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        大學(xué)生對(duì)光合作用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與學(xué)習(xí)效果的態(tài)度

        2020-04-07 17:43:52莊楓紅胡學(xué)軍彭長(zhǎng)連李玲黃勝琴
        高教學(xué)刊 2020年9期
        關(guān)鍵詞:光合作用深度學(xué)習(xí)

        莊楓紅 胡學(xué)軍 彭長(zhǎng)連 李玲 黃勝琴

        摘 ?要:為了解大學(xué)生對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的態(tài)度,對(duì)參與學(xué)習(xí)“光合作用光能的吸收、轉(zhuǎn)化及不同類(lèi)型植物的光合測(cè)定與應(yīng)用的虛擬仿真”實(shí)驗(yàn)的112位大學(xué)生進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查。結(jié)果表明,參與調(diào)查的大學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)滿(mǎn)意程度達(dá)到88.39%。大學(xué)生認(rèn)為該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(cè)有助于鞏固知識(shí),85.71%的學(xué)生認(rèn)為在虛擬課程學(xué)習(xí)后需提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告,這有利于梳理實(shí)驗(yàn)過(guò)程。這些結(jié)果為深入開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué);光合作用;深度學(xué)習(xí);態(tài)度調(diào)查

        中圖分類(lèi)號(hào):G640 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A ? ? ? ? 文章編號(hào):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(shí)代的到來(lái)以及科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,社會(huì)對(duì)人才的需求提出新的要求,尤其是對(duì)大學(xué)生的分析與解決實(shí)際問(wèn)題能力的培養(yǎng)顯得更加重要,使得高校常規(guī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要更新。當(dāng)前各種信息化系統(tǒng)也在計(jì)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(tái)[1]。教育部在《關(guān)于狠抓新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議精神落實(shí)的通知》(教高函〔2018〕8號(hào))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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的突出優(yōu)勢(shì),破解了高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)中的諸如環(huán)境、設(shè)備限制等一些老大難問(wèn)題。發(fā)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要的實(shí)際意義[2-5]。

        光合作用是指綠色植物吸收太陽(yáng)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(guò)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(diǎn)和難點(diǎn),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(gè)重要研究領(lǐng)域。長(zhǎng)期以來(lái),學(xué)生對(duì)于光合作用的學(xué)習(xí)都只是通過(guò)教師在課堂上的理論講解、PPT展示光合作用過(guò)程中的每個(gè)組件的作用以及視頻觀(guān)看光合作用的反應(yīng)過(guò)程,通過(guò)機(jī)械記憶來(lái)記住C3、C4和CAM植物的生理特征異同點(diǎn),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(duì)平衡等也只能依靠理論學(xué)習(xí),比較枯燥無(wú)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(duì)在多年“植物生理學(xué)”的教學(xué)改革與實(shí)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(lèi)型植物的光合測(cè)定與應(yīng)用的虛擬仿真”實(shí)驗(yàn),通過(guò)“光合作用光能吸收、轉(zhuǎn)化”、“不同類(lèi)型植物光合測(cè)定”、“不同類(lèi)型植物在居家布置的應(yīng)用”三大實(shí)驗(yàn)內(nèi)容闡述光合作用原理與應(yīng)用,開(kāi)發(fā)了此虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,2017年獲批為教育部的首批國(guó)家級(jí)虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目。在該項(xiàng)目建設(shè)與實(shí)施過(guò)程中,我們組織了多名大學(xué)生自主學(xué)習(xí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)并獨(dú)立完成網(wǎng)上自測(cè)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。本文通過(guò)調(diào)查大學(xué)生對(duì)光合作用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與學(xué)習(xí)效果的態(tài)度,以了解虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)。

        一、研究方法

        (一)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容

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

        (二)問(wèn)卷調(diào)查內(nèi)容

        利用問(wèn)卷星網(wǎng)站制作《大學(xué)生對(duì)“光合作用光能的吸收、轉(zhuǎn)化及不同類(lèi)型植物的光合測(cè)定與應(yīng)用的虛擬仿真”實(shí)驗(yàn)課程線(xiàn)上學(xué)習(xí)及測(cè)評(píng)滿(mǎn)意度調(diào)查》問(wèn)卷,題目設(shè)置為12項(xiàng),包含5部分內(nèi)容(表2)。

        (三)調(diào)查對(duì)象

        華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2016級(jí)生物科學(xué)專(zhuān)業(yè)和2017級(jí)生物技術(shù)專(zhuān)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(guò)程中,學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn),并完成作業(yè)(網(wǎng)上自測(cè)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告)。2019年6月,學(xué)生學(xué)習(xí)虛擬實(shí)驗(yàn)后,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)發(fā)放問(wèn)卷,收回有效問(wèn)卷112份,并對(duì)問(wèn)卷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

        二、調(diào)查結(jié)果與分析

        (一)大學(xué)生對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程效果的滿(mǎn)意度

        圖1和圖2可知,88.39%的學(xué)生對(duì)于《光合作用光能的吸收、轉(zhuǎn)化及不同類(lèi)型植物的光合測(cè)定與應(yīng)用的虛擬仿真》實(shí)驗(yàn)課程的開(kāi)設(shè)是滿(mǎn)意的。而對(duì)于在理論課學(xué)習(xí)后,利用課后時(shí)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(duì)“光合作用的過(guò)程”開(kāi)設(shè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程有助于學(xué)生在學(xué)習(xí)光合作用的理論知識(shí)以后,通過(guò)組裝電子傳遞鏈的三維結(jié)構(gòu)模式圖,虛擬測(cè)定水稻、玉米的光響應(yīng)曲線(xiàn),CO2響應(yīng)曲線(xiàn)和陰生、陽(yáng)生植物生長(zhǎng)環(huán)境等進(jìn)一步理解植物光合作用過(guò)程。

        (二)大學(xué)生對(duì)光合作用知識(shí)與技能的評(píng)價(jià)

        圖3表明,超過(guò)54.46%的學(xué)生認(rèn)為本虛擬實(shí)驗(yàn)課程對(duì)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(yáng)生植物生長(zhǎng)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(méi)有任何幫助。而對(duì)三個(gè)部分的虛擬實(shí)驗(yàn)操作,學(xué)生有不同的見(jiàn)解。53.57%的學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)一《光合作用光合吸收、轉(zhuǎn)化》對(duì)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(guò)自主組裝光合電子傳遞鏈上各個(gè)組分,將每個(gè)組分與課堂的理論知識(shí)一一對(duì)應(yīng),加深了自身記憶。56.25%的學(xué)生覺(jué)得實(shí)驗(yàn)二《不同類(lèi)型植物光合測(cè)定》對(duì)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(guò)線(xiàn)上學(xué)習(xí)操作LI-6400光合測(cè)定儀也為學(xué)生接下來(lái)對(duì)植物光合特性的研究打下良好的基礎(chǔ)(圖5)。對(duì)于實(shí)驗(yàn)三《不同類(lèi)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(yáng)生植物的生長(zhǎng)環(huán)境(圖6)。學(xué)生通過(guò)評(píng)價(jià)家庭綠化配置的科學(xué)性,認(rèn)識(shí)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(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)上自測(cè)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的評(píng)價(jià)

        大學(xué)生在學(xué)習(xí)完虛擬實(shí)驗(yàn)后完成網(wǎng)上自測(cè),由系統(tǒng)即時(shí)評(píng)閱。圖7表明,91.07%的學(xué)生對(duì)于網(wǎng)上自測(cè)欄目表示滿(mǎn)意,認(rèn)為該測(cè)驗(yàn)有助于他們及時(shí)檢測(cè)自身對(duì)知識(shí)的掌握程度,通過(guò)自測(cè)題來(lái)了解自身的知識(shí)薄弱點(diǎn),只有8.93%的學(xué)生對(duì)該欄目表示不滿(mǎn)意,認(rèn)為其對(duì)知識(shí)的鞏固沒(méi)有幫助。本虛擬實(shí)驗(yàn)也設(shè)置了實(shí)驗(yàn)報(bào)告環(huán)節(jié),78.57%的學(xué)生覺(jué)得提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告是重要的,21.43%的學(xué)生則認(rèn)為實(shí)驗(yàn)報(bào)告不重要(圖8-A)。85.71%的學(xué)生覺(jué)得提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告有助于他們理解整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程,學(xué)生反映他們?cè)谕瓿烧麄€(gè)實(shí)驗(yàn)操作以后,整理實(shí)驗(yàn)報(bào)告可以更好地梳理實(shí)驗(yàn)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(duì)意見(jiàn),主要是覺(jué)得撰寫(xiě)內(nèi)容比較多(圖8-B)。

        三、結(jié)束語(yǔ)

        虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要是利用人工智能的手段,依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)、傳感技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù),構(gòu)建一個(gè)高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象,以便于大學(xué)生在虛擬環(huán)境中開(kāi)展實(shí)驗(yàn),為教師及學(xué)生提供一個(gè)安全、低成本的新型實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)可以通過(guò)電腦端進(jìn)行學(xué)習(xí),學(xué)生通過(guò)自主安排時(shí)間,利用自己的課余時(shí)間可多次操作實(shí)驗(yàn)、觀(guān)看教學(xué)視頻,能將抽象的光合過(guò)程具體化、形象化,為學(xué)生提供更加直觀(guān)、形象的教學(xué)內(nèi)容,打破了傳統(tǒng)課堂教學(xué)的時(shí)間與空間的限制。將電腦變成學(xué)習(xí)的工具,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,讓他們?cè)谕嬷袑W(xué)、學(xué)中做的互動(dòng)學(xué)習(xí)模式中掌握光合作用的知識(shí)點(diǎn),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(shí)驗(yàn)課程的開(kāi)展,主要是通過(guò)操作來(lái)直觀(guān)地認(rèn)識(shí)植物體內(nèi)的微觀(guān)光合現(xiàn)象,對(duì)光合作用的電子傳遞過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)闡述;通過(guò)虛擬地組裝光合測(cè)定儀LI-6400,進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和掌握該大型儀器的應(yīng)用;通過(guò)評(píng)價(jià)家庭綠化配置的科學(xué)性,了解陰生與陽(yáng)生植物適應(yīng)不同光環(huán)境的特點(diǎn)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(shí)驗(yàn)課程的。學(xué)生對(duì)于網(wǎng)上自測(cè)也是持贊同意見(jiàn),覺(jué)得對(duì)于他們知識(shí)的掌握還是有所幫助的。但是對(duì)于實(shí)驗(yàn)報(bào)告的提交,有相當(dāng)一部分的同學(xué)認(rèn)為沒(méi)必要,但是只有提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告,教師通過(guò)查閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告,才能進(jìn)行答疑、反饋和指導(dǎo),才能與學(xué)生有所互動(dòng)。

        任重而道遠(yuǎn)。在新課改和“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代背景下,我們要努力達(dá)到虛擬實(shí)驗(yàn)課程“金課”的要求,不斷地完善該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。作為輔助理解理論知識(shí)的平臺(tái),要提高網(wǎng)頁(yè)的流暢性,優(yōu)化系統(tǒng),保證學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)。幫助學(xué)生了解虛擬實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)、難點(diǎn),通過(guò)線(xiàn)上指導(dǎo),實(shí)時(shí)答疑,增加師生間互動(dòng),確保實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)要滿(mǎn)足大學(xué)生課后自主多次進(jìn)行操作實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)內(nèi)容突出科學(xué)與創(chuàng)新,促進(jìn)學(xué)生對(duì)光合作用知識(shí)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(shí)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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