韓利紅， 劉 潮， 田雪蓮， 張麗芳， 洪 景， 李 飛

(曲靖師范學(xué)院 生物資源與食品工程學(xué)院， 云南 曲靖 655001)

生物學(xué)屬于實(shí)驗(yàn)科學(xué)，通過實(shí)驗(yàn)科學(xué)提高大學(xué)生的基本科研素質(zhì)和分析問題、解決問題的能力，是培養(yǎng)高質(zhì)量生命科學(xué)人才的重要環(huán)節(jié)之一。創(chuàng)新型高素質(zhì)人才培養(yǎng)模式要求學(xué)生能夠掌握和運(yùn)用最新的科學(xué)技術(shù)。但傳統(tǒng)的、常規(guī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)受各種因素限制，逐漸凸顯出諸多弊端，亟待改革。植物生物學(xué)是生物科學(xué)和農(nóng)學(xué)類的專業(yè)主干課，是開展其他生物課程的先導(dǎo)課，在課程體系中占有重要的基礎(chǔ)地位[1]。植物生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)長(zhǎng)期以來存在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)較多等弊端，雖然已在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、教學(xué)手段和考核方法改革等方面開展了部分探討，但上述問題依然存在。根據(jù)教學(xué)過程和實(shí)踐中出現(xiàn)的問題，有針對(duì)性地開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)，將有效提高植物生物學(xué)教學(xué)效率和效果[2]，為日后該課程的開展提供參考。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的重要性與必要性

傳統(tǒng)的植物生物學(xué)實(shí)驗(yàn)多為驗(yàn)證性內(nèi)容，通過教師介紹實(shí)驗(yàn)原理、步驟和方法，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫來驗(yàn)證課堂上的理論知識(shí)，在一定程度上制約了學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。植物實(shí)驗(yàn)材料受季節(jié)和發(fā)育時(shí)期影響較大，如在雄蕊和雌蕊發(fā)育實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生僅能通過典型發(fā)育時(shí)期的永久裝片獲得不完整的發(fā)育過程，這不利于其對(duì)繁殖器官重要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握。植物分類學(xué)實(shí)驗(yàn)具有直觀性、開放性和綜合性等特點(diǎn)，氣候和植物物候期對(duì)其造成了較大影響，植物學(xué)野外實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)也是限制因素之一。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于生物實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)可有效節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間和運(yùn)行成本，緩解各種教學(xué)資源的不足，消除實(shí)驗(yàn)過程中的各種安全隱患，完善教師對(duì)學(xué)生的監(jiān)督和評(píng)價(jià)機(jī)制，使學(xué)生掌握生物學(xué)科最前沿的科學(xué)技術(shù)，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和創(chuàng)新能力[3]。

2 植物生物學(xué)虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)或中心的構(gòu)建

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)構(gòu)建了植物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)共包括4個(gè)模塊：虛擬顯微鏡系統(tǒng)、植物識(shí)別系統(tǒng)、植物學(xué)數(shù)字課程和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，這4個(gè)模塊系統(tǒng)整合了植物形態(tài)解剖學(xué)和植物系統(tǒng)分類學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。借助Motic數(shù)字切片掃描系統(tǒng)，將玻璃永久裝片轉(zhuǎn)換成數(shù)字化切片，能使用鼠標(biāo)放大和縮小切片選定位置，且圖像信息不會(huì)失真。與傳統(tǒng)方式相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開展不受時(shí)間和空間限制，能有效提高教學(xué)效率，應(yīng)用更廣泛。植物識(shí)別系統(tǒng)涵蓋了南京農(nóng)業(yè)大學(xué)校園200多種常見植物，學(xué)生可通過植株彩圖、營(yíng)養(yǎng)器官和繁殖器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)，以及網(wǎng)絡(luò)X3D技術(shù)模擬的植物三維外觀，以區(qū)分不同類群的植物?；贔lash平臺(tái)制作的交互式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行可視化演示，并對(duì)重要關(guān)鍵步驟進(jìn)行交互式操作。植物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供了多種虛擬教學(xué)資源，擴(kuò)充了教學(xué)信息容量，提高了教學(xué)效果[2]。

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)自1995年開始建設(shè)農(nóng)科類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，共分為基礎(chǔ)、綜合和創(chuàng)新3個(gè)層次，以及作物學(xué)、園藝學(xué)、植物保護(hù)和數(shù)字農(nóng)業(yè)4個(gè)模塊，成為培養(yǎng)和提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的重要基地。實(shí)踐證明，農(nóng)科類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)打破了時(shí)間和空間的限制，縮短了實(shí)驗(yàn)周期，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)受季節(jié)、氣候和經(jīng)費(fèi)等限制帶來的不足，能夠較好實(shí)現(xiàn)虛實(shí)互補(bǔ)[3]。

2.2 在植物學(xué)野外實(shí)習(xí)中的應(yīng)用

云南是名副其實(shí)的植物王國(guó)，擁有豐富的植物種類，是植物野外實(shí)習(xí)的重要基地。然而，云南山地較多、地形復(fù)雜、氣候多變，再加上實(shí)習(xí)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)有限，給植物學(xué)野外實(shí)習(xí)帶來諸多困難，因此有必要建立信息化和智能化的教學(xué)環(huán)境。曲靖師范學(xué)院生物資源與食品工程學(xué)院的教學(xué)團(tuán)隊(duì)已初步完成該虛擬實(shí)驗(yàn)所需技能數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)驗(yàn)素材的建設(shè)，如徒手切皮視頻、臨時(shí)水裝片制作視頻、葉表皮撕片法和花的解剖等；在專業(yè)見習(xí)和教學(xué)過程中，拍攝了大量植物和生境圖片，利用延時(shí)攝影技術(shù)還原了種子萌發(fā)形成幼苗的過程、花朵開放的過程和擔(dān)子菌開傘的動(dòng)態(tài)過程等。將以上素材應(yīng)用到植物分類學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，顯著強(qiáng)化了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的深度和廣度。

江西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院利用信息化技術(shù)模擬戶外三維仿真環(huán)境和實(shí)驗(yàn)室操作條件，使學(xué)生通過人機(jī)互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)野外實(shí)習(xí)部分目的，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和分析、解決問題的能力。該項(xiàng)目分為6個(gè)模塊：植物多樣性認(rèn)識(shí)，植物標(biāo)本的制作，顯微鏡的使用和根、莖、葉的形態(tài)觀察，將課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和野外實(shí)習(xí)有機(jī)結(jié)合起來，并利用虛擬仿真考核和實(shí)操考核，形成較為完善的評(píng)價(jià)體系[4-5]。

2.3 有機(jī)整合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

開發(fā)跨專業(yè)、跨課程的綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將凸顯學(xué)校重點(diǎn)學(xué)科專業(yè)，并有效整合資源，防止交叉內(nèi)容的重復(fù)建設(shè)。以曲靖師范學(xué)院生物資源與食品工程學(xué)院的省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(側(cè)耳屬野生食用真菌人工馴化實(shí)驗(yàn))為例，該項(xiàng)目整合了植物生物學(xué)、微生物學(xué)、應(yīng)用微生物學(xué)和分子生物學(xué)等課程的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，與地方經(jīng)濟(jì)緊密結(jié)合，支撐學(xué)生綜合能力培養(yǎng)。側(cè)耳屬真菌世界廣布，在野外多生于闊葉樹干、枯立木或倒木上。側(cè)耳易于栽培、產(chǎn)量大，是重要的食用和藥用經(jīng)濟(jì)真菌。野生食用菌的馴化栽培實(shí)驗(yàn)具有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)和可實(shí)施性弱等特征。因此，對(duì)其進(jìn)行虛擬場(chǎng)景再現(xiàn)和過程仿真實(shí)驗(yàn)具有非常重要的意義。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)主要包括野生側(cè)耳菌種資源的獲取及保種，母種、原種和栽培種的制備，栽培管理，以及菌種質(zhì)量的初步檢測(cè)等。學(xué)生主要通過10個(gè)互動(dòng)實(shí)驗(yàn)步驟完成該實(shí)驗(yàn)，能夠在短時(shí)間內(nèi)了解并掌握側(cè)耳屬真菌資源的采集方法、物種界定方法、分離純化技術(shù)、基本栽培技術(shù)和管理技術(shù)等關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，提升創(chuàng)新能力，預(yù)期將取得很好的應(yīng)用示范作用。

3 虛擬仿真的應(yīng)用前景

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于植物生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有力推動(dòng)了該課程的教學(xué)改革。虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)造的實(shí)時(shí)交互模塊比文字、模型或效果圖更加形象、有趣和完整生動(dòng)，營(yíng)造了特殊的自主學(xué)習(xí)環(huán)境，將傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”變?yōu)閷W(xué)習(xí)者通過與技術(shù)信息互動(dòng)來獲取知識(shí)技能的新學(xué)習(xí)方式。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建成后將對(duì)外開放，受益人群包括校內(nèi)外學(xué)生和社會(huì)其他相關(guān)機(jī)構(gòu)，將充分發(fā)揮高校在人才培養(yǎng)和服務(wù)社會(huì)中的重要作用。