杜 坤, 郭賓會(huì), 傅媛媛, 駱 樂, 張 彪, 魏萬(wàn)紅

(1.揚(yáng)州大學(xué) 生命科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，揚(yáng)州 225009； 2.揚(yáng)州大學(xué) 實(shí)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，揚(yáng)州 225009；3.揚(yáng)州大學(xué) 實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處，揚(yáng)州 225009)

植物學(xué)實(shí)驗(yàn)是一門十分重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是相關(guān)專業(yè)學(xué)生大學(xué)一年級(jí)所接觸到的第一門實(shí)驗(yàn)課，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度具有重要作用[1-4]。被子植物營(yíng)養(yǎng)器官的發(fā)育是植物學(xué)實(shí)驗(yàn)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，它要求學(xué)生掌握被子植物根、莖、葉營(yíng)養(yǎng)器官的內(nèi)外部形態(tài)結(jié)構(gòu)特征及其發(fā)育過(guò)程[5]。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，這部分內(nèi)容通常分2～3個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開設(shè)，且在實(shí)施的過(guò)程中存在以下幾個(gè)問(wèn)題：(1)植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程動(dòng)態(tài)且連續(xù)，僅通過(guò)少量玻片標(biāo)本的觀察很難對(duì)發(fā)育過(guò)程有全面的把握；(2)顯微結(jié)構(gòu)觀察需要借助顯微鏡，實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)和考核不易開展[3,6]；(3)玻片標(biāo)本只能展示平面結(jié)構(gòu)(橫切或縱切)，空間結(jié)構(gòu)特征難以展現(xiàn)；(4)石蠟制片操作流程復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)，在有限的學(xué)時(shí)下通常只能開展視頻示教[7]。這些問(wèn)題嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，制約學(xué)生對(duì)被子植物營(yíng)養(yǎng)器官建成相關(guān)知識(shí)和技能的有效掌握。

“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展，在給人們生活方式帶來(lái)變革的同時(shí)，也為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供了新的載體[8-12]。為此，揚(yáng)州大學(xué)生命科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心自主研發(fā)了被子植物營(yíng)養(yǎng)器官建成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)(http://zwqgjc.yzu.edu.cn/)，并通過(guò)構(gòu)建和實(shí)施“虛實(shí)融合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，打破了時(shí)間和空間的限制，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的缺點(diǎn)，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。

1 被子植物營(yíng)養(yǎng)器官建成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)構(gòu)建

本著“能實(shí)不虛、提升實(shí)效”的原則，圍繞被子植物營(yíng)養(yǎng)器官發(fā)育教學(xué)中存在的上述問(wèn)題，運(yùn)用3D、VR和數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)，制作了“被子植物營(yíng)養(yǎng)器官建成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”系統(tǒng)，其功能架構(gòu)如圖1所示。用戶可通過(guò)PC或智能終端設(shè)備訪問(wèn)系統(tǒng)，在進(jìn)行身份識(shí)別后(系統(tǒng)有數(shù)據(jù)庫(kù)支撐，可記錄學(xué)習(xí)軌跡和實(shí)驗(yàn)成績(jī)等數(shù)據(jù))，會(huì)引導(dǎo)用戶進(jìn)入不同的功能區(qū)開展學(xué)習(xí)，系統(tǒng)PC端的主界面如圖2所示。

圖1 被子植物營(yíng)養(yǎng)器官建成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)圖Figure 1 The system architecture of the virtual simulation experiment for the development of angiosperm vegetative organs

圖2 被子植物營(yíng)養(yǎng)器官建成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主界面Figure 2 The main page of the virtual simulation experiment for thedevelopmant of angiosperm vegetative organs

1.1 石蠟制片模塊

將石蠟制片流程制作成3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)(圖3)，供學(xué)生隨時(shí)隨地開展在線練習(xí)，重點(diǎn)訓(xùn)練學(xué)生對(duì)整個(gè)石蠟制片基本流程及其所涉及設(shè)備、耗材等操作的掌握。整個(gè)流程包括：取材→固定→抽氣→脫水→透明→包埋→切片→烤片→染色→封片→干燥保存等步驟。同時(shí)，根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，將這部分內(nèi)容以易至難分為3個(gè)子模塊，分別是觀摩制片、虛擬制片和自主制片。三者的區(qū)別在于觀摩制片不需要用戶干預(yù)，線性的展示石蠟制片過(guò)程；虛擬制片需要互動(dòng)操作，在提示下通過(guò)使用鼠標(biāo)(或VR設(shè)備、數(shù)據(jù)手套)點(diǎn)擊不同的實(shí)驗(yàn)元素進(jìn)行虛擬操作，操作不正確時(shí)系統(tǒng)會(huì)給出提示；自主制片是在沒有提示的情況下讓學(xué)生自主操作。

圖3 石蠟制片3D流程Figure 3 3D virtual simulation experiment for paraffin section

1.2 透視結(jié)構(gòu)模塊

以被子植物代表植物陸地棉(GossypiumhirsutumL.)為供試材料，根據(jù)陸地棉不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期的結(jié)構(gòu)特征，制作了“種子萌發(fā)期、子葉期、三葉期和八葉期”的3D仿真棉株，每個(gè)時(shí)期都包含了外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。用戶可點(diǎn)擊右側(cè)菜單中的欄目，分別調(diào)出棉花營(yíng)養(yǎng)器官不同發(fā)育階段各組成系統(tǒng)的3D模型，并通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊、拖動(dòng)和縮放操作實(shí)現(xiàn)對(duì)陸地棉根、莖、葉的各器官形態(tài)結(jié)構(gòu)、組成特征及其在體內(nèi)的相對(duì)位置分布等內(nèi)容的學(xué)習(xí)。

在“種子萌發(fā)期”3D模型中，包含陸地棉種子的種皮、種孔和胚的形態(tài)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容[圖4(a)和(b)]。在“子葉期”3D仿真棉株中，包含植株的根系、下胚軸、子葉、頂芽等營(yíng)養(yǎng)器官的外部形態(tài)結(jié)構(gòu)；根的初生結(jié)構(gòu)、下胚軸和子葉柄的解剖結(jié)構(gòu)；皮組織系統(tǒng)、基本組織系統(tǒng)、維管組織系統(tǒng)等內(nèi)容,見圖4(c)和(d)。在“三葉期”3D仿真棉株中，包含根系、胚軸、子葉、頂芽、葉的外部形態(tài)結(jié)構(gòu)；莖的初生結(jié)構(gòu)、莖的解剖結(jié)構(gòu)；葉的維管組織系統(tǒng)等內(nèi)容,見圖4(e)和(f)。在“八葉期”3D仿真棉株中，包含根系、葉、芽、莖的外部形態(tài)結(jié)構(gòu)；根的次生結(jié)構(gòu)、莖的次生結(jié)構(gòu)；根的次生維管組織系統(tǒng)等內(nèi)容,見圖4(g)和(h)。通過(guò)對(duì)上述內(nèi)容的虛擬仿真學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅有效掌握陸地棉不同發(fā)育時(shí)期營(yíng)養(yǎng)器官各系統(tǒng)的外部形態(tài)結(jié)構(gòu)、細(xì)胞組成特征等內(nèi)容，更重要的是還可以對(duì)陸地棉皮系統(tǒng)、基本組織系統(tǒng)和維管組織系統(tǒng)在植株體內(nèi)的位置、空間分布，以及它們之間是如何連接等內(nèi)容有一個(gè)較好的認(rèn)知。

(a)和(b) 種子萌發(fā)期; (c)和(d) 子葉期; (e)和(f) 三葉期； (g)和(h) 八葉期。圖4 透視結(jié)構(gòu)模塊 Figure 4 The functional module of perspective construction

1.3 數(shù)字切片模塊

為了客觀真實(shí)地展現(xiàn)被子植物不同物種、不同發(fā)育時(shí)期營(yíng)養(yǎng)器官的典型顯微結(jié)構(gòu)，選取包含這些典型結(jié)構(gòu)的玻片標(biāo)本，使用全自動(dòng)顯微鏡在400倍放大倍率下進(jìn)行數(shù)字化全幅掃描，形成了數(shù)字切片模塊(目前含20余物種，140余張切片)。數(shù)字切片模塊又包含觀摩學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)2個(gè)子功能，觀摩學(xué)習(xí)是對(duì)已標(biāo)注知識(shí)點(diǎn)和結(jié)構(gòu)名稱的數(shù)字切片進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，而自主學(xué)習(xí)可以讓用戶進(jìn)行結(jié)構(gòu)的自主標(biāo)注。

本模塊界面左側(cè)為切片和知識(shí)點(diǎn)選擇區(qū)，右側(cè)主要為數(shù)字切片顯示區(qū)域(圖5)。此外，右下角還可以顯示數(shù)字切片的縮略圖以及當(dāng)前區(qū)域所在的位置，右上角為工具區(qū)域，包含縮放和標(biāo)尺等工具。用戶可依次選取器官組織(如細(xì)胞、組織、根、莖、葉等)、切片(如棉花莖橫切、煙草葉片橫切等)和知識(shí)點(diǎn)，即可調(diào)出某張切片，進(jìn)行所選知識(shí)點(diǎn)結(jié)構(gòu)特征的學(xué)習(xí)。同時(shí)我們使用了分區(qū)域加載技術(shù)，以解決因切片資源數(shù)據(jù)大(每張切片為80～200 MByte)而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)加載慢及手機(jī)端流量消耗多的問(wèn)題。

(a)煙草葉片橫切; (b)棉花莖橫切; (c)左側(cè)功能區(qū)。圖5 數(shù)字切片模塊Figure 5 The functional module of digital section

1.4 生理功能模塊

植物的不同組織、器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征與其生理功能的發(fā)揮密切相關(guān)。理解這些組織器官特定的生理過(guò)程有助于對(duì)其結(jié)構(gòu)特征的掌握，而這部分內(nèi)容在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中是無(wú)法觀察的。為此，開發(fā)了“種子萌發(fā)、植物體內(nèi)養(yǎng)分輸導(dǎo)、根莖過(guò)渡、維管形成層的發(fā)生”等3D生理動(dòng)畫(圖6)，形象生動(dòng)地再現(xiàn)了種子萌發(fā)過(guò)程，根莖維管組織的連接變化，根莖初生結(jié)構(gòu)向次生結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化與生理功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，加深了學(xué)生對(duì)被子植物器官建成動(dòng)態(tài)變化、結(jié)構(gòu)與功能協(xié)同作用的理解。

圖6 生理功能模塊Figure 6 The functional module of physiological function

1.5 器官?gòu)?fù)位模塊

器官?gòu)?fù)位模塊是讓用戶依次選取各組織器官組成“元件”的3D模型，并按一定的順序排放，直至拼裝成一個(gè)完整組織器官的過(guò)程。設(shè)置此模塊的目的是為了進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)被子植物維管組織系統(tǒng)，以及表皮、皮層、中柱系統(tǒng)在根、莖、葉中的空間分布及相互位置關(guān)系上的理解與掌握。此模塊包含了根、莖的初生結(jié)構(gòu)和次生結(jié)構(gòu)的虛擬仿真復(fù)位。具體操作：首先點(diǎn)擊右側(cè)的欄目，選取你需要復(fù)位的器官組織模型，如“根的初生結(jié)構(gòu)”，隨即會(huì)在左側(cè)物品欄中顯示組成根的初生結(jié)構(gòu)的各細(xì)胞組織的3D模型；然后，按一定的順序調(diào)用物品欄中的3D模型，并將其放置、拼接到植物體原有的位置上，直至完成所有“零件”的拼裝(圖7)。如果“零件”選取錯(cuò)誤或位置擺放錯(cuò)誤，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤提示，以引導(dǎo)用戶正確操作。

圖7 器官?gòu)?fù)位模塊Figure 7 The functional module of organ restoration

1.6 虛擬考核模塊

本模塊分為“結(jié)構(gòu)特征考核、制片技術(shù)考核和器官?gòu)?fù)位考核”3個(gè)部分。學(xué)生可點(diǎn)擊相應(yīng)的子欄目，完成對(duì)石蠟制片規(guī)范性操作流程，器官和細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)的識(shí)別及其在體內(nèi)的空間分布位置，以及典型顯微結(jié)構(gòu)的考核。結(jié)構(gòu)特征考核采用“填圖題”形式，學(xué)生只要在組織器官3D模型或數(shù)字切片對(duì)應(yīng)的空格內(nèi)填入相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)名稱即可完成考核；制片技術(shù)考核采用虛擬流程考核形式，在石蠟制片技術(shù)虛擬仿真流程中的關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置了部分選擇題，學(xué)生只需根據(jù)提示選擇相應(yīng)的答案即可；器官?gòu)?fù)位考核則需要學(xué)生一次性按序完成對(duì)應(yīng)組織器官3D模型的拼裝。上述考核均為系統(tǒng)自動(dòng)判卷，并記錄成績(jī)。

除了上述主要的功能模塊，本項(xiàng)目中還包含器具與材料、其他輔助資源(文本、圖片、視頻、2D動(dòng)畫等)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、交流討論等模塊，以確保項(xiàng)目的完整實(shí)施。

2 “虛實(shí)融合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的構(gòu)建

為發(fā)揮這些優(yōu)質(zhì)虛擬仿真教學(xué)資源的優(yōu)勢(shì)，提高實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)效果，我們將虛擬資源和實(shí)體資源相結(jié)合，按照實(shí)驗(yàn)前、中、后3個(gè)階段，分別在線上和線下開展的教學(xué)內(nèi)容具體化、標(biāo)準(zhǔn)化，形成了“虛實(shí)融合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式(圖8)。

圖8 “虛實(shí)融合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式Figure 8 The experimental teaching mode of integration of reality and virtual simulation

實(shí)體實(shí)驗(yàn)之前，學(xué)生通過(guò)在線開展石蠟制片3D虛擬仿真操作了解制片的規(guī)范化操作流程，通過(guò)透視結(jié)構(gòu)、器官?gòu)?fù)位和數(shù)字切片模塊的自主學(xué)習(xí)，初步了解被子植物營(yíng)養(yǎng)器官結(jié)構(gòu)組成、空間位置分布和顯微結(jié)構(gòu)特征。這些線上的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)可使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容產(chǎn)生一定的感性認(rèn)識(shí)，在開展實(shí)體實(shí)驗(yàn)時(shí)就可減少對(duì)原理、方法等內(nèi)容的講解，提升了實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的利用效率[3]。同時(shí)，學(xué)生可隨時(shí)將實(shí)體實(shí)驗(yàn)結(jié)果與虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析兩者的差異及其產(chǎn)生的原因，以查找不足之處；還可利用大量的數(shù)字切片資源，對(duì)不同生境下被子植物營(yíng)養(yǎng)器官建成的差異開展探究性學(xué)習(xí)，提高學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力。實(shí)驗(yàn)后，利用虛擬仿真資源開展自主復(fù)習(xí)，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解，還可開展實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等內(nèi)容的在線交流，實(shí)驗(yàn)報(bào)告在線提交等。“虛實(shí)融合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的擴(kuò)展，學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)熱情的提升和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的高效利用。

3 覆蓋實(shí)驗(yàn)全流程的形成性實(shí)驗(yàn)考核體系的構(gòu)建

為有效檢測(cè)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握情況，克服實(shí)驗(yàn)考核實(shí)施難，成績(jī)?cè)u(píng)定過(guò)度依賴實(shí)驗(yàn)報(bào)告等問(wèn)題[13]，我們優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)考核內(nèi)容和考核形式，形成了覆蓋實(shí)驗(yàn)全過(guò)程的形成性實(shí)驗(yàn)考核體系(表1)?？己藘?nèi)容主要包含：實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備情況、基本技能的掌握情況、實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性、對(duì)待實(shí)驗(yàn)的態(tài)度、知識(shí)的綜合運(yùn)用情況、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和分析能力等。實(shí)驗(yàn)考核的方式主要有實(shí)體實(shí)驗(yàn)操作、虛擬考核、線上題庫(kù)考核和實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。

表1 覆蓋實(shí)驗(yàn)全流程的形成性實(shí)驗(yàn)考核體系Table 1 The formative experiment evaluation system covering the whole experiment process

綜上所述，為解決傳統(tǒng)植物學(xué)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，我們構(gòu)建了“被子植物營(yíng)養(yǎng)器官建成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”教學(xué)系統(tǒng)，并開展“虛實(shí)融合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。經(jīng)過(guò)3年的實(shí)踐，不僅有效拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)空，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，還提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和實(shí)驗(yàn)參與度，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能掌握情況提高近10%，同時(shí)為學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)提供了條件。本項(xiàng)目被遴選為國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，通過(guò)“實(shí)驗(yàn)空間”(ilab-x)面向社會(huì)免費(fèi)開放，并得到一致好評(píng)。