以及未來的工作中都將起到重要的作用。

(二)昆蟲學(xué)實驗教學(xué)模式的改進

傳統(tǒng)的昆蟲學(xué)實驗教學(xué)都是在實驗室中進行的，由教師講述實驗內(nèi)容及如何操作。雖然都是小班教學(xué)，但教師在授課時仍然很難將學(xué)生的積極性調(diào)動起來，這是因為上課的主體不是學(xué)生，而只是被動接受的受體。因此，在教學(xué)中讓學(xué)生成為主體，以此調(diào)動學(xué)生的積極性是大有必要的。

在教學(xué)過程中讓學(xué)生成為主體，將學(xué)生每4人分為一組，每組負(fù)責(zé)一次實驗內(nèi)容的講解。在實驗課上課前一周，由教師將本次實驗的內(nèi)容及方法發(fā)給對應(yīng)的小組，小組將實驗內(nèi)容整理好做成PPT后發(fā)給教師，教師給出修改意見后由小組在下次課上進行講述，小組將實驗內(nèi)容講完后由教師進行補充。這種模式下每名學(xué)生都能參與到實驗內(nèi)容的講解中，成為課堂的主體，教師成為課堂的輔助，為學(xué)生把握大方向并修正學(xué)生的小錯誤。在實際教學(xué)中作者已進行實踐性的嘗試，選取三組自愿講解的學(xué)生，由這三組學(xué)生進行三次實驗內(nèi)容的講解，學(xué)生根據(jù)實驗內(nèi)容制作講解PPT，講解結(jié)束后教師進行補充。從這三組的講解來看，學(xué)生們只對部分實驗操作的細(xì)節(jié)講述不夠完善，但經(jīng)過教師補充后都能較好掌握。從教師在課下的詢問以及理論課和實驗課的考核結(jié)果來看，這三組學(xué)生無論是對理論知識還是實驗操作都有著較好的掌握。從已實踐的教學(xué)效果來看，值得對這種以學(xué)生為主體的教學(xué)模式進行教學(xué)改革嘗試。

在這種昆蟲學(xué)實驗教學(xué)模式下學(xué)生的注意力將更加專注，認(rèn)真聽每次課上小組的講解，為自己下次的講解做準(zhǔn)備，這樣學(xué)生能更積極地掌握每次實驗的方法，更好地參與到實驗的過程中。這種模式不但改變了傳統(tǒng)教學(xué)模式的枯燥乏味，而且鍛煉了學(xué)生的口語表達及邏輯思維能力，為其將來的工作打下了良好的基礎(chǔ)。

(三)昆蟲學(xué)實驗教學(xué)考核方式改進

傳統(tǒng)昆蟲學(xué)實驗教學(xué)考核方式主要為實驗報告和昆蟲插針及玻片標(biāo)本的制作。實驗報告雖有大量弊端但仍有其存在的意義，可與其他幾種考核方式結(jié)合，作為考核的一部分內(nèi)容。在考核結(jié)果匯報時進行實驗考試，同時每組展示一份實驗內(nèi)容教程視頻。實驗考試內(nèi)容主要包括：對昆蟲的外部形態(tài)進行繪畫；使用體式鏡對昆蟲進行解剖；現(xiàn)場制作昆蟲插針標(biāo)本；描述昆蟲玻片標(biāo)本的制作過程。匯報時將考試內(nèi)容做成簽條，每三名學(xué)生一組抽簽考試，由教師對學(xué)生的實驗操作進行打分。實驗內(nèi)容教程視頻由學(xué)生在實驗的過程中拍攝，將實驗的每一步都錄制下來，剪輯后發(fā)給教師，在最后一次課堂上進行展示，由學(xué)生共同打分。在考核方式的改進中作者已嘗試將實驗內(nèi)容教程視頻納入考核中，許多小組都制作出了實驗內(nèi)容教程視頻，在這些教程視頻中展示的實驗操作十分詳細(xì)，甚至個別小組的教程視頻可直接用于課堂教學(xué)。在這種考核方式下學(xué)生的標(biāo)本成果質(zhì)量與往屆學(xué)生相比有了很大的提高，尤其是在昆蟲玻片標(biāo)本的制作方面，多數(shù)學(xué)生制作的玻片標(biāo)本也可用作教學(xué)材料。

這種綜合考核模式使每名學(xué)生都能切身接觸實驗內(nèi)容，真正地去參與實驗，學(xué)生注意力不集中的現(xiàn)象明顯減少。在實驗考試的驅(qū)動下，學(xué)生需要熟練掌握每個實驗操作步驟，大大增強了實驗操作能力。學(xué)生在教學(xué)視頻的錄制過程中，不但更加細(xì)致地掌握了理論和實驗知識，而且鍛煉了自身對多媒體的應(yīng)用能力，有助于畢業(yè)后從事各種與昆蟲學(xué)相關(guān)的職業(yè)。