昆虫学论文
摘 要： 昆虫学实验教学是高等院校农林类学生的重要基础课程，在昆虫学理论知识与实际结合中起桥梁和纽带的作用，但昆虫学实验教学在社会高速发展的当下面临着教学内容、模式、考核单一及教学材料老化缺失的问题。对昆虫学实验教学与一些新兴技术(三维技术、3D打印技术)的结合进行探讨，讨论与这些新技术结合对昆虫学实验教学质量及学生学习积极性的影响，同时对昆虫学实验教学模式、考核内容进行改进；探讨一种师生互动授课的教学模式，提出既能考查学生专业知识又能体现学生综合素质的考核模式。通过对这种多元教学模式的探索，以期进一步提升昆虫学实验教学的质量，增强学生对昆虫学理论知识的掌握及应用，满足国家和社会在高速高质量发展背景下对科研型、应用型昆虫学人才的培养要求。
关键词 : 昆虫学实验;教学方法;三维技术; 3D打印技术;
Abstract： Entomology experiment teaching is an important basic course for students of agriculture and forestry in colleges and universities. It plays a role of bridge and link in the combination of theoretical knowledge and practice of entomology. However, entomology experimental teaching is facing the problems of single teaching content, mode, assessment and lack of aging teaching materials in the current rapid development of society. In response to the above problems, the combination of entomology experimental teaching and some emerging technologies(three-dimensional technology, 3 D printing technology) was discussed, and the impact of combining these new technologies on the quality of entomological experimental teaching and students' learning enthusiasm was discussed. At the same time, the entomology experimental teaching mode and assessment content are improved, a teaching mode of teacher-student interactive teaching is discussed, and an assessment mode that can not only examine the professional knowledge of students but also reflect the comprehensive quality of students is proposed. Through the exploration of this multi-teaching mode, it is expected to further improve the quality of entomology experimental teaching, enhance students' mastery and application of entomology theoretical knowledge, and meet the national and social requirements for the cultivation of scientific and applied entomology talents under the background of high-speed and high-quality development.
Keyword： entomological experiment; teaching method; three-dimensional technology; 3D printing technology;
一、引言
当前昆虫学实验教学依然是以传统教学方式为主，授课内容主要以活体观察以及昆虫标本观察为主。随着电子信息等高新技术的高速发展，对于昆虫学实验的教学模式也应有所改进。在昆虫形态的电子信息识别技术高速发展中，昆虫学专业学生对于昆虫学知识将不再仅局限于对活体昆虫形态的了解，以电子信息技术结合昆虫学的行业及工作将越来越多。三维技术及3D打印技术的快速发展对昆虫学也有着巨大影响，已有公司利用这两项技术结合昆虫学相关知识开展相应的商业活动，但在昆虫学的教学中还未体现。随着招生规模的不断扩大，昆虫标本使用日益频繁，损耗巨大，利用新型技术制作昆虫标本可有效解决当前标本损耗缺失的问题。同时，传统昆虫学实验教学方式存在着大量的弊端，已逐渐与当下的社会及生态现状相脱节。因此，对昆虫学实验教学方法及实验材料进行改进迫在眉睫。
二、昆虫学实验教学存在的问题
(一)实验教学标本材料的缺失与老化
实验教学标本是昆虫学实验教学的物质基础，在昆虫学实验教学中起着至关重要的作用，标本的质量及种类直接影响着实验教学质量的优劣，优质的标本更有利于学生对昆虫形态的理解学习。但随着高校的扩招，需要开设昆虫实验课程的学生人数正逐年增加，标本使用越来越频繁，导致实验标本面临着诸多问题。目前昆虫学教学使用的标本主要面临三大问题：标本资源入不敷出、标本长期使用导致的损坏和老化严重、完好的标本越来越少；标本内容更新乏力，随着新兴课程出现、气候环境变化、生物入侵等问题的发生，森林入侵生物昆虫标本、检疫性害虫标本、资源昆虫标本等都存在很大缺口，急需补充；标本采集不易，许多昆虫的数量稀少，无法将其作成标本让学生观察[1]。因此，急需对昆虫学实验教学材料的种类进行丰富和改进。
(二)实验教学模式及内容传统单一
在昆虫学教学中，无论是实验课还是理论课依然都是以教师灌入式的教学为主，例如教师使用多媒体教学工具在课堂上演示，向学生输送理论及实验知识。这种教学模式下教师是整个课堂的主体，学生是知识传输的受体，师生之间缺乏互动，学生积极性差、注意力不集中，对知识的消化能力也弱。由于理论课的知识点多而难，实验课也没能得到更好的理解，学生理解、消化较为困难，在实验操作的过程中就会遇到各种各样的问题，而且不同的学生知识储备量不同，基础知识参差不齐，单靠填鸭式的教学难以让学生更好地将理论知识与实验相结合。当前昆虫学实验教学的方法依然是以传统教学方法为主，主要从以下几方面进行：通过使用体视镜对活体昆虫、昆虫插针标本及玻片标本进行观察，了解昆虫的外部特征及构造；在体视镜下解剖昆虫，了解昆虫的内部构造；学习并进行插针及玻片标本的制作。虽然这些传统教学内容可以帮助学生解读理论知识，但单靠这些传统方法的教学已经不足以满足国家和社会对于创新型人才培养的要求，随着电子信息等高新技术的快速发展，昆虫学与各种高新技术的联系愈加紧密，昆虫学实验教学与电子信息等高新技术的结合也越来越迫切。
(三)考核方式单一
对于一门课程来说，考核是十分重要的一个环节，考核的目的是为了检验学生对昆虫学理论及实验知识的掌握程度，同时通过考核使学生加强对理论知识的理解。在传统昆虫学实验教学中，考核内容较为单一，主要以实验报告及昆虫标本制作成品展示的形式进行。这两种考核方式都有其弊端，其中实验报告形式的考核弊端最大，大量的实验报告册都有抄袭现象，这就使得本该加强学生对理论知识理解的考核变成了助长不良风气的帮凶；昆虫标本制作成品展示也有着不小弊端，教师只能看到成品的昆虫标本，对学生标本制作的掌握情况无法深入了解，甚至存在着部分学生网购成品标本用于应对考核的现象。因此，基于对高质量昆虫学人才培养的要求，昆虫学实验考核的改革迫在眉睫。
三、教学改革探索
(一)昆虫学实验内容及材料改革探索
1.昆虫学实验教学与三维技术的结合
计算机技术的一大特色就是可以通过计算机技术产生人为的虚拟环境，使用计算机图形构成三维空间或者将其他真实环境编制到计算机中产生接近真实的“虚拟环境”,让观察者在视觉上有一种沉浸其中的感觉[2]。利用计算机图像处理与虚拟现实结合的技术，可建立一种自动化制作昆虫三维模型的方法[3],从而得到昆虫的三维模型并将其运用到昆虫学实验教学中。三维技术在许多学科都已经有了较好的应用，如病理学[4]、地质学[5]等。昆虫的研究在三维成像技术方面已有部分的应用[6],但在昆虫学实验教学方面鲜有报道。
利用三维技术制作出的昆虫电子标本能够保留昆虫的真实外貌，立体感强，可以从多角度来观察昆虫的细微特征。与普通昆虫标本相比，其具有不会变色褪色、不易损坏、不会老化、完成一次制作就可永久使用、可供多人同时观察、可在网上快速检索等特点。
将内容丰富的昆虫电子标本运用到昆虫实验教学中，可以满足教学中的多种需求，既能解决昆虫教学标本老化、标本种类不足等问题，又能增加昆虫学实验的新颖性，提高学生学习兴趣，加快学生对知识的理解与记忆。学生使用昆虫电子标本可以观察到更多传统实验课上无法观察到的珍稀昆虫形态，丰富学生对于昆虫知识的储备量，了解到更多昆虫的具体形态特征；同时结合对活体昆虫及一些模型昆虫的观察，使学生进一步加深对昆虫学理论知识的理解。学生在对昆虫电子标本观察的过程中将会意识到，对于昆虫学实验的学习不是单纯地依靠传统教学，而是随着技术的进步而动态发展。
2.昆虫学实验教学与3D打印技术的结合
3D打印是以三维数据模型为基础，通过材料(金属、高分子、无机材料等)层层叠加方式形成实体结构的制造方法，也被称为增材制造、快速成型、迭层制造等，是一种直接数字化设计与实体加工制造相结合的技术，其已在教育、航空航天、生物医疗、创意产品等领域得到大量运用[7]。3D打印技术主要有七类，即熔融沉积成形(FDM)、光固化立体成形(SLA)、分层实体制造(LOM)、电子束选区熔化(EBM)、激光选区熔化(SLM)、金属激光熔融沉积(LDMD)、电子束熔丝沉积成形(EBF)[8],其中光固化立体成形技术被运用得最多。
目前国内外均有通过应用3D打印技术来实现昆虫标本模型构建的实例[9],如金光耀等通过3D打印技术研究了五种检疫性昆虫标本的3D模型打印方法，对昆虫的3D打印作出了初步探索，通过比较模型与昆虫实物整体以及细微结构特征的拟合度，筛选优化出了昆虫3D打印最佳方案和最优着色方法[10]。因此，对于将3D打印技术应用于昆虫学实验教学具有极大的可行性。
3D打印技术作为一种新型技术，对于学生来说既陌生又熟悉，经常在网络和新闻上听到但却从未真正触及过，当将3D打印技术应用到昆虫学实验教学时，必定引起学生广泛的兴趣和好奇心，激发他们主动参与学习活动。与3D打印技术相结合的昆虫实验活动有助于体现学生作为学习活动主体主动参与学习的重要性和价值，进而促进学生主动参与对昆虫构造的了解与学习。
基于3D打印技术的昆虫实验任务，需要学生更加深入地了解昆虫的详细构造，主动分析打印任务、参与计划与决策、参与昆虫原型的选择与设计，这种主体意识和被需要的感觉让学生意识到自己在昆虫学实验过程中的价值和重要性，促使学生更加主动地参与到昆虫学的学习中[11]。在进行3D打印前需要学生对昆虫学的理论知识以及昆虫形态有足够的了解，学生基于对3D打印技术的兴趣，进而对昆虫学理论知识的掌握也更加深入，可以使学生更好地将昆虫学的理论知识与实验课程的学习有机结合在一起。
3.改进昆虫学实验教学的标本材料
在传统的昆虫学实验教学中，昆虫标本以插针标本、浸液标本以及昆虫触角及足的玻片标本为主，这些标本普遍存在着老化损耗严重等问题。为解决这些问题，可引进一些耐损耗的标本类型，如通过三维技术、3D打印技术得到的电子昆虫标本、昆虫模型标本等耐损耗的昆虫标本，这样既能丰富昆虫学实验教学的内容，又能解决教学标本不足的问题；也可引进一些易制作的标本类型，如昆虫器官横切标本，因为昆虫器官横切标本制作方便，少量昆虫便可制作出较多的器官横切标本，对昆虫样本需求量小，同时昆虫横切面的观察对于昆虫学的学习也是十分重要的，有助于学生掌握昆虫相关器官的详细构造，了解昆虫器官的位置及器官间的相互关系。
昆虫器官横切标本的制作也相对比较简单，如曾宪顺的徒手石蜡切片法[12]。简易步骤如下：将昆虫器官放入5%氢氧化钠液，用酒精灯加热煮沸几分钟，使标本体内的脂肪消解，取出用清水清洗，然后依次在50%、75%、85%、95%的酒精中脱水5—10min, 最后无水乙醇脱水5min, 晾干；晾干后使用石蜡包埋，使标本浸没在蜡液中间，凝固后取出切片，由外向内来回切削；将切好的标本放到载玻片上，除去四周多余的蜡片，加入二甲苯使其透明，透明后滴加些许蛋清，使玻片上的标本快速固定，随后滴上封片胶，盖上盖玻片，封片胶凝固后昆虫器官横切标本便完成。
学生在学习昆虫器官横切标本的制作过程中，不但有助于其掌握昆虫器官的详细构造，而且还能让其熟练掌握徒手石蜡切片法这一技能，在其他学科以及未来的工作中都将起到重要的作用。
(二)昆虫学实验教学模式的改进
传统的昆虫学实验教学都是在实验室中进行的，由教师讲述实验内容及如何操作。虽然都是小班教学，但教师在授课时仍然很难将学生的积极性调动起来，这是因为上课的主体不是学生，而只是被动接受的受体。因此，在教学中让学生成为主体，以此调动学生的积极性是大有必要的。
在教学过程中让学生成为主体，将学生每4人分为一组，每组负责一次实验内容的讲解。在实验课上课前一周，由教师将本次实验的内容及方法发给对应的小组，小组将实验内容整理好做成PPT后发给教师，教师给出修改意见后由小组在下次课上进行讲述，小组将实验内容讲完后由教师进行补充。这种模式下每名学生都能参与到实验内容的讲解中，成为课堂的主体，教师成为课堂的辅助，为学生把握大方向并修正学生的小错误。在实际教学中作者已进行实践性的尝试，选取三组自愿讲解的学生，由这三组学生进行三次实验内容的讲解，学生根据实验内容制作讲解PPT,讲解结束后教师进行补充。从这三组的讲解来看，学生们只对部分实验操作的细节讲述不够完善，但经过教师补充后都能较好掌握。从教师在课下的询问以及理论课和实验课的考核结果来看，这三组学生无论是对理论知识还是实验操作都有着较好的掌握。从已实践的教学效果来看，值得对这种以学生为主体的教学模式进行教学改革尝试。
在这种昆虫学实验教学模式下学生的注意力将更加专注，认真听每次课上小组的讲解，为自己下次的讲解做准备，这样学生能更积极地掌握每次实验的方法，更好地参与到实验的过程中。这种模式不但改变了传统教学模式的枯燥乏味，而且锻炼了学生的口语表达及逻辑思维能力，为其将来的工作打下了良好的基础。
(三)昆虫学实验教学考核方式改进
传统昆虫学实验教学考核方式主要为实验报告和昆虫插针及玻片标本的制作。实验报告虽有大量弊端但仍有其存在的意义，可与其他几种考核方式结合，作为考核的一部分内容。在考核结果汇报时进行实验考试，同时每组展示一份实验内容教程视频。实验考试内容主要包括：对昆虫的外部形态进行绘画；使用体式镜对昆虫进行解剖；现场制作昆虫插针标本；描述昆虫玻片标本的制作过程。汇报时将考试内容做成签条，每三名学生一组抽签考试，由教师对学生的实验操作进行打分。实验内容教程视频由学生在实验的过程中拍摄，将实验的每一步都录制下来，剪辑后发给教师，在最后一次课堂上进行展示，由学生共同打分。在考核方式的改进中作者已尝试将实验内容教程视频纳入考核中，许多小组都制作出了实验内容教程视频，在这些教程视频中展示的实验操作十分详细，甚至个别小组的教程视频可直接用于课堂教学。在这种考核方式下学生的标本成果质量与往届学生相比有了很大的提高，尤其是在昆虫玻片标本的制作方面，多数学生制作的玻片标本也可用作教学材料。
这种综合考核模式使每名学生都能切身接触实验内容，真正地去参与实验，学生注意力不集中的现象明显减少。在实验考试的驱动下，学生需要熟练掌握每个实验操作步骤，大大增强了实验操作能力。学生在教学视频的录制过程中，不但更加细致地掌握了理论和实验知识，而且锻炼了自身对多媒体的应用能力，有助于毕业后从事各种与昆虫学相关的职业。
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