昆蟲學實驗教學方法的探討

胡 霞，李國強，張飛萍

(1.福建農林大學 林學院，福州 350002；2.生態公益林重大有害生物防控福建省高校重點實驗室，福州 350002)

一、引言

當前昆蟲學實驗教學依然是以傳統教學方式為主，授課內容主要以活體觀察以及昆蟲標本觀察為主。隨著電子信息等高新技術的高速發展，對于昆蟲學實驗的教學模式也應有所改進。在昆蟲形態的電子信息識別技術高速發展中，昆蟲學專業學生對于昆蟲學知識將不再僅局限于對活體昆蟲形態的了解，以電子信息技術結合昆蟲學的行業及工作將越來越多。三維技術及3D打印技術的快速發展對昆蟲學也有著巨大影響，已有公司利用這兩項技術結合昆蟲學相關知識開展相應的商業活動，但在昆蟲學的教學中還未體現。隨著招生規模的不斷擴大，昆蟲標本使用日益頻繁，損耗巨大，利用新型技術制作昆蟲標本可有效解決當前標本損耗缺失的問題。同時，傳統昆蟲學實驗教學方式存在著大量的弊端，已逐漸與當下的社會及生態現狀相脫節。因此，對昆蟲學實驗教學方法及實驗材料進行改進迫在眉睫。

二、昆蟲學實驗教學存在的問題

(一)實驗教學標本材料的缺失與老化

實驗教學標本是昆蟲學實驗教學的物質基礎，在昆蟲學實驗教學中起著至關重要的作用，標本的質量及種類直接影響著實驗教學質量的優劣，優質的標本更有利于學生對昆蟲形態的理解學習。但隨著高校的擴招，需要開設昆蟲實驗課程的學生人數正逐年增加，標本使用越來越頻繁，導致實驗標本面臨著諸多問題。目前昆蟲學教學使用的標本主要面臨三大問題：標本資源入不敷出、標本長期使用導致的損壞和老化嚴重、完好的標本越來越少；標本內容更新乏力，隨著新興課程出現、氣候環境變化、生物入侵等問題的發生，森林入侵生物昆蟲標本、檢疫性害蟲標本、資源昆蟲標本等都存在很大缺口，急需補充；標本采集不易，許多昆蟲的數量稀少，無法將其作成標本讓學生觀察[1]。因此，急需對昆蟲學實驗教學材料的種類進行豐富和改進。

(二)實驗教學模式及內容傳統單一

在昆蟲學教學中，無論是實驗課還是理論課依然都是以教師灌入式的教學為主，例如教師使用多媒體教學工具在課堂上演示，向學生輸送理論及實驗知識。這種教學模式下教師是整個課堂的主體，學生是知識傳輸的受體，師生之間缺乏互動，學生積極性差、注意力不集中，對知識的消化能力也弱。由于理論課的知識點多而難，實驗課也沒能得到更好的理解，學生理解、消化較為困難，在實驗操作的過程中就會遇到各種各樣的問題，而且不同的學生知識儲備量不同，基礎知識參差不齊，單靠填鴨式的教學難以讓學生更好地將理論知識與實驗相結合。當前昆蟲學實驗教學的方法依然是以傳統教學方法為主，主要從以下幾方面進行：通過使用體視鏡對活體昆蟲、昆蟲插針標本及玻片標本進行觀察，了解昆蟲的外部特征及構造；在體視鏡下解剖昆蟲，了解昆蟲的內部構造；學習并進行插針及玻片標本的制作。雖然這些傳統教學內容可以幫助學生解讀理論知識，但單靠這些傳統方法的教學已經不足以滿足國家和社會對于創新型人才培養的要求，隨著電子信息等高新技術的快速發展，昆蟲學與各種高新技術的聯系愈加緊密，昆蟲學實驗教學與電子信息等高新技術的結合也越來越迫切。

(三)考核方式單一

對于一門課程來說，考核是十分重要的一個環節，考核的目的是為了檢驗學生對昆蟲學理論及實驗知識的掌握程度，同時通過考核使學生加強對理論知識的理解。在傳統昆蟲學實驗教學中，考核內容較為單一，主要以實驗報告及昆蟲標本制作成品展示的形式進行。這兩種考核方式都有其弊端，其中實驗報告形式的考核弊端最大，大量的實驗報告冊都有抄襲現象，這就使得本該加強學生對理論知識理解的考核變成了助長不良風氣的幫兇；昆蟲標本制作成品展示也有著不小弊端，教師只能看到成品的昆蟲標本，對學生標本制作的掌握情況無法深入了解，甚至存在著部分學生網購成品標本用于應對考核的現象。因此，基于對高質量昆蟲學人才培養的要求，昆蟲學實驗考核的改革迫在眉睫。

三、教學改革探索

(一)昆蟲學實驗內容及材料改革探索

1.昆蟲學實驗教學與三維技術的結合

計算機技術的一大特色就是可以通過計算機技術產生人為的虛擬環境，使用計算機圖形構成三維空間或者將其他真實環境編制到計算機中產生接近真實的“虛擬環境”，讓觀察者在視覺上有一種沉浸其中的感覺[2]。利用計算機圖像處理與虛擬現實結合的技術，可建立一種自動化制作昆蟲三維模型的方法[3]，從而得到昆蟲的三維模型并將其運用到昆蟲學實驗教學中。三維技術在許多學科都已經有了較好的應用，如病理學[4]、地質學[5]等。昆蟲的研究在三維成像技術方面已有部分的應用[6]，但在昆蟲學實驗教學方面鮮有報道。

利用三維技術制作出的昆蟲電子標本能夠保留昆蟲的真實外貌，立體感強，可以從多角度來觀察昆蟲的細微特征。與普通昆蟲標本相比，其具有不會變色褪色、不易損壞、不會老化、完成一次制作就可永久使用、可供多人同時觀察、可在網上快速檢索等特點。

將內容豐富的昆蟲電子標本運用到昆蟲實驗教學中，可以滿足教學中的多種需求，既能解決昆蟲教學標本老化、標本種類不足等問題，又能增加昆蟲學實驗的新穎性，提高學生學習興趣，加快學生對知識的理解與記憶。學生使用昆蟲電子標本可以觀察到更多傳統實驗課上無法觀察到的珍稀昆蟲形態，豐富學生對于昆蟲知識的儲備量，了解到更多昆蟲的具體形態特征；同時結合對活體昆蟲及一些模型昆蟲的觀察，使學生進一步加深對昆蟲學理論知識的理解。學生在對昆蟲電子標本觀察的過程中將會意識到，對于昆蟲學實驗的學習不是單純地依靠傳統教學，而是隨著技術的進步而動態發展。

2.昆蟲學實驗教學與3D打印技術的結合

3D打印是以三維數據模型為基礎，通過材料(金屬、高分子、無機材料等)層層疊加方式形成實體結構的制造方法，也被稱為增材制造、快速成型、迭層制造等，是一種直接數字化設計與實體加工制造相結合的技術，其已在教育、航空航天、生物醫療、創意產品等領域得到大量運用[7]。3D打印技術主要有七類，即熔融沉積成形(FDM)、光固化立體成形(SLA)、分層實體制造(LOM)、電子束選區熔化(EBM)、激光選區熔化(SLM)、金屬激光熔融沉積(LDMD)、電子束熔絲沉積成形(EBF)[8]，其中光固化立體成形技術被運用得最多。

目前國內外均有通過應用3D打印技術來實現昆蟲標本模型構建的實例[9]，如金光耀等通過3D打印技術研究了五種檢疫性昆蟲標本的3D模型打印方法，對昆蟲的3D打印作出了初步探索，通過比較模型與昆蟲實物整體以及細微結構特征的擬合度,篩選優化出了昆蟲3D打印最佳方案和最優著色方法[10]。因此，對于將3D打印技術應用于昆蟲學實驗教學具有極大的可行性。

3D打印技術作為一種新型技術,對于學生來說既陌生又熟悉，經常在網絡和新聞上聽到但卻從未真正觸及過，當將3D打印技術應用到昆蟲學實驗教學時，必定引起學生廣泛的興趣和好奇心，激發他們主動參與學習活動。與3D打印技術相結合的昆蟲實驗活動有助于體現學生作為學習活動主體主動參與學習的重要性和價值，進而促進學生主動參與對昆蟲構造的了解與學習。

基于3D打印技術的昆蟲實驗任務,需要學生更加深入地了解昆蟲的詳細構造，主動分析打印任務、參與計劃與決策、參與昆蟲原型的選擇與設計，這種主體意識和被需要的感覺讓學生意識到自己在昆蟲學實驗過程中的價值和重要性，促使學生更加主動地參與到昆蟲學的學習中[11]。在進行3D打印前需要學生對昆蟲學的理論知識以及昆蟲形態有足夠的了解，學生基于對3D打印技術的興趣，進而對昆蟲學理論知識的掌握也更加深入，可以使學生更好地將昆蟲學的理論知識與實驗課程的學習有機結合在一起。

3.改進昆蟲學實驗教學的標本材料

在傳統的昆蟲學實驗教學中，昆蟲標本以插針標本、浸液標本以及昆蟲觸角及足的玻片標本為主，這些標本普遍存在著老化損耗嚴重等問題。為解決這些問題，可引進一些耐損耗的標本類型，如通過三維技術、3D打印技術得到的電子昆蟲標本、昆蟲模型標本等耐損耗的昆蟲標本，這樣既能豐富昆蟲學實驗教學的內容，又能解決教學標本不足的問題；也可引進一些易制作的標本類型，如昆蟲器官橫切標本，因為昆蟲器官橫切標本制作方便，少量昆蟲便可制作出較多的器官橫切標本，對昆蟲樣本需求量小，同時昆蟲橫切面的觀察對于昆蟲學的學習也是十分重要的，有助于學生掌握昆蟲相關器官的詳細構造，了解昆蟲器官的位置及器官間的相互關系。

昆蟲器官橫切標本的制作也相對比較簡單，如曾憲順的徒手石蠟切片法[12]。簡易步驟如下：將昆蟲器官放入5%氫氧化鈉液，用酒精燈加熱煮沸幾分鐘，使標本體內的脂肪消解，取出用清水清洗，然后依次在50%、75%、85%、95%的酒精中脫水5—10min，最后無水乙醇脫水5min，晾干；晾干后使用石蠟包埋，使標本浸沒在蠟液中間，凝固后取出切片，由外向內來回切削；將切好的標本放到載玻片上，除去四周多余的蠟片，加入二甲苯使其透明，透明后滴加些許蛋清，使玻片上的標本快速固定，隨后滴上封片膠，蓋上蓋玻片，封片膠凝固后昆蟲器官橫切標本便完成。

學生在學習昆蟲器官橫切標本的制作過程中，不但有助于其掌握昆蟲器官的詳細構造，而且還能讓其熟練掌握徒手石蠟切片法這一技能，在其他學科以及未來的工作中都將起到重要的作用。

(二)昆蟲學實驗教學模式的改進

傳統的昆蟲學實驗教學都是在實驗室中進行的，由教師講述實驗內容及如何操作。雖然都是小班教學，但教師在授課時仍然很難將學生的積極性調動起來，這是因為上課的主體不是學生，而只是被動接受的受體。因此，在教學中讓學生成為主體，以此調動學生的積極性是大有必要的。

在教學過程中讓學生成為主體，將學生每4人分為一組，每組負責一次實驗內容的講解。在實驗課上課前一周，由教師將本次實驗的內容及方法發給對應的小組，小組將實驗內容整理好做成PPT后發給教師，教師給出修改意見后由小組在下次課上進行講述，小組將實驗內容講完后由教師進行補充。這種模式下每名學生都能參與到實驗內容的講解中，成為課堂的主體，教師成為課堂的輔助，為學生把握大方向并修正學生的小錯誤。在實際教學中作者已進行實踐性的嘗試，選取三組自愿講解的學生，由這三組學生進行三次實驗內容的講解，學生根據實驗內容制作講解PPT，講解結束后教師進行補充。從這三組的講解來看，學生們只對部分實驗操作的細節講述不夠完善，但經過教師補充后都能較好掌握。從教師在課下的詢問以及理論課和實驗課的考核結果來看，這三組學生無論是對理論知識還是實驗操作都有著較好的掌握。從已實踐的教學效果來看，值得對這種以學生為主體的教學模式進行教學改革嘗試。

在這種昆蟲學實驗教學模式下學生的注意力將更加專注，認真聽每次課上小組的講解，為自己下次的講解做準備，這樣學生能更積極地掌握每次實驗的方法，更好地參與到實驗的過程中。這種模式不但改變了傳統教學模式的枯燥乏味，而且鍛煉了學生的口語表達及邏輯思維能力，為其將來的工作打下了良好的基礎。

(三)昆蟲學實驗教學考核方式改進

傳統昆蟲學實驗教學考核方式主要為實驗報告和昆蟲插針及玻片標本的制作。實驗報告雖有大量弊端但仍有其存在的意義，可與其他幾種考核方式結合，作為考核的一部分內容。在考核結果匯報時進行實驗考試，同時每組展示一份實驗內容教程視頻。實驗考試內容主要包括：對昆蟲的外部形態進行繪畫；使用體式鏡對昆蟲進行解剖；現場制作昆蟲插針標本；描述昆蟲玻片標本的制作過程。匯報時將考試內容做成簽條，每三名學生一組抽簽考試，由教師對學生的實驗操作進行打分。實驗內容教程視頻由學生在實驗的過程中拍攝，將實驗的每一步都錄制下來，剪輯后發給教師，在最后一次課堂上進行展示，由學生共同打分。在考核方式的改進中作者已嘗試將實驗內容教程視頻納入考核中，許多小組都制作出了實驗內容教程視頻，在這些教程視頻中展示的實驗操作十分詳細，甚至個別小組的教程視頻可直接用于課堂教學。在這種考核方式下學生的標本成果質量與往屆學生相比有了很大的提高，尤其是在昆蟲玻片標本的制作方面，多數學生制作的玻片標本也可用作教學材料。

這種綜合考核模式使每名學生都能切身接觸實驗內容，真正地去參與實驗，學生注意力不集中的現象明顯減少。在實驗考試的驅動下，學生需要熟練掌握每個實驗操作步驟，大大增強了實驗操作能力。學生在教學視頻的錄制過程中，不但更加細致地掌握了理論和實驗知識，而且鍛煉了自身對多媒體的應用能力，有助于畢業后從事各種與昆蟲學相關的職業。