虚实结合教学体系构建

张 彪, 魏万红, 董召娣,丁海东, 杜 坤 , 黄金林, 潘志明

(1. 扬州大学 生物科学与技术学院, 江苏 扬州 225009；2. 扬州大学 实验室与设备管理处, 江苏 扬州 225009)

“植物分类学实验”教学,具有直观性、开放性、综合性、创造性等特征[1]。高等学校开设该课程的主要目的,是通过它教会学生用科学规范的实验方法,从形态结构组成上认识、鉴别出相关植物标本的名称,为古今中外对相关植物的研究成果的进一步开发利用,提供知识储备。

1 构建“植物分类学实验”虚实结合教学体系的缘由

传统“植物分类学实验”教学,其核心教学要素,如供试植物标本,由于受季节、地域、植物自身器官生长的渐次性和周期性等多因素的限制[2-3],在其选择上存在既丰富又缺乏的现象,即“单一器官”标本可随时采集、同一物种“全生育期”标本几乎无法同时采到,这既降低了一次物种检索鉴别实验的完整性,又增加了实验成本。在互联网+时代,应用Unity3D虚拟现实、显微-数码成像、电子地图等软件编程技术与制作工具对相关物种“全生育期”标本、某一地域“植物生长场景”和物种检索鉴别用“检索表”,进行“数字化”“碎片化”与“一体化”的重构[4-5],则可较好地解决上述问题。

为此,以培养学生自主完成植物多样性调查所需的“植物器官形态特征鉴别、标本采集与解剖技术操作流程、标本描述与检索鉴别流程等”的训练为出发点,结合国家级虚拟仿真实验教学示范中心建设,开展了基于网络、实验室、植物生长场所“三维”空间下的“植物分类学实验”虚实结合教学体系的研究与构建工作。其重点是通过对“植物分类学实验”所涉教学内容的重排和资源的数字化建设,创建出“以教学实验室为主体,以网络、植物生长场所为两翼”的“三位一体”实验教学平台、教学内容和教学模式,最终为建立“基于实验室课堂的系统学习与基于网络和植物生长场所的碎片式学习”的虚实结合实验教学方式提供载体[6-9]。

2 拓展教学空间,构建“三位一体”实验教学平台

传统“植物分类学实验”教学主要在教学实验室中进行,学生是在“固定”学习场所、“限定”学习时间及“确定”学习内容的前提下,在教师的主导下“分步”完成对相关课程内容的学习,既不利于利用“校园、田园、公园等”场所中的“原生态”花花草草来提升学生对“植物分类学实验”的学习兴趣,也不利于通过某一物种“全生育期”标本的采集来确保整个实验“完整”实施。在互联网+时代,依托虚拟网络和植物生长场所来拓展实验教学空间,构建基于网络、实验室、植物生长场所的“三位一体”实验教学平台,则可较好地解决上述问题。

2.1 以互联网为载体,构建《植物分类学实验》虚拟仿真教学平台

以往在实验开始前,要解决学生对实验过程中“所涉仪器设备和实验技能操作流程缺乏感性认识、一次获取单一物种的全生育期标本”等问题,似乎很难,但在互联网+时代,通过信息技术与实验教学的融合,构建可在PC、平板、智能手机等网络终端设备上顺畅运行的虚拟仿真实验教学平台,则可较好地解决该问题。为此,在国家级虚拟仿真实验教学示范中心建设过程中,以能力培养与形成为主线,以开放、平等、共享的互联网精神为内核,以学生自主性实验学习目标的实现为重点,展开了基于网络条件下的“植物分类学实验”虚拟仿真教学平台的构建工作,主要包含“平台”运行控制软件编程及可添加到“平台”中的虚拟标本、图文数据库等虚拟仿真资源素材的制作等,其基本架构见图1。

图1 “植物分类学实验”虚拟仿真教学平台基本架构

(1) 学生功能区。通过该功能区,学生将实现：利用3D场景式动画,对不同类型植物标本采集方法进行仿真学习；利用“植物器官”图文数据库,对描述植物形态特征的“名词术语”进行观摩学习；利用虚拟标本,完成对植物标本解剖流程、描述报告的撰写进行模拟学习；利用“检索表”文本数据库,对物种检索鉴别流程进行仿真学习；利用 “物种”图文数据库,完成对相关物种的形态特征、生态习性、利用价值等进行观摩学习；师生在线开展教与学的交流与讨论等。

(2) 教师功能区。通过该功能区,教师将实现：审阅学生提交的实验报告；添加各实验报告成绩；了解相关实验内容的教学效果；师生在线开展教与学的交流与讨论等。

(3) 管理功能区。通过该功能区,管理员将实现：系统的初始化(基础数据的录入和添加)；对学生功能区和教师功能区进行管理；系统维护(数据备份和恢复、系统运行异常情况的诊断和处理)等。

2.2 以植物生长场所为载体，构建“植物分类学实验”实训教学平台

随着农业生产和人居环境美化的持续发展,一定区域内的植物种群数量常常取决于人们的喜好和生产需求,这既方便了对某一物种“全生育期”标本的“定点”观察与采集,却也增加了开展在“不同生境”下植物多样性调查的难度。为此,在校园内设立“学习”区,其内标本一是用于相关实验技能(如器官观摩解剖、物种检索鉴别、标本采集制作等)课堂教学练习之用,二是用于植物多样性调查方式方法教学模拟训练之用；在校外田园、公园和自然保护区中设立“实习”区,其内标本一是用于开展“地理环境”对植物器官形态特征“饰变”研究之用,二是用于不同生境下植物多样性调查实训之用。通过校园、田园、公园、自然保护区“三园一区”校内外实训教学平台的建立和应用,既丰富了教学用供试标本,还拓展了实验教学空间,提升了学生的学习兴趣和“自主”开展植物多样性调查的能力。

3 调整教学内容,构建“开放式”实验教学“新”体系

3.1 重新编排“植物分类学实验”教学内容

围绕学生 “自主”完成植物多样性调查能力的养成,我们将“植物分类学实验”课程教学目标定位为对学生开展“四个能力”训练,并相应地将课程教学内容重新编排为4个模块。

(1) 植物标本采集与制作能力训练模块。定点选择3～5个物种(含乔木、灌木、草本等类型),开展“全生育期”各组成器官“电子与实体”标本的采集、整理与制作“规范化”操作流程训练,重点训练学生采集与制作标本的能力。

(2) 植物标本解剖与描述能力训练模块。选择采集到的不同物种“根、茎、叶、花、果实、种子”标本,开展对“单一器官”观摩与解剖 “规范化”操作流程的训练,重点是训练学生对标本解剖与用“术语”描述的能力。

(3) 植物标本检索与鉴别能力训练模块。选择某一物种的解剖描述报告(含“全生育期”标本),利用“纸质或电子”检索表,开展物种检索鉴别“规范化”操作流程能力训练,重点是训练学生标本鉴别能力。

(4) 植物多样性调查能力训练模块。选定 “三园一区”中的某一区域,利用“三位一体”教学平台中的条件,开展植物多样性调查“规范化”操作流程训练,重点是训练学生“自主”开展植物多样性调查的能力。

在教学实践中, 首先将上述4个模块中的教学内容设计成若干“必修、选修和自主”实验项目,并依据各项目在整个实验课程体系中的权重,给予“小学分”和课时；再依据教学日历,将总课时分为若干个教学单元,并依各实验项目能够实现的教学目标,将其配置到相应的教学单元之中,供学生进行“自主”训练和学习之用。

3.2 重构“植物分类学实验”课程考核体系

围绕“植物分类学实验”课程教学目标,从细节、过程、结果、应用等方面入手,构建了基于“三维”实验教学空间,覆盖实验教学全过程的考核内容与评价指标新体系(见表1)。这样,既能较好地解决“以往”考核成绩不能客观反映学生实际能力的问题,还能够将考核转变成继续学习的过程。

表1 “植物分类学实验”课程考核体系架构

3.2.1 实验平时成绩综合

该部分是以教学单元为单位,重点对实验所用设备和技能的操作流程、标本形态结构组成特征的描述与拍摄、花程式的书写、花图式的绘制、检索表的编写、解剖描述与检索鉴别报告的撰写等进行考核。

(1) 设备和技能考核。在实验室中,教师以观摩和穿插提问的形式,对学生操作课程实验所用仪器设备的规范化情况及对实验技能注意事项等方面进行考核。

(2) 单元实验报告。单元实验结束后,教师依据学生提交的实验报告,对其进行评分,同时规定,用学生自备实验材料完成的报告加分30%；课程结束时,将各单元实验报告成绩进行加权平均即为该部分成绩。

3.2.2 植物标本检索鉴别

重点考核学生“整合”应用相关知识、技能进行物种解剖描述与检索鉴别的能力。具体方法为：课程学习结束时,学生依据教师提供的植物标本,在实验室中完成对相关标本的解剖描述和物种鉴别；考试结束时,学生提交一份含各标本“解剖描述报告和检索鉴别报告”的试卷,供教师评阅打分。

3.2.3 植物物种识别

重点考核学生通过对植物标本形态特征的观摩,确定其所属科、属、种名称(学名)的能力。

(1) 实验室识别。在实验室内,学生在规定的时间内,现场说出或书写出由教师准备的20～30种植物标本所属科、属、种的名称,教师根据标本名称的准确性,给出相应的成绩。

(2) 植物生长场所识别。选定 “三园一区”中的某一区域,要求学生在规定的时间采集出10～15种植物标本(20%),并说出各标本所属科、属、种的名称(50%)；同时,由教师任意选择其中的1、2种标本,让学生讲述其形态结构组成特征(30%)。教师依据学生采集到的标本数量和对标本描述的准确性,评定出该部分的成绩。

3.2.4 植物标本采集制作

重点考核学生独立采集、制作一份完整植物标本的能力。

(1) 实体标本制作。要求学生独立完成植物标本的采集、压制、制作和鉴定,在课程结束时,提交一份腊叶标本和一份浸渍标本(原色)。教师根据标本质量给出相应的成绩。

(2) 电子标本制作。要求学生通过“定点”观察某一物种,在课程结束时,提交一份电子标本(文档),其内容含“根、茎、叶、花、果实、种子”电子图片和 “术语”描述文档。教师根据图片质量和所用“术语”的准确性,给出相应的成绩。

3.2.5 植物多样性调查

重点考核学生在某一区域独立开展植物多样性调查的能力。其具体方法为：由教师选定 “三园一区”中的某一区域,学生以个体或小组为单元,“自主”完成并提交一份含“调查方案、实验数据的采集与处理、结果的分析与讨论、参考资料的查阅与引用等”的植物多样性调查分析报告。教师依据报告质量给出相应的成绩。

4 变革教学方法,构建“虚实结合”实验教学方式

随着网络终端设备,尤其是移动智能设备的发展与完善,应用网络终端设备,尤其是智能手机进行“碎片化”学习与交流,不仅已成为在互联网陪伴下长大的新生代学生群体获取知识、传递信息、形成能力的重要途径,还为借助网络、实验室、植物生长场所等空间实施“虚实结合”的实验教学方式提供了载体。

4.1 在虚拟仿真实验教学平台中学习

学生可利用“平台”中的虚拟仿真资源,如虚拟标本、3D场景式动画、图文数据库等,全天候地在线开展标本采集与解剖“规范化”操作流程的观摩与模拟学习、植物器官形态结构组成特征观摩和仿真学习、标本描述与检索鉴别报告的撰写与比对学习、实时考核与交流等,既拓展了实验教学时空,又解决了单一物种“全生育期”标本不易获取而至检索鉴别不能 “完整”实施的问题。

4.2 在教学实验室中学习

学生在教学实验室利用实验室条件,一是对教师提供或自带供试植物标本,自主或在教师的指导下完成对“标本”的观摩、解剖与检索鉴别,并撰写出“对应”的解剖描述报告和检索鉴别报告；二是对“三园一区”中的标本,通过“现场”观摩与解剖所获取的数据,进行进一步修正,既丰富了实验教学内容,又为学生“自主性”实验学习方式的建立创造了条件。

4.3 在植物生长场所中学习

学生进入“三园一区”等植物生长场所,在采集某一物种标本后,可用手机登录“平台”,先将“实体标本”观摩与解剖数据存储到“平台”中，再将“实体”数据与“平台”中的虚拟仿真资源进行比对,通过线上线下“虚实结合”的实验方式,在线完成对所采标本的鉴别、解剖描述及检索鉴别报告的撰写与提交。既可克服以往在野外进行物种鉴别实验时相关“工具书”携带不便的问题,还可通过“游玩”与学习两不误来提升学生对植物物种鉴别实验学习的兴趣。

5 结语

通过互联网+“植物分类学实验”,构建基于网络、实验室、植物生长空间的“三位一体”实验教学平台,及其与之配套的课程教学体系和“虚实结合”的实验教学方式,不仅使MOOC、翻转课堂、虚拟仿真实验等教学“新型态”在“植物分类学实验”教学中得到应用,还使信息技术在实验教学中的作用得以彰显[9-11],既顺应了在互联网+背景下人们获取知识途径的变化,又提升了学生对“植物分类学实验”的学习兴趣。从基于“三维”空间下实施“植物分类学实验”教学效果来看(两轮),多数学生在该课程学习结束后,都能够从形态上识别出100种以上植物标本。