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实验方法

文昌鱼是无脊椎动物向脊椎动物进化的重要过渡类群,十分珍稀。然而由于受到生态环境破坏等因素影响,野外文昌鱼种群已大幅度缩减。野外文昌鱼繁殖季节短暂,样品采集受到潮汐等自然因素影响,胚胎材料难以获取。文昌鱼的幼体期营浮游生活,野外极难采集,同时运动快也不易观察其变态发育特征。此外,文昌鱼器官及胚胎较小,观察时需借助显微镜等设备。这为文昌鱼理论或实验教学带来极大的难度。

为解决这些难题,厦门大学生命名科学学院在解决文昌鱼室内繁殖的研究基础之上,利用3D建模、虚拟仿真等技术,重建文昌鱼的结构、胚胎发育和形态特征等模型,开展文昌鱼成体解剖、野外采集、室内人工养殖及繁育等虚拟仿真实验,以虚实结合的方式进行教学,延伸了传统教学的时间和空间,使学生在短期内轻松愉快地掌握上述基本知识和技能。

本项目基于“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则”,在整个实施过程中主要采用让学生进行自主式学习和探究式学习的教学方法,注重培养学生的兴趣和解决问题的能力。


1. 自主式学习是学生能力提高、创新精神培养、学习兴趣激发的重要途经。虚拟教学的网络化特征能够使得学生脱离教室、教师,有利于自主式学习的开展。本实验利用全景和3D模型,真实再现了实验环境和对象,教学知识点通过图像、声音、文字等多媒体手段推送给学生,为学生自主式学习提供了基本条件。

例如,在传统实习中,有关文昌鱼内部器官结构观察部分的内容,一般都是教师按照既定顺序讲解各部分内容,学生被动接收,属于灌输式,教学效果不佳。采用自主式学习,学生可以根据自己的兴趣选择学习内容的先后顺序,对各部分内容进行逐一学习,把每部分的知识要点记录在给定的实验记录本上,有助于实验报告的撰写,使学生把精力集中在分析问题和解决问题上。特别是能通过结合虚拟解剖操作,使学生的兴趣大增,能很快熟悉和理解这些器官结构和功能,甚至无需教师在场指导,快速识别被拆分的各器官,并可依文昌鱼的生理功能按顺序组装成相应的系统。经过反复训练,学生可以在愉快的氛围中掌握文昌鱼独特的外形和内部器官的各种特征。这不仅可以更好地完成实习任务,还能激发学生的学习兴趣和探索文昌鱼在脊索动物进化史上独特地位。

2. 探究式学习有利于实习专题的开展,提高实习质量。在传统实习中设置的探索性小专题,一般重视基础知识教学,往往设计一些验证性的专题实验,不利于学生创新能力和创新思维的培养。本项目为学生提供了丰富、形象、生动的虚拟教学内容,为探究式学习提供条件。

例如,“文昌鱼成体养殖”实验模块中,在实验室内对文昌鱼生活场景进行虚拟,让学生在不同沙质(清洗频率)、饵料供给(投喂次数)、盐度、温度、密度等条件下养殖文昌鱼,并对每种养殖条件下文昌鱼的死亡率、生长状况(体长)、体征(肝盲囊颜色)、生殖腺发育比率等进行统计比较,从中归纳总结得出文昌鱼室内养殖的最佳条件。可控产卵排精是文昌鱼模式化的另一关键环节,因而项目将在室内养殖技术学习的基础上,让学生在“产卵诱导”实验模块中,对控制生殖腺达标文昌鱼产卵排精的关键参数(生殖腺周期、诱导前维持温度、诱导前维持时间、诱导温度等条件)进行探究,并让他们观察记录每次实验的诱导成功率和配子质量,比较归纳总结出诱导文昌鱼产卵排精的最佳条件。学生也可以结合文献资料,对所学知识进行拓展,设计基于文昌鱼的其它科研项目。由于事先有详细周密的安排,在理论教学或实地实习时,学生可以在较短时间内完成这个小专题,使学生的创新能力和科学探索精神得到培养。

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