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）

0 引 言

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。

1 虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案的構(gòu)建

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?。ǔ⒘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)。

2 虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的教學(xué)方式

2.1 虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方式

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

2.2 問題啟發(fā)式教學(xué)和體驗(yàn)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(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。

2.3 研討式互動(dòng)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(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。

3 多樣化的評價(jià)方式

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

4 虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目特色

4.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)思路獨(dú)特

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。

4.2 教學(xué)方式虛實(shí)結(jié)合、科教結(jié)合

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。

4.3 延伸與拓展了傳統(tǒng)教學(xué)

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)。

5 結(jié) 語

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)。