大学生对光合作用虚拟仿真实验内容与学习效果的态度

庄枫红 胡学军 彭长连 李玲 黄胜琴

摘  要：为了解大学生对虚拟仿真实验课程的态度，对参与学习“光合作用光能的吸收、转化及不同类型植物的光合测定与应用的虚拟仿真”实验的112位大学生进行了问卷调查。结果表明，参与调查的大学生对该实验课程教学满意程度达到88.39%。大学生认为该虚拟仿真实验有助于理解光合作用的本质与意义。作业方面，学生认为网上自测有助于巩固知识，85.71%的学生认为在虚拟课程学习后需提交实验报告，这有利于梳理实验过程。这些结果为深入开展虚拟仿真实验在培养大学生自主学习的研究提供了依据。

关键词：虚拟仿真实验教学;光合作用;深度学习;态度调查

中图分类号：G640       文献标志码：A         文章编号：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

隨着信息时代的到来以及科学技术的快速发展，社会对人才的需求提出新的要求，尤其是对大学生的分析与解决实际问题能力的培养显得更加重要，使得高校常规的实验教学体系和实验平台需要更新。当前各种信息化系统也在计算机中得到应用，其中虚拟仿真技术的出现，为大学生的自主性学习提供了平台[1]。教育部在《关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知》（教高函〔2018〕8号）提出“金课”的理念，其中虚拟仿真“金课”有可能是一种新的教育生产力且能促进高校的教学尤其是实验教学，但需要进一步探索“智能+教育”。目前，虚拟仿真技术已经成为许多高新技术研究和课程教学的重要手段，并显示出了相较于传统实验教学方法的突出优势，破解了高等学校实验、实习、实训中的诸如环境、设备限制等一些老大难问题。发展虚拟仿真实验教学具有重要的实际意义[2-5]。

光合作用是指绿色植物吸收太阳光的能量，同化二氧化碳和水，制造有机物质并释放氧气的过程。光合作用是“地球上最重要的化学反应”[6]。光合作用是植物生理学课程教学中的重点和难点，在植物生理学课程中占据着重要地位，又是自然科学的一个重要研究领域。长期以来，学生对于光合作用的学习都只是通过教师在课堂上的理论讲解、PPT展示光合作用过程中的每个组件的作用以及视频观看光合作用的反应过程，通过机械记忆来记住C3、C4和CAM植物的生理特征异同点，光合作用在生态环境中的作用如维持大气中O2和CO2的相对平衡等也只能依靠理论学习，比较枯燥无味。

为了让学生更好地学习理解光合作用，我们教学团队在多年“植物生理学”的教学改革与实践[7-8]的基础上，2017年提出了“光合作用光能的吸收、转化及不同类型植物的光合测定与应用的虚拟仿真”实验，通过“光合作用光能吸收、转化”、“不同类型植物光合测定”、“不同类型植物在居家布置的应用”三大实验内容阐述光合作用原理与应用，开发了此虚拟仿真实验项目，2017年获批为教育部的首批国家级虚拟仿真教学项目。在该项目建设与实施过程中，我们组织了多名大学生自主学习虚拟仿真实验并独立完成网上自测和实验报告。本文通过调查大学生对光合作用虚拟仿真实验内容与学习效果的态度，以了解虚拟实验的使用情况和需改进的地方，为进一步完善与建设虚拟实验提供理论依据。

一、研究方法

（一）虚拟仿真实验的内容

“光合作用光能的吸收、转化及不同类型植物的光合测定与应用的虚拟仿真”实验课程主要由三个内容组成，分别是：光合作用光合吸收、转化、不同类型植物光合测定以及不同类型植物在居家布置的应用（表1）。

（二）问卷调查内容

利用问卷星网站制作《大学生对“光合作用光能的吸收、转化及不同类型植物的光合测定与应用的虚拟仿真”实验课程线上学习及测评满意度调查》问卷，题目设置为12项，包含5部分内容（表2）。

（三）调查对象

华南师范大学生命科学学院2016级生物科学专业和2017级生物技术专业学生（表3），他们分别在2018年下学期和2019年上学期学习了“植物生理学”课程，在学习理论课的过程中，学生课后自主学习虚拟仿真实验，并完成作业（网上自测和实验报告）。2019年6月，学生学习虚拟实验后，通过网络平台发放问卷，收回有效问卷112份，并对问卷进行统计分析。

二、调查结果与分析

（一）大学生对虚拟仿真实验课程效果的满意度

图1和图2可知，88.39%的学生对于《光合作用光能的吸收、转化及不同类型植物的光合测定与应用的虚拟仿真》实验课程的开设是满意的。而对于在理论课学习后，利用课后时间进一步学习光合作用的做法，大部分学生认为有效。因此，针对“光合作用的过程”开设的虚拟仿真实验课程有助于学生在学习光合作用的理论知识以后，通过组装电子传递链的三维结构模式图，虚拟测定水稻、玉米的光响应曲线，CO2响应曲线和阴生、阳生植物生长环境等进一步理解植物光合作用过程。

（二）大学生对光合作用知识与技能的评价

图3表明，超过54.46%的学生认为本虚拟实验课程对于自身理解光合电子传递链、C3、C4植物的光合生理特性和阴生、阳生植物生长环境的选择比较有帮助（非常+比较有帮助），只有少数同学（8%）认为没有任何帮助。而对三个部分的虚拟实验操作，学生有不同的见解。53.57%的学生认为实验一《光合作用光合吸收、转化》对于他们理解光合电子传递链上电子与质子的传递及ATP的生成比较有帮助（图4）。学生反映他们通过自主组装光合电子传递链上各个组分，将每个组分与课堂的理论知识一一对应，加深了自身记忆。56.25%的学生觉得实验二《不同类型植物光合测定》对于他们理解C3、C4植物的光合特性差异比较有帮助，而且通过线上学习操作LI-6400光合测定仪也为学生接下来对植物光合特性的研究打下良好的基础（图5）。对于实验三《不同类型植物在居家布置的应用》，55.36%的学生认为比较有助于他们理解阴生、阳生植物的生长环境（图6）。学生通过评价家庭绿化配置的科学性，认识植物在生态环境中的重要性，加深自身的生态理念，保护自然，与自然和諧共处。

（三）大学生对虚拟实验的网上自测和实验报告的评价

大学生在学习完虚拟实验后完成网上自测，由系统即时评阅。图7表明，91.07%的学生对于网上自测栏目表示满意，认为该测验有助于他们及时检测自身对知识的掌握程度，通过自测题来了解自身的知识薄弱点，只有8.93%的学生对该栏目表示不满意，认为其对知识的巩固没有帮助。本虚拟实验也设置了实验报告环节，78.57%的学生觉得提交实验报告是重要的，21.43%的学生则认为实验报告不重要（图8-A）。85.71%的学生觉得提交实验报告有助于他们理解整个实验过程，学生反映他们在完成整个实验操作以后，整理实验报告可以更好地梳理实验思路，还有利于和教师进行交流、反馈。14.29%的同学则持反对意见，主要是觉得撰写内容比较多（图8-B）。

三、结束语

虚拟仿真实验主要是利用人工智能的手段，依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库、传感技术和网络通信等技术，构建一个高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，以便于大学生在虚拟环境中开展实验，为教师及学生提供一个安全、低成本的新型实验方式，达到教学大纲所要求的教学效果和人才培养目标[9-10]。

本光合作用虚拟仿真实验可以通过电脑端进行学习，学生通过自主安排时间，利用自己的课余时间可多次操作实验、观看教学视频，能将抽象的光合过程具体化、形象化，为学生提供更加直观、形象的教学内容，打破了传统课堂教学的时间与空间的限制。将电脑变成学习的工具，充分调动学生的学习积极性，让他们在玩中学、学中做的互动学习模式中掌握光合作用的知识点，从而最大限度地激发学生的自主学习兴趣。

本虚拟仿真实验课程的开展，主要是通过操作来直观地认识植物体内的微观光合现象，对光合作用的电子传递过程进行详细阐述;通过虚拟地组装光合测定仪LI-6400，进一步认识和掌握该大型仪器的应用;通过评价家庭绿化配置的科学性，了解阴生与阳生植物适应不同光环境的特点与应用，加深理解植物美化环境、净化空气的重要性。学生总体上还是认可该实验课程的。学生对于网上自测也是持赞同意见，觉得对于他们知识的掌握还是有所帮助的。但是对于实验报告的提交，有相当一部分的同学认为没必要，但是只有提交实验报告，教师通过查阅实验报告，才能进行答疑、反馈和指导，才能与学生有所互动。

任重而道远。在新课改和“互联网+”时代背景下，我们要努力达到虚拟实验课程“金课”的要求，不断地完善该实验平台。作为辅助理解理论知识的平台，要提高网页的流畅性，优化系统，保证学生顺利完成实验。帮助学生了解虚拟实验的重点、难点，通过线上指导，实时答疑，增加师生间互动，确保实验的顺利进行。虚拟实验平台要满足大学生课后自主多次进行操作实验，实验内容突出科学与创新，促进学生对光合作用知识的深入理解，这有利于培养学生的创新思维，提高学生的实践能力和创新精神，才能培养更多高质量的人才。

参考文献：

[1]王卫斌.虚拟现实技术在高校体育与康复治疗教学中的应用研究[J].智库时代，2019（41）：67+75.

[2]王卫国，胡今鸿，刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索，2015，34（5）：214-219.

[3]赵铭超，孙澄宇.虚拟仿真实验教学的探索与实践[J].实验室研究与探索，2017，36（4）：90-93.

[4]安建强.基于虚拟仿真技术的创新训练研究与实践[J].实验技术与管理，2015，32（12）：179-182.

[5]杜月林，黄刚，王峰，等.建设虚拟仿真实验平台探索创新人才培养模式[J].实验技术与管理，2015，32（12）：26-29.

[6]王小菁.植物生理学（第8版）[M].北京：高等教育出版社，2019.

[7]胡博，梁秀仪，李玲，等.“植物生理学数字课程”主题发言设计与效果[J].高校生物学教学研究（电子版），2019，9（1）：7-12.

[8]王周玉，李玲，彭长连，等.“植物生理学数字课程”作业设计与完成效果分析[J].高校生物学教学研究（电子版），2018，8（1）：8-12.

[9]李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32（11）：5-8.

[10]刘光贤，陈宇虹，丁昉.新形势下中医学虚拟仿真实验教学体系的构建探索[J].教育教学论坛，2019（34）：275-276.