成 丹， 崔 瑾， 王慶亞， 劉琳莉， 錢 猛， 沈振國(guó)

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) a.農(nóng)業(yè)生物學(xué)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心; b.生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210095)

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·專題研究——虛擬仿真實(shí)驗(yàn)(30)·

植物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建及應(yīng)用

成 丹a， 崔 瑾a， 王慶亞b， 劉琳莉a， 錢 猛a， 沈振國(guó)b

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) a.農(nóng)業(yè)生物學(xué)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心; b.生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210095)

植物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)合了虛擬顯微鏡系統(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)4個(gè)功能模塊，系統(tǒng)地整合了植物組織解剖、植物類群分類兩部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。平臺(tái)首次將虛擬仿真教學(xué)資源應(yīng)用于植物組織結(jié)構(gòu)觀察和植物分類識(shí)別鑒定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，各教學(xué)資源既相互獨(dú)立、自成一體，又能貫穿植物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的整個(gè)過(guò)程，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行靈活組合，以滿足學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)方式的需求。通過(guò)該平臺(tái)的應(yīng)用，不僅擴(kuò)充了教學(xué)信息容量,提升了教學(xué)效率,同時(shí)也有利于教學(xué)資源的管理和利用,推動(dòng)了植物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革和創(chuàng)新。從植物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用出發(fā),具體探討了虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建思路，實(shí)現(xiàn)模式及應(yīng)用效果。

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)； 植物學(xué)； 虛擬仿真； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

0 引 言

植物學(xué)是生物學(xué)與農(nóng)學(xué)各專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是學(xué)好其它專業(yè)課的基礎(chǔ)，植物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在生命科學(xué)中占有很重要的基礎(chǔ)地位[1-2]。長(zhǎng)期以來(lái)，植物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)為，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)多，基本技能得不到提高，由于受到采樣制作的影響，很難獲得完整的發(fā)育過(guò)程，又由于受季節(jié)的影響，在分類實(shí)驗(yàn)中觀察不到典型的花。根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，有針對(duì)性，選擇性的進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)與研制，能切實(shí)有效地提高植物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和教學(xué)效果。

近年來(lái)，在植物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方面，不少學(xué)者結(jié)合各自學(xué)校的教學(xué)特點(diǎn)及現(xiàn)狀，主要從植物學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、改進(jìn)教學(xué)方法、改革考核方法等方面進(jìn)行了探討，但這些改革還不能從根本上解決上述問(wèn)題[3-6]。通過(guò)建立虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展虛擬實(shí)驗(yàn), 運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬植物發(fā)育的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化,重要典型的植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)，使學(xué)生達(dá)到“身臨其境”的效果,提高植物學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建思路

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的本質(zhì)屬性是實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，平臺(tái)建設(shè)應(yīng)遵循“技術(shù)設(shè)計(jì)為教學(xué)設(shè)計(jì)服務(wù)”的原則[7-8]。在具體實(shí)踐中，應(yīng)在充分體現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)資源獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的前提下，最大限度利用校園網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、傳統(tǒng)儀器設(shè)備等現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，前瞻性地將分布在不同位置的各類型虛擬實(shí)驗(yàn)資源通過(guò)網(wǎng)絡(luò)得以共享。平臺(tái)的功能應(yīng)能彌補(bǔ)目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所存在的缺陷，具有網(wǎng)絡(luò)教學(xué)功能和網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)操作功能，具備一定的智能特性。

1.1 目前植物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題

目前植物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)為，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)多，基本技能得不到提高。傳統(tǒng)的植物學(xué)實(shí)驗(yàn)幾乎全為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，通常都是以教師介紹實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法，然后學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證學(xué)過(guò)的理論知識(shí)，嚴(yán)重制約了學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

在實(shí)驗(yàn)材料方面，由于受到季節(jié)的影響，現(xiàn)在的植物根、莖、葉的初生或次生發(fā)育結(jié)構(gòu)切片時(shí)期較少，特別是反映發(fā)育的典型珍貴制片更少,這些切片在制作時(shí)因植物生長(zhǎng)時(shí)期難以把握，制作比較困難。例如在花芽分化的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生觀察的是油菜花芽分化的制片,因?yàn)槭强偁罨ㄐ?，花多且處在不同發(fā)育時(shí)期，但由于花在花序上排列很不規(guī)則，學(xué)生基本上只能觀察到花芽分化5個(gè)時(shí)期中的2～3個(gè)時(shí)期，而且典型的剖面極少，在雄蕊和花粉粒發(fā)育結(jié)構(gòu)觀察中也存在類似問(wèn)題。因?qū)嶒?yàn)課時(shí)及實(shí)驗(yàn)條件的限制，目前學(xué)生在課堂上只能觀察2張切片，通常觀察不到完整的發(fā)育過(guò)程，有時(shí)就是2張切片也不典型；再如胚囊和胚的發(fā)育結(jié)構(gòu)觀察實(shí)驗(yàn)，胚囊的發(fā)育有6個(gè)時(shí)期，而胚的發(fā)育有7個(gè)時(shí)期，比較復(fù)雜，許多的發(fā)育時(shí)期因?yàn)槿〔牡仍蚝茈y在切片中看到，有時(shí)即使看到也因?yàn)榍忻嫖恢貌徽坏湫?，不利于這部分重要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握。同樣，受氣候，植物花期等客觀因素的影響，此類問(wèn)題，在植物分類方面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，更為突出。

1.2 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)包括如下幾部分功能：

(1) 滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的最終目標(biāo)不是為了虛擬而虛擬，而是讓學(xué)生通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)象更快速有效地學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理、掌握試驗(yàn)方法，訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)技能，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力[9]。

(2) 課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的拓展。課堂的實(shí)驗(yàn)教學(xué)畢竟有著時(shí)間、地點(diǎn)等多方面的客觀條件的限制，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)目的，是能夠建立交互性能良好的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并且能夠讓學(xué)生不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制對(duì)平臺(tái)內(nèi)各虛擬實(shí)驗(yàn)室中的設(shè)備及對(duì)象進(jìn)行操作，以達(dá)到課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

(3) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)限制條件的突破。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)重點(diǎn)，不僅僅局限于目前實(shí)驗(yàn)條件下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛擬。例如某些很經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)實(shí)例，因缺少實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)手段，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂上根本無(wú)法完成；對(duì)于此類經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，可以通過(guò)建立虛擬實(shí)驗(yàn)來(lái)完成，從而提高了實(shí)驗(yàn)效率，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本。

(4) 實(shí)驗(yàn)資源整合和共享。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)面向全校，充分考慮多種技術(shù)的融合，以實(shí)現(xiàn)全校虛擬實(shí)驗(yàn)資源的整合，并涵蓋主流的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和設(shè)備，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)環(huán)境的搭建，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)資源的整合與共享[10]。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

針對(duì)目前現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)手段,建設(shè)了植物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)主要通過(guò)B/S 架構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建，不依托于其它昂貴的外圍設(shè)備。該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的所有的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，均可以在客戶端的電腦上操作完成。本平臺(tái)所需的硬件設(shè)備，主要是一臺(tái)高性能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器及交換機(jī)、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

2.1 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)

本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)的技術(shù)平臺(tái)的不同，采用了兩種主流的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，B/S 架構(gòu)和B/C架構(gòu)，B/S 架構(gòu)是本系統(tǒng)的主要網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

以目前的技術(shù)看，基于校園網(wǎng)建立 B/S 結(jié)構(gòu)的虛擬實(shí)驗(yàn)室，并通過(guò)Internet/Intranet 模式下數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用，相對(duì)易于把握，成本也是較低的。它是一次性到位的開發(fā)，能實(shí)現(xiàn)不同的人員從不同的地點(diǎn)，以不同的接入方式訪問(wèn)和操作共同的數(shù)據(jù)庫(kù)；它能有效地保護(hù)數(shù)據(jù)平臺(tái)和管理訪問(wèn)權(quán)限，服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)也很安全。在信息安全方面，本平臺(tái)的絕大數(shù)功能只針對(duì)校園網(wǎng)用戶開放，且本平臺(tái)的大部分瀏覽器端的功能，都通過(guò)插件才能得以實(shí)現(xiàn)，安全性能相對(duì)較高[11]。

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的制作主要由多媒體資源制作與軟件編程兩部分組成。利用Visual Studio、Flash CS3、3D Max、Unity3d等工具構(gòu)建了基于ASP. NET的交互式站點(diǎn)平臺(tái)。網(wǎng)站服務(wù)器端軟件采用Windows Server 2008、IIS(Internet Information Service)、DotnetFramework4.0及SQ L Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù);服務(wù)器端硬件采用Dell PowerEdge R720服務(wù)器?？蛻舳丝梢酝ㄟ^(guò)瀏覽器高效、快捷地訪問(wèn)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2.2 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能架構(gòu)

為了彌補(bǔ)上述傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足，構(gòu)建了植物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(圖1)。平臺(tái)首次將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于植物組織結(jié)構(gòu)觀察和植物識(shí)別鑒定教學(xué)。根據(jù)教學(xué)的需要，自主獨(dú)立開發(fā)了校園植物電子地圖、農(nóng)田雜草識(shí)別系統(tǒng)和交互式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，以及主要植物的三維可視化模型，并完成了植物組織結(jié)構(gòu)觀察的虛擬顯微鏡觀察系統(tǒng)建設(shè)。使學(xué)生在虛擬環(huán)境中感受植物學(xué)實(shí)驗(yàn)的真實(shí)體驗(yàn)，學(xué)習(xí)植物學(xué)的基本技能。通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)的建立,將其應(yīng)用于植物學(xué)、生命科學(xué)導(dǎo)論等植物學(xué)相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)生在沒(méi)有顯微鏡、解剖鏡和觀察材料時(shí)也能自由觀察和實(shí)驗(yàn),不受時(shí)間和空間的限制,滿足學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)方式的需求,使得學(xué)習(xí)更加便捷有效，推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革與創(chuàng)新。

圖1 植物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)架

植物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要分4個(gè)功能模塊：虛擬顯微鏡系統(tǒng)功能模塊、植物識(shí)別系統(tǒng)功能模塊、植物學(xué)數(shù)字課程功能模塊、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)功能模塊。

2.2.1 虛擬顯微鏡系統(tǒng)功能模塊

我們使用Motic數(shù)字切片掃描系統(tǒng)，通過(guò)全自動(dòng)顯微鏡掃描平臺(tái)、專業(yè)的攝像頭、智能控制與掃描軟件系統(tǒng)，把玻璃切片進(jìn)行無(wú)縫拼接成整張數(shù)字化切片，在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，針對(duì)形態(tài)解剖學(xué)上的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，建立虛擬顯微鏡系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)了純數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的顯微實(shí)驗(yàn)教學(xué)[12]。

數(shù)字切片的使用不依賴于顯微鏡,而是利用相應(yīng)的圖像瀏覽軟件進(jìn)行觀察,用鼠標(biāo)操作可以選擇切片任意位置,可進(jìn)行任意倍率的放大或縮小,模擬顯微鏡觀察模式,不產(chǎn)生圖像信息失真。虛擬顯微鏡系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上，如同在顯微鏡下，可進(jìn)行不同倍率觀察，并在一定范圍內(nèi)((1～100)×)，實(shí)現(xiàn)倍率變化連續(xù)瀏覽切片，而且，通過(guò)計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)字切片存儲(chǔ)、管理、觀察、分析、討論等，相對(duì)傳統(tǒng)方式，可不受空間與時(shí)間限制，使用起來(lái)更方便、功能更強(qiáng)大、應(yīng)用更廣泛[13]。圖2所示為棉花葉切片。

圖2 虛擬顯微鏡下數(shù)字切片(棉花葉橫切)

2.2.2 植物識(shí)別系統(tǒng)功能模塊

植物識(shí)別系統(tǒng)功能模塊主要包括3個(gè)子系統(tǒng)：校園植物電子地圖、虛擬3D系統(tǒng)、雜草鑒定系統(tǒng)。

植物電子地圖是在傳統(tǒng)的電子地圖的基礎(chǔ)上，結(jié)合植物圖片庫(kù)的功能。學(xué)生可以通過(guò)對(duì)校園電子地圖的瀏覽，知道本區(qū)域的植物種類，并進(jìn)而通過(guò)植物圖片數(shù)字庫(kù)，了解植物的具體特征。學(xué)生可利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行在線瀏覽和學(xué)習(xí)，了解校園的常見植物。本植物電子地圖，收集了學(xué)校常見植物200多種，對(duì)于植物分類學(xué)的學(xué)習(xí)，是很好的輔助手段。進(jìn)入校園植物電子地圖，點(diǎn)擊選擇的區(qū)域，顯示常見植物的名稱和植株彩色圖片，目的是構(gòu)建該植物的原生境整體形象。展示根、莖、葉、花或果實(shí)等各部分的形態(tài)特征和局部特征，如葉片表面的毛、花的附屬物等，也是區(qū)分相似類群的重要依據(jù)。文字描述的內(nèi)容包括植物的中文名及拉丁學(xué)名、所屬的科和屬、花果期、分布、生境、功能等，達(dá)到認(rèn)識(shí)植物的目的。

虛擬3D系統(tǒng)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)X3D技術(shù)對(duì)植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D仿真，可以真實(shí)地再現(xiàn)植物的三維外觀形態(tài)特征(圖3)。通過(guò)3D瀏覽器可以全視角的對(duì)植物模型進(jìn)行觀察，使學(xué)生能夠立體的觀察植物的形態(tài)，便于植物分類內(nèi)容的學(xué)習(xí)。進(jìn)入該模塊虛擬3D系統(tǒng)，可以全視角觀察向日葵、波斯菊、蜀葵、紫玉蘭、山茶、油菜、百合、卡特蘭、桔梗等的3D模型，達(dá)到全面掌握雙子葉植物原始科——木蘭科，具有重要經(jīng)濟(jì)觀賞和藥用價(jià)值的錦葵科、山茶科、蘭科、桔?？埔约爸参锝缱钸M(jìn)化科——菊科的特征，為學(xué)好植物分類打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖3 虛擬3D模型植物瀏覽-蜀葵

雜草鑒定系統(tǒng)是對(duì)于要求查詢的農(nóng)田雜草等農(nóng)業(yè)植物2 000多種，全方位立體呈現(xiàn)植株形態(tài)、花部解剖、局部特征等內(nèi)容，將文字描述直觀化、形象化，完成理論知識(shí)向?qū)嵺`的過(guò)渡。進(jìn)入該模塊的雜草鑒定系統(tǒng)，可以按照植物中文名稱及拉丁學(xué)名、科屬分類系統(tǒng)或植物營(yíng)養(yǎng)器官或繁殖器官的特征進(jìn)行檢索。這些特征對(duì)于科、屬、種等不同分類階元的鑒別起著關(guān)鍵作用。通過(guò)檢索認(rèn)識(shí)農(nóng)田雜草的形態(tài)圖片和文字描述。

2.2.3 植物學(xué)數(shù)字課程模塊

本平臺(tái)融合了國(guó)內(nèi)首門正式應(yīng)用的數(shù)字課程——“植物學(xué)”網(wǎng)絡(luò)課程，并作為一個(gè)功能模塊在植物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上運(yùn)行。為了提高教學(xué)效果，拓展教育傳播方式，在植物學(xué)數(shù)字課程中引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，采用動(dòng)畫的形式制作了植物形成層的變化、植物細(xì)胞的有絲分裂、植物的雙受精等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)多媒體課件，并成功應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。植物學(xué)數(shù)字課程模塊具有強(qiáng)大的自主學(xué)習(xí)功能，功能板塊包括：課程導(dǎo)讀、課程精講、作業(yè)相關(guān)、自主測(cè)試、在線答疑、擴(kuò)展閱讀、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等。

進(jìn)入植物學(xué)數(shù)字課程模塊，學(xué)生通過(guò)點(diǎn)擊該網(wǎng)頁(yè)，在計(jì)算機(jī)上學(xué)習(xí)“植物學(xué)”，自己掌握學(xué)習(xí)速度，反復(fù)觀看，利于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、反饋信息，不受時(shí)間和空間的限制，比課堂教學(xué)具有更大的自由度和靈活性，學(xué)生的個(gè)性得到充分發(fā)揮。該系統(tǒng)有強(qiáng)大的自主更新功能，用于更新課程內(nèi)容素材。數(shù)字課程通過(guò)文字說(shuō)明(30余萬(wàn)字)、教師講解、原色圖片資料(6 200余幅)、視頻(95個(gè))、虛擬仿真動(dòng)畫(35個(gè))等多樣表現(xiàn)形式相結(jié)合進(jìn)行內(nèi)容展示。附件豐富，包括800余種重要植物、700多道的試題庫(kù)和150多道思考題、500多條名詞庫(kù)、342個(gè)植物網(wǎng)址網(wǎng)頁(yè)和80多篇參考資料庫(kù)、植物學(xué)實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)等[14]。

2.2.4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)功能模塊

交互式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是基于Flash平臺(tái)制作的，主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)步驟的可視化演示，并對(duì)關(guān)鍵步驟進(jìn)行交互式操作。學(xué)生通過(guò)此系統(tǒng)，可以了解實(shí)驗(yàn)原理和操作流程，是實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和技能訓(xùn)練的極好手段，同時(shí)也能夠掌握植物發(fā)育的全過(guò)程。進(jìn)入交互式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生通過(guò)點(diǎn)擊操作流程，完成臨時(shí)玻片的制作、數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的使用、植物莖的次生生長(zhǎng)、植物胚囊的發(fā)育過(guò)程、植物胚的發(fā)育過(guò)程等，以及完成一些在實(shí)體實(shí)驗(yàn)中無(wú)法完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的特色及應(yīng)用效果

基于計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將植物學(xué)的形態(tài)解剖和分類學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，通過(guò)軟件運(yùn)行于純硬件組成的網(wǎng)絡(luò)多媒體教學(xué)系統(tǒng)之上，保證了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方式的特色，既貫穿于虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全過(guò)程，又落實(shí)到了每步具體操作中。目前，將虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合,進(jìn)一步提高了植物實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,促進(jìn)了植物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和考試模式的改革，學(xué)生平時(shí)在個(gè)人電腦或教學(xué)網(wǎng)站上,在沒(méi)有顯微鏡、解剖鏡和觀察材料時(shí)也能自由觀察和實(shí)驗(yàn),不受實(shí)驗(yàn)時(shí)間和空間的限制,滿足學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)方式的需求,使得學(xué)習(xí)更加便利有效。同時(shí)，對(duì)抽象的難以掌握的重要操作過(guò)程，如顯微互動(dòng)數(shù)碼系統(tǒng)、手工切片制作方法以及移液管的使用等，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)加以強(qiáng)化。仿真實(shí)驗(yàn)可以提供形象直觀、內(nèi)容豐富的學(xué)習(xí)環(huán)境,圖文并茂、動(dòng)靜結(jié)合、節(jié)奏有序的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,并以聲音、圖像等豐富的表現(xiàn)力幫助學(xué)生進(jìn)行多感官的學(xué)習(xí),這樣無(wú)疑會(huì)增加學(xué)生的興趣,調(diào)動(dòng)他們學(xué)習(xí)的積極性,促進(jìn)學(xué)生對(duì)上述儀器的熟悉和實(shí)驗(yàn)過(guò)程的理解。經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的練習(xí),操作起來(lái)既輕松又胸有成竹,從而提高教學(xué)效率。同時(shí),降低了損壞率。

(1) 提高了顯微觀察植物學(xué)結(jié)構(gòu)的能力。植物學(xué)的學(xué)習(xí)中有大量的形態(tài)結(jié)構(gòu)觀察，需要使用顯微鏡，因此只能在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，不利于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，不能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，部分考核項(xiàng)目主觀性強(qiáng)，不利于對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力的客觀評(píng)價(jià)，教學(xué)效果和質(zhì)量有限。植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)隨著季節(jié)生長(zhǎng)而發(fā)生變化，如莖的次生生長(zhǎng)、果實(shí)和種子的形成過(guò)程，實(shí)體實(shí)驗(yàn)僅為靜態(tài)圖片觀察，一張切片中很難觀察變化的立體形態(tài)。學(xué)生從中學(xué)到大學(xué)，沒(méi)有實(shí)踐基礎(chǔ)，頭腦中沒(méi)有立體概念，很難掌握。通過(guò)虛擬顯微鏡觀察數(shù)字切片，改變了傳統(tǒng)教學(xué)模式，不受空間與時(shí)間限制，為老師教學(xué)管理、學(xué)生學(xué)習(xí)、考試等，提供了條件，大大提高了學(xué)習(xí)效果。

(2) 提高了對(duì)農(nóng)業(yè)植物學(xué)資源的實(shí)踐能力。在植物物種資源的分類與鑒定實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于植物種類多、分布廣泛，并隨一年四季變化，即使是可以實(shí)地采集的植物，也不容易同時(shí)采集到具有根莖葉花果種子的完整的植株，導(dǎo)致觀察材料來(lái)源不足，影響整體識(shí)別植物能力的提高，使分類的學(xué)習(xí)十分困難，這已成為農(nóng)業(yè)植物學(xué)教學(xué)和野外實(shí)習(xí)中共同關(guān)注的問(wèn)題。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)借助三維技術(shù)，讓學(xué)生跨越時(shí)空，身臨其境地漫游于虛擬自然環(huán)境中，全方位觀察植物的立體形態(tài)、鑒別特征及其生長(zhǎng)環(huán)境，有效提高鑒別技能。對(duì)于珍稀植物，由于標(biāo)本不易獲得，以往教學(xué)過(guò)程中只能帶學(xué)生去標(biāo)本館參觀，借以觀察外形，基本不能滿足學(xué)生親自動(dòng)手，觀察內(nèi)部構(gòu)造的需要。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)其深入觀察和學(xué)習(xí)。

4 結(jié) 語(yǔ)

植物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立，不僅能滿足植物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，還能兼顧到相關(guān)專業(yè)的使用，有著較好的通用性和較大的覆蓋面。如虛擬顯微鏡系統(tǒng)，不僅應(yīng)用于植物學(xué)形態(tài)解剖學(xué)，還可以應(yīng)用于微生物學(xué)，動(dòng)物學(xué)等專業(yè)的切片觀察。植物電子地圖，不僅應(yīng)用與植物分類學(xué)的授課，還給園林專業(yè)提供了很好教學(xué)輔助。植物3D仿真模型還被引入了課堂的理論教學(xué)之中，使理論教學(xué)的教學(xué)效果突出。

在植物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，把虛擬與真實(shí)實(shí)驗(yàn)有機(jī)地整合起來(lái)，延伸課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)，拓展實(shí)驗(yàn)空間，延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間，為進(jìn)行研究性實(shí)驗(yàn)提供更靈活、更便利的條件。但虛擬實(shí)驗(yàn)軟件也有局限性，在學(xué)習(xí)中要針對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇合適的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，了解虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的優(yōu)勢(shì)和不足，以便科學(xué)地利用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件得到真實(shí)、可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)開展小組探究式學(xué)習(xí)，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系，強(qiáng)化了虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的整合，有效地促進(jìn)了研究性實(shí)驗(yàn)的開發(fā)和開展，顯著地提高了學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)[15-16]。

在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建成后的半年時(shí)間里，點(diǎn)擊率已經(jīng)突破8萬(wàn)人次，輻射面也涉及了全校的與植物學(xué)有關(guān)的專業(yè)。以本項(xiàng)目成果作為主要內(nèi)容的生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，獲得了2013年江蘇省高等學(xué)校優(yōu)秀多媒體教學(xué)課件(一類)，農(nóng)業(yè)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心也在2014年入選了首批國(guó)家級(jí)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)示范中心。

[1] 李孫文,趙昶靈,劉 勇,等.農(nóng)業(yè)院校植物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的思考與實(shí)踐[J]. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 2(4): 69-74.

[2] 李 諾.植物學(xué)實(shí)驗(yàn)本科教學(xué)改革的探討[J].福建高教研究,2005(6):77-78.

[3] 陳鳳娥,吳 珍,祝社民,等.植物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題及其解決對(duì)策[J]. 商洛學(xué)院學(xué)報(bào), 2009, 23(4): 66-69.

[4] 楊小紅,蔣 猛.植物學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及持續(xù)發(fā)展對(duì)策探討[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2003, 22(3): 126-128.

[5] 李紅俠.植物學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)改革的初步探討[J]. 宿州師專學(xué)報(bào), 2003, 18(3): 114,138.

[6] 張亞冰,喬 琦,侯小改.植物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題及改革措施[J]. 高教論壇, 2009(2): 90-91.

[7] 杜一寧.虛擬實(shí)驗(yàn)的研究現(xiàn)狀以及在教學(xué)中的意義[J]. 浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2010,29(4): 390-393.

[8] 孫燕蓮,韓 巍,文福安.構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2005,22(7): 68-71.

[9] 梁俊斌,蔣 嬋. 利用虛擬實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)獨(dú)立學(xué)院學(xué)生創(chuàng)新思維的研究[J]. 廣西教育,2011(4): 27-28

[10] 楊英慧,周振軍,張君維.基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用分析[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2005,22(9):68-70.

[11] 萬(wàn)桂怡,崔建軍,張振果. 高校虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)及實(shí)踐[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011，33(3): 386-389.

[12] 葉翠芳,李 和,楊世明.數(shù)字切片在形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].山西醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào),2008,10(4):497-499.

[13] 崔 瑾,林國(guó)慶,王慶亞,等.植物數(shù)字切片的制作及應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2011,28(2):28-31.

[14] 張 煒,崔 瑾,成 丹.農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)[J].高校生物學(xué)教學(xué)研究,2015,5(1):51-56.

[15] 曾漢華,周敬宣,胡平放,等.環(huán)境教學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)規(guī)劃與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2005,22(2):88-91.

[16] 李 平,毛昌杰,徐進(jìn).開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)，提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化水平[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013,32(11):5-8.

·名人名言·

在科學(xué)上沒(méi)有平坦的大道，只有不畏勞苦沿著其崎嶇之路攀登的人，才有希望達(dá)到它光輝的頂點(diǎn)。

——馬克思

Construction and Application of Botany Virtual Experiment Platform

CHENGDana,CUIJina,WANGQing-yab,LIULin-lia,QIANMenga,SHENZhen-guob

(a.National Experimental Teaching Center for Virtual Simulation of Agrobiology;b.School of Life Science, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

Virtual experiment platform for botany combines four functional blocks which are virtual microscope system, plant identification systems, botanical digital courses and interactive virtual experiment, and integrates two groups of experimental teaching resources about plant Taxa and plant anatomy systematically. Through the virtual platform, the virtual simulation teaching resources are first applied to the experiment teaching for the observation of plant structure and identification of plant classification. Each teaching resource is independent and can run through the whole process of botany experiment technology. According to the requirements virtual experiments can be flexible combined to meet the students' personalized learning needs. Through the application of the platform, not only the capacity of teaching information is expanded, teaching efficiency is improved, but also the management and use of teaching resources is improved. It promotes the reform and innovation of botany experiment teaching mode. This article from the actual application of the botany experimental teaching, discusses the idea of constructing virtual experiment platform, implementation model and application effect.

virtual experiment platform; botany; virtual simulation; experimental teaching

2015-10-26

國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金(J1310015)

成 丹(1982-)，男，江蘇南通人，博士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用，虛擬仿真。

Tel.:15005181540; E-mail:softcheng@njau.edu.cn

崔 瑾(1974-)，女，江蘇鎮(zhèn)江人，博士，教授，研究方向:植物學(xué)。Tel.:025-84396484;E-mail:cuijin@njau.edu.cn

Q 94-33

A

1006-7167(2016)02-0062-05