虛實結合的生態學實驗教學體系構建

何 磊， 陳 欣， 唐建軍， 程 磊

（浙江大學a.國家級生物實驗教學示范中心；b.生命科學學院，杭州310058）

0 引 言

生態學課程由于學科特點所限，實驗開設具有一定的局限性，不能完全滿足教學要求［1-5］。首先，生態學實驗受到季節限制，因課程時間有限，學生只能觀察到某一個季節的種群、群落或生態系統的變化；其次，部分生態學實驗持續時間長，需要經過較長時間的觀察才能獲得實驗結果；再者，有些生態學實驗具有實驗過程抽象且轉化過程不可見等特點，這些問題均嚴重影響了生態學實驗的教學效果［6-9］。隨著互聯網信息化和多媒體的快速發展，虛擬仿真技術逐漸進入高校實驗課堂，虛擬仿真技術的快速發展豐富了高校本科實驗教學資源，提升了學生學習興趣，加快了高校本科實驗教學的改革與創新［10-14］。本文以虛實結合的生態學實驗為主題，以“稻魚共生生態系統氮素循環實驗”為例，依托學校國家級生物實驗教學示范中心生態學教學實驗室和“基于穩定性同位素技術的生態系統氮素運轉虛擬仿真實驗”系統，從實驗方案構建、實驗教學方式、實驗考核評價及實驗體系特色方面，構建與探索虛擬仿真實驗與實體實驗相結合的生態學實驗教學體系。

1 虛實結合實驗教學方案的構建

生態系統氮素循環實驗教學是學生理解生態系統組成和元素循環過程的重要環節，是驗證和鞏固理論知識的重要渠道，更是補充和深化課堂的理論知識、通過實驗達到提高學生綜合素質的目的［15］。但是，生態系統氮素循環是一個復雜的過程，具有時間長、跨越大等特點，學生無法親歷完整的生態系統氮素循環過程，而且氮素在生物之間的轉運過程也無法直觀地在一次實驗中觀察到［16］。因此，在生態系統氮素循環實體實驗教學中結合了虛擬仿真實驗教學，從而構建虛實結合的實驗教學方案（見圖1）。

圖1 虛實結合生態學實驗教學體系構建

虛實結合的教學方案分為課前預習、實體實驗、虛擬仿真實驗和開放性課題研究4部分。課前預習主要包括：①通過航拍視頻和虛擬仿真軟件，了解稻魚共生生態系統的環境特征及狀況；②通過文獻及相關資料查詢，了解全球稻魚共生生態系統發展歷史與現實情況。實體實驗主要包括對某一時期生態系統中的氮素樣品（如土壤）進行回收、研磨、微量稱取（超微量天平）、包樣、樣品上機（同位素質譜儀）分析及計算等（見圖2）。虛擬仿真實驗主要包括野外場景中生態系統的構建、15N標記物質（氮素）的制備及輸入、動物在生態系統中的活動情況分析及動植物樣品的取樣處理等實體實驗無法操作的模塊以及實體實驗可以操作的“同位素元素的測定與計算、氮素在生態系統中的利用分析”等模塊（見圖3）。開放性課題研究以小組合作的形式開展，學生自主選擇開放性課題或者選擇教師給出的相關課題，比如①利用穩定性同位素技術研究稻魚共生生態系統中田魚的食譜；②利用穩定性同位素技術研究稻魚共生生態系統中浮游生物和藻類對氮素的固持。

圖2 實體實驗主要操作步驟

圖3 虛擬仿真實驗模塊

通過虛實結合的實驗教學，使學生①了解生態系統氮素循環的主要路徑；②認識生態系統物種之間的互惠關系及生態學意義；③掌握測定氮素在生態系統運轉的方法與技術；④了解利用穩定性同位素技術研究生態系統氮素循環的原理；⑤掌握穩定性同位素的測定和分析技術。

2 虛實結合實驗教學項目的教學方式

2.1 虛實結合的教學方式

在實驗教學中先通過實體實驗讓學生從原理上整體把握生態系統元素循環過程，掌握元素循環過程某一具體環節的觀測方法。比如，通過獲取土壤樣品，完成穩定性同位素15N的測定，然后計算生態系統氮素運轉過程中，生物組分對氮素的固持等。但由于生態系統元素循環過程具有時空特性，實體實驗教學內容片段化（即只進行某一環節），學生很難通過一次實驗教學經歷元素循環的整個生態學過程，因此對過程的認知比較抽象和陌生。另外，穩定性同位素標記物價格昂貴，同位素質譜儀數量少、使用要求高，在實體實驗教學中只能以小班形式進行。因此，在教學過程中結合“基于穩定性同位素技術的生態系統氮素運轉虛擬仿真實驗”軟件，采用網絡教學，通過3D虛擬場景以及圖片影像資料將片段化的實驗環節連接，使整個實驗過程更加立體直觀，從而有利于學生更好地認識與理解相關知識點（見圖4）。通過虛實結合的教學方式，減少實驗教學在時空、經費和儀器設備等方面的制約，將實驗過程中抽象、耗時長、實體實驗難以實現的部分通過虛擬仿真實驗的形式進行，從而做到虛擬實驗與實體實驗相互結合，虛擬實驗有效補充實體實驗內容，實現虛實結合的目的。

圖4 虛擬仿真實驗操作現場

2.2 問題啟發式教學和體驗式學習相結合的教學方法

生態系統元素循環過程復雜，實驗知識點多，為了打破實體實驗教學過程中的沉悶氣氛，激發學生學習興趣，因此基于實體實驗，在虛擬仿真實驗中設置了體驗式學習模塊，例如，稻魚共生生態系統的構建，田魚取食活動的觀察等多個場景。學生在野外虛擬環境中親自構建不同類型生態系統，體驗身臨其境的感覺。同時，在虛擬仿真實驗的各個環節設置了多個與實體實驗知識點相關的習題，學生只有完成習題才能進入下一個實驗步驟。例如，在田魚取食活動觀察模塊中，基于科研結果，設計了田魚不同個體取食行為及其對氮素運轉的影響，從而激發學生觀察、探索各個生物組分對氮素固持特點。學生在完成虛擬仿真實驗過程中，將虛擬實驗操作和問題貫穿其中，激發了學生在實體實驗中對實驗原理的思考，同時熟悉了實體實驗操作流程，提高學生的學習興趣，達到增強學生學習的主動性和創造性的教學效果。

2.3 研討式互動引導學生自主學習的教學方式

針對生態系統元素運轉循環實驗中的重點和難點問題，在實驗前要求學生收集稻魚共生生態系統在全球的分布以及研究中存在的爭議性問題，講述國內外研究生態系統元素運轉和循環的技術手段和經典案例。實驗完成后進行分組討論，聯系實驗過程中出現的問題和難題，分析原因并探討解決方法。例如，生態系統中生物之間相互作用關系如何影響到元素轉移？動物活動在生態系統元素循環中扮演什么樣的角色？元素在動物-植物-微生物之間如何運轉？現代農業是否可以利用物種之間的相互關系提高氮素的利用效率？物種多樣性的農業系統構建其關鍵步驟有哪些？通過分析實驗過程中的關鍵環節和難點問題，總結進一步提升實驗互動性，更好把握實驗知識點的意見和建議。在實驗結束后，學生可以以小組形式自行選擇開放性課題，如根據稻魚共生生態系統中田魚活動的測定結果，分析動物（田魚）活動對生態系統元素循環的影響；根據不同生態系統（稻魚共生生態系統、水稻單作生態系統、田魚單作生態系統）土壤微生物組分的差異，探討動物-植物-微生物的協同關系。研討式互動教學通過學生查閱文獻、課堂討論和教師總結等促進學生的自主學習和思考，培養學生科研素養及運用所學知識解決實際問題的能力。

3 多樣化的評價方式

實驗考核采用線下（實體實驗）和線上（虛擬仿真實驗）相結合的評定模式進行。考核內容分為實體實驗、虛擬仿真實驗、實驗報告和開放性課題研究4部分。實體實驗考核包括實驗準備、實驗操作情況以及實驗完成質量等進行綜合考核。虛擬仿真實驗考核通過虛擬仿真系統進行，包括整個實驗操作流程、操作規范、系統預設問題完成與課后鞏固練習完成等方面綜合評定。實驗考核方式與課程性質相關，專業課及專業基礎課必修學生課前預習占10%，實體實驗占40%，虛擬仿真實驗占30%，實驗報告及心得體會占20%；其他選修生態學大實驗通識課程學生課前預習占20%，虛擬仿真實驗占50%，實驗報告及心得體會占30%。實驗報告按學校實驗報告模式撰寫。具體評分規則見表1。

表1 虛實結合實驗教學項目考核評價要求

4 虛實結合實驗教學項目特色

4.1 實驗方案設計思路獨特

本實驗以稻魚共生生態系統為背景開展，以此為研究對象主要基于3點考慮：①稻魚共生系統歷史悠久，浙江“青田稻魚共生系統”具有1 200年歷史，被聯合國聯農組織列入“全球重要農業文化遺產”［17-18］。青田稻魚共生系統在自然和人類共同作用下不斷演化，是研究氮素在生態系統生物間運轉的理想系統，實驗系統具有獨特性；②我校自2005年開始對青田稻魚共生系統開展研究，在國際重要學術期刊發表了大量學術論文和專著［19-20］，具有豐富的研究基礎及實踐基礎，促進了科研與教學之間的轉化，實驗內容反映生態系統元素循環研究前沿科學問題，實驗系統具有先進性；③稻魚共生系統是目前國家發展綠色生態農業的重要模式，實驗的開設可為國家農業科學持續發展、鄉村振興和生態文明建設提供服務，具有重大的實踐意義。

4.2 教學方式虛實結合、科教結合

本項目采用虛擬實驗操作和實體實驗操作相結合的方式進行，虛擬實驗為實體實驗提供教學資源，實體實驗為虛擬實驗提供實踐平臺，教學方式方法靈活多樣、新穎有趣，從課堂到網絡，從實體操作到虛擬仿真，充分體現“以虛補實、以虛促實、虛實結合”的教學理念。項目教學方式多元化，采用以問題為導向的啟發式教學、人機互動的研討式教學，突出以學生為中心，增強了學生主動學習、獨立學習、研討式學習的能力，同時從教學理念上，鼓勵學生觀察思考，提出科學問題，從而提高學生解決問題的能力。本實驗以學校農業生態學團隊過去10多年的創新性科研成果為依托，將稻魚共生系統的科學研究推向教學一線，適用于高校多個專業，如農業資源與環境、生態學、生物科學、農學、動物科學等的教學和農業技術推廣部門的技術培訓，實現科教結合，達到科教相互促進的目的。

4.3 延伸與拓展了傳統教學

生態系統氮素運轉實驗以我校相關團隊多年來所深入研究的稻魚共生系統為研究案例，圍繞生態系統生態學研究的核心知識點和研究技能關鍵點，以生態系統氮素轉運為主線、穩定性同位素技術為量化技術，突破其他研究手段所存在的過程量化困難等制限，創新性強，填補國內同類實驗項目空白。同時，本實驗以虛實結合的形式進行，打破了生態學相關實驗在開設過程中的時間和空間限制，將傳統教學無法實現的實驗項目通過虛擬仿真形式呈現給學生。虛擬仿真軟件將傳統稻魚共生生態系統及穩定性同位素測定技術“搬到”學生眼前，學生可以不受空間（野外生態系統實驗場地）、實驗時間、實驗儀器等限制的，進行自主學習，解決了只能在小班進行實驗，很難面向大量學生的問題，延伸和拓展了傳統教學。

5 結 語

虛實結合生態學實驗教學體系的構建拓展了生態學實驗教學的深度，引領了生態學實驗教學形式與改革方向。該體系在我校生態學實驗課程中的運用效果良好，有效提升了學生的實驗效率和對知識點的把控。在教育部倡導“停課不停學”期間，學生進行線上的虛擬仿真實驗，有利于實驗課程安全有序地開展。目前，該虛擬仿真實驗項目已與多家高校及農業推廣部門簽訂了共享協議，覆蓋農業資源與環境、生態學、農學、種子科學，生物科學、生物技術等專業，實現了與院校及推廣部門的開放共享，為后期兄弟院校構建虛實結合的生態學實驗教學體系奠定了基礎。