秦麗瑋，戴國政，張中春，雷 明，鄧靈福，萬 建，阮 君，龔思穎，李 兵

（生物學國家級虛擬仿真實驗教學中心，省級生物學實驗教學示范中心，華中師范大學 生命科學學院，湖北 武漢 430079）

1 背景

植物生理學是研究植物生命活動規(guī)律及與外界環(huán)境之間的關系，揭示生命現(xiàn)象本質的一門學科[1]。光合作用是植物生理學課程的重點內容，也是植物生理學的教學難點。1956 年，Wessels 和VanderVeen 首次發(fā)現(xiàn)光合作用抑制劑DCMU 能抑制離體葉綠體中的電子傳遞。隨后，光合作用抑制劑在對光合作用的生理過程、生物物理和生物化學的研究上起了重要的作用[2]。華中師范大學生命科學學院在生物科學專業(yè)開設了“DCMU 抑制光合作用電子傳遞”的實驗項目。由于電子傳遞過程微觀不可見；葉綠素熒光檢測1 s即可完成，過程短暫不易理解；再加上實驗后產生大量數(shù)據難以分析，學生在傳統(tǒng)的實驗教學課堂很難理解和掌握相關實驗技術原理。

隨著計算機科學的發(fā)展，虛擬仿真技術已在交通、環(huán)境、建筑、醫(yī)學等多個學科的實踐教學中得到了廣泛應用[3-5]。虛擬仿真實驗建立了以學生為主體的自主實驗模式，打破了傳統(tǒng)實驗在時間、空間、實施條件上的限制，有效促進了傳統(tǒng)實驗教學。華中師范大學自2016 年獲批生物學國家虛擬仿真實驗教學中心以來，開展了一系列生物學虛擬仿真實驗項目建設與應用探索。本文將介紹華中師范大學植物生理學教學團隊在“DCMU 抑制光合作用電子傳遞”（以下簡稱“光合作用電子傳遞”）實驗項目中的虛擬仿真實驗開發(fā)思路、“虛實結合”教學方法、實施方案和實踐效果調研。

2 光合作用電子傳遞虛擬仿真實驗的開發(fā)

光合作用電子傳遞實驗項目來源于華師大生命科學學院植物生理學科研成果，其實驗目的是幫助學生掌握葉綠素熒光儀測定光合電子傳遞速率的方法，理解葉綠素熒光與光合電子傳遞鏈的關系。根據實驗教學大綱內容，我們將虛擬仿真實驗設計為實驗材料與器材、光系統(tǒng)Ⅱ結構模擬、電子傳遞過程仿真、實驗步驟設計和實驗結果分析五個模塊。

2.1 虛擬仿真實驗材料與器材

光合作用電子傳遞虛擬仿真實驗中的材料與器材模型均源于真實實驗場景。本實驗所用生物材料為集胞藻，實驗藥品為除草劑DCMU，實驗器材包括PEA（plant efficiency analyzer）植物效率分析儀、樣品杯、移液器、一次性槍頭以及廢液燒杯（圖1）。學生通過控制鼠標可選擇并移動實驗用品，當鼠標選中對象時，屏幕左下角隨即彈出實驗用品的文字說明。

圖1 光合作用電子傳遞實驗器材

2.2 光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）三維仿真結構

PSⅡ是主要分布在類囊體膜垛疊部分的多亞基 蛋白復合體，它是光合作用電子傳遞過程中的核心部件[6]。其功能是利用光能將水裂解，并將其釋放的電子沿著各電子傳遞體傳遞，同時通過對水的氧化和PQ的還原在類囊體膜兩側建立H+質子梯度。植物生理學教材對于PSⅡ的結構描述僅限于文字和二維簡圖，不利于學生的理解。我們利用3D Studio Max（簡稱3DS MAX）對PSⅡ進行三維重建，幫助學生直觀地認識其結構。我們運用多邊形建模算法完成PSⅡ的三維結構的還原，將PSⅡ的各個核心元件由不同顏色渲染區(qū)分開來。學生通過鼠標來完成交互動作，例如鼠標點擊模型中的功能元件，該元件會通過閃爍及放大特效突顯出來，方便學生辨認，同時屏幕左上方會彈出相關文字說明（圖2）。PSⅡ三維仿真結構的建立使得微觀抽象的結構更形象生動，能夠加強學生對PSⅡ結構的認識，進而促進學生對光合作用電子傳遞過程的理解。

2.3 電子傳遞仿真動畫

線性電子傳遞是光合電子傳遞的一條重要途徑，主要發(fā)生在PSII—Cyt b6f—PSI—NADP+之間[7]。整個電子傳遞路徑涉及多種復合物，過程復雜且發(fā)生時間快，知識點抽象，學生難以掌握。因此，可以借助虛擬仿真動畫將抽象知識具體化，復雜環(huán)節(jié)程序化。參照2.2 中的方法，在創(chuàng)建線性電子傳遞系統(tǒng)各元件的三維模型后，利用3DS MAX 軟件工具欄中的移動、旋轉、縮放等工具，并結合軟件中的軌跡視圖-曲線編輯器，設計各元件運動軌跡，并設置關鍵點實時記錄動畫過程，最終生成電子傳遞三維動畫的視頻文件（圖3）。

2.4 虛擬仿真實驗步驟設計

虛擬仿真實驗操作包括植物暗適應、植物效率分析儀（PEA）測量熒光信號以及繪制葉綠素熒光誘導動力學曲線三個部分，每個步驟均有操作提示和任務，學生通過鼠標來完成互動性操作（圖4）。具體實驗步驟如下：

圖2 PSⅡ三維結構模型

圖3 電子傳遞動畫截圖

（1）使用量程為1 mL 的移液器，取5 份1 mL 的藻樣到PEA 樣品杯中，暗適應7 min。完成后在暗處 分別用量程為10 μL 的移液器，加入10 μL（濃度為1 μmol/L，10 μmol/L，100 μmol/L 和1000 μmol/L）的DCMU，以及空白對照（乙醇），繼續(xù)暗適應3 min。

（2）設置PEA 參數(shù)：光強，3000 μmol photons·m-2·s-1；測定時間，2 s。

（3）用PEA 測定不同濃度DCMU 處理藻樣的快速熒光誘導動力學曲線，記好自己的樣品號。

（4）將PEA 與電腦連接，導出測定結果。

（5）以時間對數(shù)為橫軸，熒光值為縱軸，繪制葉綠素熒光誘導動力學曲線。

圖4 實驗步驟界面

2.5 虛擬仿真實驗結果及分析

在完成虛擬仿真實驗操作后，學生通過點擊代表不同濃度DCMU 處理的按鈕，即可得到相對應的葉綠素熒光誘導動力學曲線，橫軸是時間的對數(shù)，縱軸為熒光強度（圖5）。由于電子在不同傳遞體間傳遞速率的差異，對照組曲線上升過程中呈現(xiàn)出J、I、P 三個拐點，分別對應了光合電子傳遞體的氧化還原狀態(tài)QA-、QA-QB-和QA-QB2-[8]。實驗組經過10 μmol/L的電子傳遞阻斷劑DCMU 處理后，DCMU 會與D1 蛋白的QB 位點結合，使得QB 不能與D1 蛋白結合，從而阻斷電子從QA 向QB 的傳遞，導致照光后QA-的積累。電子傳遞被完全抑制后，樣品在照光后熒光值很快上升到最大值（圖5）。葉綠素熒光快速誘導動力學分析能很好地分析光合電子傳遞屬性，將無形的光合電子傳遞過程用葉綠素熒光信號體現(xiàn)出來，實現(xiàn)了電子傳遞的“可視化”。

圖5 DCMU 處理后的葉綠素快速熒光誘導動力學曲線

3 基于虛擬仿真的光合作用電子傳遞實驗課程實踐

依托生物學國家級虛擬仿真實驗教學中心，植物生理實驗教學團隊近三年來一直探索將虛擬仿真實驗應用到實驗教學當中的方法，開發(fā)了一套虛實結合的教學模式（圖6），運用啟發(fā)式、問題式和研究式的教學方法，建立了課前自主學習、課堂內化學習、課后復習反思、多元考核評價的教學模塊，將虛擬仿真線上學習同實體實驗線下操作有機結合、優(yōu)勢互補，實踐了光合作用電子傳遞實驗課程的信息化改革。

圖6 虛實結合教學模式

3.1 教學方法

（1）啟發(fā)式教學法。啟發(fā)式教學方法是一種以教師為主導、學生為主體的民主、科學的教學方式[9]。通過設計與教學內容相關的思考題，啟發(fā)學生獨立思考，主動查閱資料，充分了解科學問題的背景知識，為隨后有的放矢地實驗操作打基礎。啟發(fā)式教學思考題示例：①葉綠素對光波最強烈的吸收區(qū)是哪兩個？②為什么葉綠素的溶液是綠色的？③葉綠素熒光波長比激發(fā)光波長更長嗎，為什么？通過啟發(fā)性的問題，激發(fā)學生的學習興趣和想象力，加深對實驗原理的理解。

（2）討論式教學法。討論式教學是指教師在分析教學目標的基礎上,精心設計某一問題,并指導學生在討論中各自發(fā)表意見,在尋求答案的過程中鍛煉了學生的能力[10]。針對本實驗項目可以討論如下問題：①實驗測量之前藻細胞為什么要進行暗適應；②實驗過程中為什么要向對照樣品中加入10 μL 乙醇；③為什么經DCMU 處理后的藻細胞葉綠素熒光上升速率會加快。通過討論式教學，不僅可以強化實驗教學內容的掌握，產生有益的思路，還有助于學生的表達能力、批判能力和自我認知能力的培養(yǎng)。

（3）研究式教學法。研究式教學是在科學問題引導、實驗操作體驗、問題討論等基礎上進行，讓學生針對實驗內容進行系統(tǒng)的總結和拓展，在理論和實踐高度對相關問題進行深入研究，形成一定水平的理論總結和繼續(xù)深入研究的科學問題。在實驗教學過程中，可以提出如下研究性問題：①綜述葉綠素熒光分析技術在植物光合機理研究中的應用進展；②葉綠素熒光動力學在研究植物逆境生理中的應用進展（任選一個逆境條件，如：光抑制、低溫、熱、水分和鹽堿、營養(yǎng)、病原菌侵染等）；③不同植物品種葉綠素熒光特性的研究。研究式教學能夠鍛煉學生的文獻歸納、實驗總結、知識拓展能力，進而提升學生解決科學問題的能力。

3.2 虛實結合課堂實施

（1）課前自主學習。依據任務驅動、問題導向原則，教師設計合理的自主學習指南，要求學生利用業(yè)余時間上網查閱資料，閱讀相關文獻，完成指南上的預習思考題（參見3.1 啟發(fā)式教學思考題舉例）；并在規(guī)定時間內完成光合作用電子傳遞虛擬仿真實驗操作，熟悉光合作用過程中電子傳遞的途徑、光合作用電子傳遞抑制劑的作用原理，了解葉綠素熒光技術在光合作用研究中的應用。教師通過虛擬仿真平臺的后臺統(tǒng)計功能，監(jiān)控每位學生的在線學習情況，如學習時長、登錄時間、學習進度等，便于教師依據學生的學習情況及時調整課堂教學策略。

（2）課堂內化學習。課堂教學活動包括預習檢查、實驗講解、組內討論及評議、自主實驗和知識延伸五個環(huán)節(jié)。預習檢查環(huán)節(jié)，教師對預習內容進行提問，檢測學生的預習情況，了解學生的知識儲備水平。實驗講解環(huán)節(jié)，教師詳細講解實驗目的、實驗原理、實驗器材、實驗步驟以及注意事項。組內討論及評議環(huán)節(jié)，教師提出實驗相關的問題（參見3.1 討論式教學思考題例子），引導學生發(fā)表各自觀點，組內積極討論尋求問題答案，教師適時做出點評。自主實驗環(huán)節(jié)，以小組為單位，分工合作，協(xié)同完成實驗內容。知識延伸環(huán)節(jié)，教師布置研究題目（參見3.1 研究式教學），作為加分自選項目，學生在課后完成。教師作為引導者，運用討論式和研究式教學方法，幫助學生掌握知識概念、建立新舊知識聯(lián)系、擴展知識體系，從而達到融會貫通的內化目的。

（3）課后復習反思。要求學生課后再次在線完成虛擬仿真實驗，對比真實實驗，鞏固知識點，反思真實實驗中遇到的問題；小組長負責監(jiān)督虛擬仿真實驗進行情況，匯總疑難問題；教師通過QQ 或郵件形式及時答疑解惑。最后，學生結合實體實驗和虛擬仿真實驗內容，以科學論文的方式撰寫實驗報告（包括摘要、背景、實驗方法、結果、結果分析、總結、參考文獻等部分）。在此過程中，學生不僅加強了實驗技能、實驗環(huán)節(jié)的強化復習，同時也通過總結反思開拓了新思路。

（4）多元考核評價。實驗考核辦法以過程性考核為主，涉及三個方面：①線下學習評價（10%），虛擬仿真實驗完成度；②課堂評價（50%），實驗課考勤、課堂討論活動參與度、實驗操作規(guī)范性；③終結性評價（40%）：根據實驗報告結果以及分析、撰寫水平（英文撰寫、有參考文獻加分）綜合評分。

4 基于虛擬仿真的光合作用電子傳遞實驗課程建設成效

為調研學生對虛實結合教學模式的真實感受，我們以調查問卷的形式針對已經完成了“DCMU 對光合電子傳遞的抑制作用”實驗課程學習的生科院2016級（大三）本科生展開調查。調查問卷內容由課程老師編寫完成，線上發(fā)布，學生在規(guī)定時間段內完成并提交問卷。我們主要從虛擬仿真資源評價、虛擬仿真教學效果評價、虛擬仿真優(yōu)勢等三個方面調研。本次調查共收回有效問卷127 份。問卷調查部分統(tǒng)計如下。

（1）對虛擬仿真資源評價的調研結果中，94.49%的學生認為本虛擬實驗項目能直接形象地說明實驗原理；96.07%的學生認為本虛擬實驗項目實驗原理、步驟、結果科學合理；77.17%的學生對本虛擬實驗項目建設感到滿意，16.54%的學生認為部分滿意。

（2）在虛擬仿真教學效果評價的調研結果中，89.76%、77.95%、87.4%和88.98% 的學生認為本虛擬實驗項目建設主要對掌握實驗內容、鞏固學科知識、實驗原理理解和自主學習很有幫助；85.04%的學生認為虛擬實驗項目建設對實體實驗教學有較好的幫助。

（3）在虛擬仿真優(yōu)勢調研結果中，88.98%、88.98%、65.35%以及63.78%的學生認為本虛擬實驗的主要優(yōu)點在于不受時空限制、節(jié)約實驗成本、提升實驗效率、以及豐富教學形式四個方面。

此外，學生對于虛擬仿真建設提出了自己的建議，主要包括：①增加虛擬仿真軟件的兼容性，使其能在多個瀏覽器運行；②進一步豐富對實驗知識點的文字闡釋，幫助學生更深入地理解實驗原理；③增加更多的自主操作步驟，提升學生的沉浸感和實驗主動性?？傮w而言，學生對虛擬仿真實驗的反饋良好。

三年來，植物生理教學團隊將虛擬仿真實驗應用到光合作用電子傳遞實驗教學過程中，進行虛實結合的教學改革實踐，經過教師和學生的共同努力，教學團隊獲批華中師范大學教學改革項目1 項，湖北省教學研究項目1 項。教學團隊指導的學生獲批國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目1 項，校級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目2項，湖北省第六屆大學生生物實驗技能競賽單項賽一等獎1 項?；谔摂M仿真的光合作用電子傳遞實驗課程建設在教學改革和人才培養(yǎng)方面取得了可喜成果。

5 結語

華中師范大學植物生理教學團隊結合植物生理學實驗教學大綱要求，利用3DS MAX 平臺，開發(fā)了一套光合作用電子傳遞虛擬實驗系統(tǒng)，解決了實體實驗中微觀體系難以觀察、瞬時效應難以理解、復雜數(shù)據難以分析的問題。在教學改革實踐過程中，教學團隊提出了基于啟發(fā)式教學、討論式教學和研究式教學方法的虛實結合教學應用方案。實踐后調研發(fā)現(xiàn)，將虛擬仿真實驗同實體實驗有機結合，能夠豐富實踐教學內容，激發(fā)學生的學習主動性，提升實驗教學效果，對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)起到促進作用。作為一種全新的教學方式的探索，現(xiàn)有虛擬仿真實驗建設與應用中的問題有待進一步研究與解決。