大學生對光合作用虛擬仿真實驗內容與學習效果的態度

莊楓紅 胡學軍 彭長連 李玲 黃勝琴

摘 ?要：為了解大學生對虛擬仿真實驗課程的態度，對參與學習“光合作用光能的吸收、轉化及不同類型植物的光合測定與應用的虛擬仿真”實驗的112位大學生進行了問卷調查。結果表明，參與調查的大學生對該實驗課程教學滿意程度達到88.39%。大學生認為該虛擬仿真實驗有助于理解光合作用的本質與意義。作業方面，學生認為網上自測有助于鞏固知識，85.71%的學生認為在虛擬課程學習后需提交實驗報告，這有利于梳理實驗過程。這些結果為深入開展虛擬仿真實驗在培養大學生自主學習的研究提供了依據。

關鍵詞：虛擬仿真實驗教學;光合作用;深度學習;態度調查

中圖分類號：G640 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：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

隨著信息時代的到來以及科學技術的快速發展，社會對人才的需求提出新的要求，尤其是對大學生的分析與解決實際問題能力的培養顯得更加重要，使得高校常規的實驗教學體系和實驗平臺需要更新。當前各種信息化系統也在計算機中得到應用，其中虛擬仿真技術的出現，為大學生的自主性學習提供了平臺[1]。教育部在《關于狠抓新時代全國高等學校本科教育工作會議精神落實的通知》（教高函〔2018〕8號）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力且能促進高校的教學尤其是實驗教學，但需要進一步探索“智能+教育”。目前，虛擬仿真技術已經成為許多高新技術研究和課程教學的重要手段，并顯示出了相較于傳統實驗教學方法的突出優勢，破解了高等學校實驗、實習、實訓中的諸如環境、設備限制等一些老大難問題。發展虛擬仿真實驗教學具有重要的實際意義[2-5]。

光合作用是指綠色植物吸收太陽光的能量，同化二氧化碳和水，制造有機物質并釋放氧氣的過程。光合作用是“地球上最重要的化學反應”[6]。光合作用是植物生理學課程教學中的重點和難點，在植物生理學課程中占據著重要地位，又是自然科學的一個重要研究領域。長期以來，學生對于光合作用的學習都只是通過教師在課堂上的理論講解、PPT展示光合作用過程中的每個組件的作用以及視頻觀看光合作用的反應過程，通過機械記憶來記住C3、C4和CAM植物的生理特征異同點，光合作用在生態環境中的作用如維持大氣中O2和CO2的相對平衡等也只能依靠理論學習，比較枯燥無味。

為了讓學生更好地學習理解光合作用，我們教學團隊在多年“植物生理學”的教學改革與實踐[7-8]的基礎上，2017年提出了“光合作用光能的吸收、轉化及不同類型植物的光合測定與應用的虛擬仿真”實驗，通過“光合作用光能吸收、轉化”、“不同類型植物光合測定”、“不同類型植物在居家布置的應用”三大實驗內容闡述光合作用原理與應用，開發了此虛擬仿真實驗項目，2017年獲批為教育部的首批國家級虛擬仿真教學項目。在該項目建設與實施過程中，我們組織了多名大學生自主學習虛擬仿真實驗并獨立完成網上自測和實驗報告。本文通過調查大學生對光合作用虛擬仿真實驗內容與學習效果的態度，以了解虛擬實驗的使用情況和需改進的地方，為進一步完善與建設虛擬實驗提供理論依據。

一、研究方法

（一）虛擬仿真實驗的內容

“光合作用光能的吸收、轉化及不同類型植物的光合測定與應用的虛擬仿真”實驗課程主要由三個內容組成，分別是：光合作用光合吸收、轉化、不同類型植物光合測定以及不同類型植物在居家布置的應用（表1）。

（二）問卷調查內容

利用問卷星網站制作《大學生對“光合作用光能的吸收、轉化及不同類型植物的光合測定與應用的虛擬仿真”實驗課程線上學習及測評滿意度調查》問卷，題目設置為12項，包含5部分內容（表2）。

（三）調查對象

華南師范大學生命科學學院2016級生物科學專業和2017級生物技術專業學生（表3），他們分別在2018年下學期和2019年上學期學習了“植物生理學”課程，在學習理論課的過程中，學生課后自主學習虛擬仿真實驗，并完成作業（網上自測和實驗報告）。2019年6月，學生學習虛擬實驗后，通過網絡平臺發放問卷，收回有效問卷112份，并對問卷進行統計分析。

二、調查結果與分析

（一）大學生對虛擬仿真實驗課程效果的滿意度

圖1和圖2可知，88.39%的學生對于《光合作用光能的吸收、轉化及不同類型植物的光合測定與應用的虛擬仿真》實驗課程的開設是滿意的。而對于在理論課學習后，利用課后時間進一步學習光合作用的做法，大部分學生認為有效。因此，針對“光合作用的過程”開設的虛擬仿真實驗課程有助于學生在學習光合作用的理論知識以后，通過組裝電子傳遞鏈的三維結構模式圖，虛擬測定水稻、玉米的光響應曲線，CO2響應曲線和陰生、陽生植物生長環境等進一步理解植物光合作用過程。

（二）大學生對光合作用知識與技能的評價

圖3表明，超過54.46%的學生認為本虛擬實驗課程對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、陽生植物生長環境的選擇比較有幫助（非常+比較有幫助），只有少數同學（8%）認為沒有任何幫助。而對三個部分的虛擬實驗操作，學生有不同的見解。53.57%的學生認為實驗一《光合作用光合吸收、轉化》對于他們理解光合電子傳遞鏈上電子與質子的傳遞及ATP的生成比較有幫助（圖4）。學生反映他們通過自主組裝光合電子傳遞鏈上各個組分，將每個組分與課堂的理論知識一一對應，加深了自身記憶。56.25%的學生覺得實驗二《不同類型植物光合測定》對于他們理解C3、C4植物的光合特性差異比較有幫助，而且通過線上學習操作LI-6400光合測定儀也為學生接下來對植物光合特性的研究打下良好的基礎（圖5）。對于實驗三《不同類型植物在居家布置的應用》，55.36%的學生認為比較有助于他們理解陰生、陽生植物的生長環境（圖6）。學生通過評價家庭綠化配置的科學性，認識植物在生態環境中的重要性，加深自身的生態理念，保護自然，與自然和諧共處。

（三）大學生對虛擬實驗的網上自測和實驗報告的評價

大學生在學習完虛擬實驗后完成網上自測，由系統即時評閱。圖7表明，91.07%的學生對于網上自測欄目表示滿意，認為該測驗有助于他們及時檢測自身對知識的掌握程度，通過自測題來了解自身的知識薄弱點，只有8.93%的學生對該欄目表示不滿意，認為其對知識的鞏固沒有幫助。本虛擬實驗也設置了實驗報告環節，78.57%的學生覺得提交實驗報告是重要的，21.43%的學生則認為實驗報告不重要（圖8-A）。85.71%的學生覺得提交實驗報告有助于他們理解整個實驗過程，學生反映他們在完成整個實驗操作以后，整理實驗報告可以更好地梳理實驗思路，還有利于和教師進行交流、反饋。14.29%的同學則持反對意見，主要是覺得撰寫內容比較多（圖8-B）。

三、結束語

虛擬仿真實驗主要是利用人工智能的手段，依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫、傳感技術和網絡通信等技術，構建一個高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，以便于大學生在虛擬環境中開展實驗，為教師及學生提供一個安全、低成本的新型實驗方式，達到教學大綱所要求的教學效果和人才培養目標[9-10]。

本光合作用虛擬仿真實驗可以通過電腦端進行學習，學生通過自主安排時間，利用自己的課余時間可多次操作實驗、觀看教學視頻，能將抽象的光合過程具體化、形象化，為學生提供更加直觀、形象的教學內容，打破了傳統課堂教學的時間與空間的限制。將電腦變成學習的工具，充分調動學生的學習積極性，讓他們在玩中學、學中做的互動學習模式中掌握光合作用的知識點，從而最大限度地激發學生的自主學習興趣。

本虛擬仿真實驗課程的開展，主要是通過操作來直觀地認識植物體內的微觀光合現象，對光合作用的電子傳遞過程進行詳細闡述;通過虛擬地組裝光合測定儀LI-6400，進一步認識和掌握該大型儀器的應用;通過評價家庭綠化配置的科學性，了解陰生與陽生植物適應不同光環境的特點與應用，加深理解植物美化環境、凈化空氣的重要性。學生總體上還是認可該實驗課程的。學生對于網上自測也是持贊同意見，覺得對于他們知識的掌握還是有所幫助的。但是對于實驗報告的提交，有相當一部分的同學認為沒必要，但是只有提交實驗報告，教師通過查閱實驗報告，才能進行答疑、反饋和指導，才能與學生有所互動。

任重而道遠。在新課改和“互聯網+”時代背景下，我們要努力達到虛擬實驗課程“金課”的要求，不斷地完善該實驗平臺。作為輔助理解理論知識的平臺，要提高網頁的流暢性，優化系統，保證學生順利完成實驗。幫助學生了解虛擬實驗的重點、難點，通過線上指導，實時答疑，增加師生間互動，確保實驗的順利進行。虛擬實驗平臺要滿足大學生課后自主多次進行操作實驗，實驗內容突出科學與創新，促進學生對光合作用知識的深入理解，這有利于培養學生的創新思維，提高學生的實踐能力和創新精神，才能培養更多高質量的人才。

參考文獻：

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