何 磊, 陳 欣, 唐建軍, 程 磊
(浙江大學(xué)a.國家級生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心;b.生命科學(xué)學(xué)院,杭州310058)
生態(tài)學(xué)課程由于學(xué)科特點(diǎn)所限,實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)受到季節(jié)限制,因課程時(shí)間有限,學(xué)生只能觀察到某一個(gè)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(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間長,需要經(jīng)過較長時(shí)間的觀察才能獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果;再者,有些生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)過程抽象且轉(zhuǎn)化過程不可見等特點(diǎn),這些問題均嚴(yán)重影響了生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jìn)入高校實(shí)驗(yàn)課堂,虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展豐富了高校本科實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新[10-14]。本文以虛實(shí)結(jié)合的生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)為主題,以“稻魚共生生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)實(shí)驗(yàn)”為例,依托學(xué)校國家級生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心生態(tài)學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室和“基于穩(wěn)定性同位素技術(shù)的生態(tài)系統(tǒng)氮素運(yùn)轉(zhuǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”系統(tǒng),從實(shí)驗(yàn)方案構(gòu)建、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式、實(shí)驗(yàn)考核評價(jià)及實(shí)驗(yàn)體系特色方面,構(gòu)建與探索虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。
生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)實(shí)驗(yàn)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(yàn)證和鞏固理論知識的重要渠道,更是補(bǔ)充和深化課堂的理論知識、通過實(shí)驗(yàn)達(dá)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(gè)復(fù)雜的過程,具有時(shí)間長、跨越大等特點(diǎn),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(yùn)過程也無法直觀地在一次實(shí)驗(yàn)中觀察到[16]。因此,在生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)中結(jié)合了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué),從而構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案(見圖1)。
圖1 虛實(shí)結(jié)合生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建
虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方案分為課前預(yù)習(xí)、實(shí)體實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(xiàn)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(shí)情況。實(shí)體實(shí)驗(yàn)主要包括對某一時(shí)期生態(tài)系統(tǒng)中的氮素樣品(如土壤)進(jìn)行回收、研磨、微量稱?。ǔ⒘刻炱剑?、包樣、樣品上機(jī)(同位素質(zhì)譜儀)分析及計(jì)算等(見圖2)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(dòng)物在生態(tài)系統(tǒng)中的活動(dòng)情況分析及動(dòng)植物樣品的取樣處理等實(shí)體實(shí)驗(yàn)無法操作的模塊以及實(shí)體實(shí)驗(yàn)可以操作的“同位素元素的測定與計(jì)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(shí)體實(shí)驗(yàn)主要操作步驟
圖3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K
通過虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)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(rèn)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(yùn)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)。
在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中先通過實(shí)體實(shí)驗(yàn)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(jì)算生態(tài)系統(tǒng)氮素運(yùn)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(shí)空特性,實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容片段化(即只進(jìn)行某一環(huán)節(jié)),學(xué)生很難通過一次實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)歷元素循環(huán)的整個(gè)生態(tài)學(xué)過程,因此對過程的認(rèn)知比較抽象和陌生。另外,穩(wěn)定性同位素標(biāo)記物價(jià)格昂貴,同位素質(zhì)譜儀數(shù)量少、使用要求高,在實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)中只能以小班形式進(jìn)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(yùn)轉(zhuǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”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(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)連接,使整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程更加立體直觀,從而有利于學(xué)生更好地認(rèn)識與理解相關(guān)知識點(diǎn)(見圖4)。通過虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方式,減少實(shí)驗(yàn)教學(xué)在時(shí)空、經(jīng)費(fèi)和儀器設(shè)備等方面的制約,將實(shí)驗(yàn)過程中抽象、耗時(shí)長、實(shí)體實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的部分通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的形式進(jìn)行,從而做到虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)相互結(jié)合,虛擬實(shí)驗(yàn)有效補(bǔ)充實(shí)體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的目的。
圖4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作現(xiàn)場
生態(tài)系統(tǒng)元素循環(huán)過程復(fù)雜,實(shí)驗(yàn)知識點(diǎn)多,為了打破實(shí)體實(shí)驗(yàn)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(shí)體實(shí)驗(yàn),在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了體驗(yàn)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(dòng)的觀察等多個(gè)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(yàn)身臨其境的感覺。同時(shí),在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)置了多個(gè)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)知識點(diǎn)相關(guān)的習(xí)題,學(xué)生只有完成習(xí)題才能進(jìn)入下一個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟。例如,在田魚取食活動(dòng)觀察模塊中,基于科研結(jié)果,設(shè)計(jì)了田魚不同個(gè)體取食行為及其對氮素運(yùn)轉(zhuǎn)的影響,從而激發(fā)學(xué)生觀察、探索各個(gè)生物組分對氮素固持特點(diǎn)。學(xué)生在完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程中,將虛擬實(shí)驗(yàn)操作和問題貫穿其中,激發(fā)了學(xué)生在實(shí)體實(shí)驗(yàn)中對實(shí)驗(yàn)原理的思考,同時(shí)熟悉了實(shí)體實(shí)驗(yàn)操作流程,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,達(dá)到增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性的教學(xué)效果。
針對生態(tài)系統(tǒng)元素運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)實(shí)驗(yàn)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題,在實(shí)驗(yàn)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(yùn)轉(zhuǎn)和循環(huán)的技術(shù)手段和經(jīng)典案例。實(shí)驗(yàn)完成后進(jìn)行分組討論,聯(lián)系實(shí)驗(yàn)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(dòng)物活動(dòng)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(dòng)物-植物-微生物之間如何運(yùn)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(shí)驗(yàn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和難點(diǎn)問題,總結(jié)進(jìn)一步提升實(shí)驗(yàn)互動(dòng)性,更好把握實(shí)驗(yàn)知識點(diǎn)的意見和建議。在實(shí)驗(yàn)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(dòng)的測定結(jié)果,分析動(dòng)物(田魚)活動(dòng)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(dòng)物-植物-微生物的協(xié)同關(guān)系。研討式互動(dòng)教學(xué)通過學(xué)生查閱文獻(xiàn)、課堂討論和教師總結(jié)等促進(jìn)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(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力。
實(shí)驗(yàn)考核采用線下(實(shí)體實(shí)驗(yàn))和線上(虛擬仿真實(shí)驗(yàn))相結(jié)合的評定模式進(jìn)行。考核內(nèi)容分為實(shí)體實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和開放性課題研究4部分。實(shí)體實(shí)驗(yàn)考核包括實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)操作情況以及實(shí)驗(yàn)完成質(zhì)量等進(jìn)行綜合考核。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)考核通過虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行,包括整個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)體實(shí)驗(yàn)占40%,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)占30%,實(shí)驗(yàn)報(bào)告及心得體會(huì)占20%;其他選修生態(tài)學(xué)大實(shí)驗(yàn)通識課程學(xué)生課前預(yù)習(xí)占20%,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)占50%,實(shí)驗(yàn)報(bào)告及心得體會(huì)占30%。實(shí)驗(yàn)報(bào)告按學(xué)校實(shí)驗(yàn)報(bào)告模式撰寫。具體評分規(guī)則見表1。
表1 虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目考核評價(jià)要求
本實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)的理想系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有獨(dú)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(shí)踐基礎(chǔ),促進(jìn)了科研與教學(xué)之間的轉(zhuǎn)化,實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有先進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)踐意義。
本項(xiàng)目采用虛擬實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)體實(shí)驗(yàn)操作相結(jié)合的方式進(jìn)行,虛擬實(shí)驗(yàn)為實(shí)體實(shí)驗(yàn)提供教學(xué)資源,實(shí)體實(shí)驗(yàn)為虛擬實(shí)驗(yàn)提供實(shí)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(shí)體操作到虛擬仿真,充分體現(xiàn)“以虛補(bǔ)實(shí)、以虛促實(shí)、虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)理念。項(xiàng)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(jī)互動(dòng)的研討式教學(xué),突出以學(xué)生為中心,增強(qiáng)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、獨(dú)立學(xué)習(xí)、研討式學(xué)習(xí)的能力,同時(shí)從教學(xué)理念上,鼓勵(lì)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(shí)驗(yàn)以學(xué)校農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)團(tuán)隊(duì)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(gè)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(dòng)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(shí)現(xiàn)科教結(jié)合,達(dá)到科教相互促進(jìn)的目的。
生態(tài)系統(tǒng)氮素運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)以我校相關(guān)團(tuán)隊(duì)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(diǎn)和研究技能關(guān)鍵點(diǎn),以生態(tài)系統(tǒng)氮素轉(zhuǎn)運(yùn)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(qiáng),填補(bǔ)國內(nèi)同類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目空白。同時(shí),本實(shí)驗(yàn)以虛實(shí)結(jié)合的形式進(jìn)行,打破了生態(tài)學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)在開設(shè)過程中的時(shí)間和空間限制,將傳統(tǒng)教學(xué)無法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)場地)、實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)儀器等限制的,進(jìn)行自主學(xué)習(xí),解決了只能在小班進(jìn)行實(shí)驗(yàn),很難面向大量學(xué)生的問題,延伸和拓展了傳統(tǒng)教學(xué)。
虛實(shí)結(jié)合生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建拓展了生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度,引領(lǐng)了生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式與改革方向。該體系在我校生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中的運(yùn)用效果良好,有效提升了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效率和對知識點(diǎn)的把控。在教育部倡導(dǎo)“停課不停學(xué)”期間,學(xué)生進(jìn)行線上的虛擬仿真實(shí)驗(yàn),有利于實(shí)驗(yàn)課程安全有序地開展。目前,該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)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(shí)結(jié)合的生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系奠定了基礎(chǔ)。