虛實結合教學體系構建

張 彪, 魏萬紅, 董召娣,丁海東, 杜 坤 , 黃金林, 潘志明

(1. 揚州大學 生物科學與技術學院, 江蘇 揚州 225009；2. 揚州大學 實驗室與設備管理處, 江蘇 揚州 225009)

“植物分類學實驗”教學,具有直觀性、開放性、綜合性、創造性等特征[1]。高等學校開設該課程的主要目的,是通過它教會學生用科學規范的實驗方法,從形態結構組成上認識、鑒別出相關植物標本的名稱,為古今中外對相關植物的研究成果的進一步開發利用,提供知識儲備。

1 構建“植物分類學實驗”虛實結合教學體系的緣由

傳統“植物分類學實驗”教學,其核心教學要素,如供試植物標本,由于受季節、地域、植物自身器官生長的漸次性和周期性等多因素的限制[2-3],在其選擇上存在既豐富又缺乏的現象,即“單一器官”標本可隨時采集、同一物種“全生育期”標本幾乎無法同時采到,這既降低了一次物種檢索鑒別實驗的完整性,又增加了實驗成本。在互聯網+時代,應用Unity3D虛擬現實、顯微-數碼成像、電子地圖等軟件編程技術與制作工具對相關物種“全生育期”標本、某一地域“植物生長場景”和物種檢索鑒別用“檢索表”,進行“數字化”“碎片化”與“一體化”的重構[4-5],則可較好地解決上述問題。

為此,以培養學生自主完成植物多樣性調查所需的“植物器官形態特征鑒別、標本采集與解剖技術操作流程、標本描述與檢索鑒別流程等”的訓練為出發點,結合國家級虛擬仿真實驗教學示范中心建設,開展了基于網絡、實驗室、植物生長場所“三維”空間下的“植物分類學實驗”虛實結合教學體系的研究與構建工作。其重點是通過對“植物分類學實驗”所涉教學內容的重排和資源的數字化建設,創建出“以教學實驗室為主體,以網絡、植物生長場所為兩翼”的“三位一體”實驗教學平臺、教學內容和教學模式,最終為建立“基于實驗室課堂的系統學習與基于網絡和植物生長場所的碎片式學習”的虛實結合實驗教學方式提供載體[6-9]。

2 拓展教學空間,構建“三位一體”實驗教學平臺

傳統“植物分類學實驗”教學主要在教學實驗室中進行,學生是在“固定”學習場所、“限定”學習時間及“確定”學習內容的前提下,在教師的主導下“分步”完成對相關課程內容的學習,既不利于利用“校園、田園、公園等”場所中的“原生態”花花草草來提升學生對“植物分類學實驗”的學習興趣,也不利于通過某一物種“全生育期”標本的采集來確保整個實驗“完整”實施。在互聯網+時代,依托虛擬網絡和植物生長場所來拓展實驗教學空間,構建基于網絡、實驗室、植物生長場所的“三位一體”實驗教學平臺,則可較好地解決上述問題。

2.1 以互聯網為載體,構建《植物分類學實驗》虛擬仿真教學平臺

以往在實驗開始前,要解決學生對實驗過程中“所涉儀器設備和實驗技能操作流程缺乏感性認識、一次獲取單一物種的全生育期標本”等問題,似乎很難,但在互聯網+時代,通過信息技術與實驗教學的融合,構建可在PC、平板、智能手機等網絡終端設備上順暢運行的虛擬仿真實驗教學平臺,則可較好地解決該問題。為此,在國家級虛擬仿真實驗教學示范中心建設過程中,以能力培養與形成為主線,以開放、平等、共享的互聯網精神為內核,以學生自主性實驗學習目標的實現為重點,展開了基于網絡條件下的“植物分類學實驗”虛擬仿真教學平臺的構建工作,主要包含“平臺”運行控制軟件編程及可添加到“平臺”中的虛擬標本、圖文數據庫等虛擬仿真資源素材的制作等,其基本架構見圖1。

圖1 “植物分類學實驗”虛擬仿真教學平臺基本架構

(1) 學生功能區。通過該功能區,學生將實現：利用3D場景式動畫,對不同類型植物標本采集方法進行仿真學習；利用“植物器官”圖文數據庫,對描述植物形態特征的“名詞術語”進行觀摩學習；利用虛擬標本,完成對植物標本解剖流程、描述報告的撰寫進行模擬學習；利用“檢索表”文本數據庫,對物種檢索鑒別流程進行仿真學習；利用 “物種”圖文數據庫,完成對相關物種的形態特征、生態習性、利用價值等進行觀摩學習；師生在線開展教與學的交流與討論等。

(2) 教師功能區。通過該功能區,教師將實現：審閱學生提交的實驗報告；添加各實驗報告成績；了解相關實驗內容的教學效果；師生在線開展教與學的交流與討論等。

(3) 管理功能區。通過該功能區,管理員將實現：系統的初始化(基礎數據的錄入和添加)；對學生功能區和教師功能區進行管理；系統維護(數據備份和恢復、系統運行異常情況的診斷和處理)等。

2.2 以植物生長場所為載體，構建“植物分類學實驗”實訓教學平臺

隨著農業生產和人居環境美化的持續發展,一定區域內的植物種群數量常常取決于人們的喜好和生產需求,這既方便了對某一物種“全生育期”標本的“定點”觀察與采集,卻也增加了開展在“不同生境”下植物多樣性調查的難度。為此,在校園內設立“學習”區,其內標本一是用于相關實驗技能(如器官觀摩解剖、物種檢索鑒別、標本采集制作等)課堂教學練習之用,二是用于植物多樣性調查方式方法教學模擬訓練之用；在校外田園、公園和自然保護區中設立“實習”區,其內標本一是用于開展“地理環境”對植物器官形態特征“飾變”研究之用,二是用于不同生境下植物多樣性調查實訓之用。通過校園、田園、公園、自然保護區“三園一區”校內外實訓教學平臺的建立和應用,既豐富了教學用供試標本,還拓展了實驗教學空間,提升了學生的學習興趣和“自主”開展植物多樣性調查的能力。

3 調整教學內容,構建“開放式”實驗教學“新”體系

3.1 重新編排“植物分類學實驗”教學內容

圍繞學生 “自主”完成植物多樣性調查能力的養成,我們將“植物分類學實驗”課程教學目標定位為對學生開展“四個能力”訓練,并相應地將課程教學內容重新編排為4個模塊。

(1) 植物標本采集與制作能力訓練模塊。定點選擇3～5個物種(含喬木、灌木、草本等類型),開展“全生育期”各組成器官“電子與實體”標本的采集、整理與制作“規范化”操作流程訓練,重點訓練學生采集與制作標本的能力。

(2) 植物標本解剖與描述能力訓練模塊。選擇采集到的不同物種“根、莖、葉、花、果實、種子”標本,開展對“單一器官”觀摩與解剖 “規范化”操作流程的訓練,重點是訓練學生對標本解剖與用“術語”描述的能力。

(3) 植物標本檢索與鑒別能力訓練模塊。選擇某一物種的解剖描述報告(含“全生育期”標本),利用“紙質或電子”檢索表,開展物種檢索鑒別“規范化”操作流程能力訓練,重點是訓練學生標本鑒別能力。

(4) 植物多樣性調查能力訓練模塊。選定 “三園一區”中的某一區域,利用“三位一體”教學平臺中的條件,開展植物多樣性調查“規范化”操作流程訓練,重點是訓練學生“自主”開展植物多樣性調查的能力。

在教學實踐中, 首先將上述4個模塊中的教學內容設計成若干“必修、選修和自主”實驗項目,并依據各項目在整個實驗課程體系中的權重,給予“小學分”和課時；再依據教學日歷,將總課時分為若干個教學單元,并依各實驗項目能夠實現的教學目標,將其配置到相應的教學單元之中,供學生進行“自主”訓練和學習之用。

3.2 重構“植物分類學實驗”課程考核體系

圍繞“植物分類學實驗”課程教學目標,從細節、過程、結果、應用等方面入手,構建了基于“三維”實驗教學空間,覆蓋實驗教學全過程的考核內容與評價指標新體系(見表1)。這樣,既能較好地解決“以往”考核成績不能客觀反映學生實際能力的問題,還能夠將考核轉變成繼續學習的過程。

表1 “植物分類學實驗”課程考核體系架構

3.2.1 實驗平時成績綜合

該部分是以教學單元為單位,重點對實驗所用設備和技能的操作流程、標本形態結構組成特征的描述與拍攝、花程式的書寫、花圖式的繪制、檢索表的編寫、解剖描述與檢索鑒別報告的撰寫等進行考核。

(1) 設備和技能考核。在實驗室中,教師以觀摩和穿插提問的形式,對學生操作課程實驗所用儀器設備的規范化情況及對實驗技能注意事項等方面進行考核。

(2) 單元實驗報告。單元實驗結束后,教師依據學生提交的實驗報告,對其進行評分,同時規定,用學生自備實驗材料完成的報告加分30%；課程結束時,將各單元實驗報告成績進行加權平均即為該部分成績。

3.2.2 植物標本檢索鑒別

重點考核學生“整合”應用相關知識、技能進行物種解剖描述與檢索鑒別的能力。具體方法為：課程學習結束時,學生依據教師提供的植物標本,在實驗室中完成對相關標本的解剖描述和物種鑒別；考試結束時,學生提交一份含各標本“解剖描述報告和檢索鑒別報告”的試卷,供教師評閱打分。

3.2.3 植物物種識別

重點考核學生通過對植物標本形態特征的觀摩,確定其所屬科、屬、種名稱(學名)的能力。

(1) 實驗室識別。在實驗室內,學生在規定的時間內,現場說出或書寫出由教師準備的20～30種植物標本所屬科、屬、種的名稱,教師根據標本名稱的準確性,給出相應的成績。

(2) 植物生長場所識別。選定 “三園一區”中的某一區域,要求學生在規定的時間采集出10～15種植物標本(20%),并說出各標本所屬科、屬、種的名稱(50%)；同時,由教師任意選擇其中的1、2種標本,讓學生講述其形態結構組成特征(30%)。教師依據學生采集到的標本數量和對標本描述的準確性,評定出該部分的成績。

3.2.4 植物標本采集制作

重點考核學生獨立采集、制作一份完整植物標本的能力。

(1) 實體標本制作。要求學生獨立完成植物標本的采集、壓制、制作和鑒定,在課程結束時,提交一份臘葉標本和一份浸漬標本(原色)。教師根據標本質量給出相應的成績。

(2) 電子標本制作。要求學生通過“定點”觀察某一物種,在課程結束時,提交一份電子標本(文檔),其內容含“根、莖、葉、花、果實、種子”電子圖片和 “術語”描述文檔。教師根據圖片質量和所用“術語”的準確性,給出相應的成績。

3.2.5 植物多樣性調查

重點考核學生在某一區域獨立開展植物多樣性調查的能力。其具體方法為：由教師選定 “三園一區”中的某一區域,學生以個體或小組為單元,“自主”完成并提交一份含“調查方案、實驗數據的采集與處理、結果的分析與討論、參考資料的查閱與引用等”的植物多樣性調查分析報告。教師依據報告質量給出相應的成績。

4 變革教學方法,構建“虛實結合”實驗教學方式

隨著網絡終端設備,尤其是移動智能設備的發展與完善,應用網絡終端設備,尤其是智能手機進行“碎片化”學習與交流,不僅已成為在互聯網陪伴下長大的新生代學生群體獲取知識、傳遞信息、形成能力的重要途徑,還為借助網絡、實驗室、植物生長場所等空間實施“虛實結合”的實驗教學方式提供了載體。

4.1 在虛擬仿真實驗教學平臺中學習

學生可利用“平臺”中的虛擬仿真資源,如虛擬標本、3D場景式動畫、圖文數據庫等,全天候地在線開展標本采集與解剖“規范化”操作流程的觀摩與模擬學習、植物器官形態結構組成特征觀摩和仿真學習、標本描述與檢索鑒別報告的撰寫與比對學習、實時考核與交流等,既拓展了實驗教學時空,又解決了單一物種“全生育期”標本不易獲取而至檢索鑒別不能 “完整”實施的問題。

4.2 在教學實驗室中學習

學生在教學實驗室利用實驗室條件,一是對教師提供或自帶供試植物標本,自主或在教師的指導下完成對“標本”的觀摩、解剖與檢索鑒別,并撰寫出“對應”的解剖描述報告和檢索鑒別報告；二是對“三園一區”中的標本,通過“現場”觀摩與解剖所獲取的數據,進行進一步修正,既豐富了實驗教學內容,又為學生“自主性”實驗學習方式的建立創造了條件。

4.3 在植物生長場所中學習

學生進入“三園一區”等植物生長場所,在采集某一物種標本后,可用手機登錄“平臺”,先將“實體標本”觀摩與解剖數據存儲到“平臺”中，再將“實體”數據與“平臺”中的虛擬仿真資源進行比對,通過線上線下“虛實結合”的實驗方式,在線完成對所采標本的鑒別、解剖描述及檢索鑒別報告的撰寫與提交。既可克服以往在野外進行物種鑒別實驗時相關“工具書”攜帶不便的問題,還可通過“游玩”與學習兩不誤來提升學生對植物物種鑒別實驗學習的興趣。

5 結語

通過互聯網+“植物分類學實驗”,構建基于網絡、實驗室、植物生長空間的“三位一體”實驗教學平臺,及其與之配套的課程教學體系和“虛實結合”的實驗教學方式,不僅使MOOC、翻轉課堂、虛擬仿真實驗等教學“新型態”在“植物分類學實驗”教學中得到應用,還使信息技術在實驗教學中的作用得以彰顯[9-11],既順應了在互聯網+背景下人們獲取知識途徑的變化,又提升了學生對“植物分類學實驗”的學習興趣。從基于“三維”空間下實施“植物分類學實驗”教學效果來看(兩輪),多數學生在該課程學習結束后,都能夠從形態上識別出100種以上植物標本。