張 彪, 潘志明, 魏萬紅, 黃金林, 杜 坤

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

揚(yáng)州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心是國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心和國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,自1999年起對(duì)生物玻片標(biāo)本與實(shí)體標(biāo)本進(jìn)行數(shù)字化和虛擬仿真資源建設(shè)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心始終堅(jiān)持以實(shí)用資源建設(shè)為導(dǎo)向,聚焦科學(xué)技術(shù)的發(fā)展并改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè),關(guān)注生物學(xué)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展并更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,注重信息技術(shù)與生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合與應(yīng)用,提出了“積為教用、虛為實(shí)用、虛實(shí)互補(bǔ)、提升實(shí)效”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)與應(yīng)用思路,積累了一批數(shù)字切片、虛擬標(biāo)本、微(課)視頻、2D/3D場景動(dòng)畫等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。這些資源既為MOOC、微課、翻轉(zhuǎn)課堂等新形態(tài)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了素材,也為在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下構(gòu)建與教學(xué)內(nèi)容相符的個(gè)性化實(shí)驗(yàn)教學(xué)運(yùn)行模式(例如在“植物物種鑒別”實(shí)驗(yàn)中采用的“學(xué)中游、游中學(xué)”教學(xué)模式)提供了支撐與保障。

1 植物物種鑒別實(shí)驗(yàn)虛擬仿真資源建設(shè)的必要性

“植物物種鑒別”實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有直觀性、開放性、綜合性、創(chuàng)造性特征[1]。由于其核心教學(xué)要素——供試植物標(biāo)本受季節(jié)、地域、植物器官生長的漸次性和周期性等多因素的限制,在選擇時(shí)既豐富、有時(shí)又缺乏,既方便獲取、又潛在安全風(fēng)險(xiǎn),而物種鑒別工具書(如《植物志》等)在野外實(shí)習(xí)中雖方便鑒別、但不便攜帶。

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展,采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象等虛擬仿真資源[2-4],不但低風(fēng)險(xiǎn)、低成本、使用及維護(hù)方便,還能夠依托網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不能、不易或不能完全開展的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[5]。為此,我們應(yīng)用Unity3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、顯微-數(shù)碼成像技術(shù)、電子地圖技術(shù)，構(gòu)建了植物生長環(huán)境與標(biāo)本采集3D虛擬桌面式場景及3D動(dòng)畫、不同物種全生育期典型形態(tài)結(jié)構(gòu)組成特征2D虛擬標(biāo)本、電子檢索表等虛擬仿真資源,并借助數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬仿真資源在“植物物種鑒別”實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的應(yīng)用。

虛擬仿真資源的建設(shè)降低了在野外特殊地理環(huán)境下學(xué)生采集標(biāo)本的潛在安全風(fēng)險(xiǎn),克服了紙質(zhì)工具書攜帶不便的問題,解決了1次定時(shí)定點(diǎn)實(shí)驗(yàn)不能完整采集標(biāo)本的問題[6],建立起系統(tǒng)學(xué)習(xí)(基于實(shí)驗(yàn)室課堂)和碎片式學(xué)習(xí)(基于網(wǎng)絡(luò)和植物生長場所)虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式[7-8],拓展“植物物種鑒別”實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)空、創(chuàng)建有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)情境[9]。

2 植物物種鑒別實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建

2.1 平臺(tái)的基本架構(gòu)

要使植物物種鑒別實(shí)驗(yàn)虛擬仿真資源在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下得到有效應(yīng)用,并彌補(bǔ)單一實(shí)體實(shí)驗(yàn)存在的不足,首要問題是虛擬仿真資源在網(wǎng)絡(luò)空間的存儲(chǔ)、輸出、應(yīng)用、管理與安全性。為此,首先將植物物種鑒別實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)平臺(tái)的基本架構(gòu)設(shè)計(jì)為權(quán)限不等的3個(gè)功能區(qū),即學(xué)生功能區(qū)、教師功能區(qū)和管理員功能區(qū)[10]；再在每個(gè)功能區(qū)下設(shè)計(jì)若干執(zhí)行某一特定任務(wù)的工作模塊,并在工作模塊中加載相關(guān)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源數(shù)據(jù),最終實(shí)現(xiàn)該平臺(tái)在PC、平板電腦、智能手機(jī)等網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備上的順暢運(yùn)行。平臺(tái)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 植物物種鑒別實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)平臺(tái)的基本架構(gòu)

2.2 平臺(tái)中的資源類型

植物物種鑒別實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)平臺(tái)上的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源包括兩部分：(1)植物標(biāo)本野外觀察與采集3D虛擬桌面式場景動(dòng)畫；(2)植物標(biāo)本解剖、描述與鑒別圖文數(shù)據(jù)庫。

(1) 3D虛擬桌面式場景動(dòng)畫。采用Unity3D、Maya等軟件工具,將野外生境、植物的自然分布、不同類型植物(草本、喬木、灌木、水生等)標(biāo)本的采集與解剖方法制作成3D虛擬桌面式場景及3D動(dòng)畫(見圖2)。利用該資源,用戶可在線實(shí)現(xiàn)對(duì)野外植物標(biāo)本觀察與采集的虛擬仿真訓(xùn)練。

圖2 植物標(biāo)本野外觀察與采集3D虛擬桌面式場景動(dòng)畫示例

(2) 圖文數(shù)據(jù)庫。采用顯微-數(shù)碼、電子地圖、Microsoft SQL等軟件工具,構(gòu)建植物器官名詞術(shù)語、解剖描述、各類解剖圖譜、檢索表等圖文數(shù)據(jù)庫,并通過JavaScript語言實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)所采集植物標(biāo)本的在線比對(duì)、解剖、鑒別,以及對(duì)植物生活史特征和應(yīng)用價(jià)值的了解(見圖3)。

圖3 植物標(biāo)本解剖、描述與鑒別圖文數(shù)據(jù)庫示例

2.3 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的功能

用戶可利用PC、平板電腦、智能手機(jī)等網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備,通過Web或微信入口進(jìn)行身份認(rèn)證后登錄平臺(tái)相應(yīng)的功能區(qū)。

用戶通過植物物種鑒別實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)平臺(tái)訪問其中的3D虛擬桌面式場景動(dòng)畫,既可學(xué)習(xí)不同地理環(huán)境下的植物野外調(diào)查與標(biāo)本采集方法,還可鳥瞰和360°觀察高大植物體,更能降低在特定環(huán)境下采集標(biāo)本的潛在風(fēng)險(xiǎn)。訪問圖文數(shù)據(jù)庫,即可在線完成對(duì)描述植物形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的名稱術(shù)語的觀摩學(xué)習(xí)、在線完成虛擬標(biāo)本解剖描述和檢索鑒別規(guī)范化操作流程的仿真學(xué)習(xí)、在線檢索實(shí)體植物標(biāo)本、在線撰寫植物物種鑒別報(bào)告并提交報(bào)告、在線查看教師對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的批改結(jié)果。平臺(tái)支持師生和生生在線交流討論,具有實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)據(jù)在線存檔與管理等功能。

3 虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)運(yùn)行模式的構(gòu)建

通過植物物種鑒別實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)平臺(tái)中3D場景式動(dòng)畫、植物名詞術(shù)語、解剖描述、物種介紹圖文數(shù)據(jù)庫以及植物檢索文本數(shù)據(jù)庫等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的在線應(yīng)用,以野外實(shí)習(xí)地、校園、田園、公園為植物鑒別實(shí)驗(yàn)場所,以智能手機(jī)、PC等網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備為載體,以虛實(shí)結(jié)合的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn),不僅確保了“植物物種鑒別”的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)確定—實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目準(zhǔn)備—實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施—實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫與提交—實(shí)驗(yàn)結(jié)果交流討論—實(shí)驗(yàn)報(bào)告的評(píng)閱與審批等實(shí)驗(yàn)全過程的連續(xù)性,而且可以按照教學(xué)計(jì)劃定時(shí)、定點(diǎn)地實(shí)施(實(shí)施流程見圖4)。

圖4 植物物種檢索鑒別實(shí)驗(yàn)“虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)實(shí)施流程

植物物種鑒別實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)平臺(tái)較好地解決了植物生長的季節(jié)性、地域性以及器官形成的漸次性對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的影響,從而保證“植物分類學(xué)實(shí)驗(yàn)”“植物學(xué)野外教學(xué)實(shí)習(xí)”等課程能夠隨時(shí)得到實(shí)驗(yàn)供試材料,可以定時(shí)、定點(diǎn)地安排課程實(shí)驗(yàn),降低了實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)教學(xué)成本,拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)空,形成了“游中學(xué)、學(xué)中游”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式,提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

4 虛擬仿真資源建設(shè)的成效

4.1 提升了教師的虛擬仿真資源制作水平

在現(xiàn)有的植物物種鑒別實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)平臺(tái)中,虛擬仿真資源主要包括3D場景式動(dòng)畫1套；供學(xué)生在線解剖、描述、檢索、鑒別用的虛擬物種50余種；供學(xué)生在線觀摩、比對(duì)學(xué)習(xí)用的虛擬標(biāo)本1 000余套；供學(xué)生在線檢索鑒別用檢索表4套(包含蕨類植物、裸子植物、被子植物分科檢索表以及被子植物部分屬、種檢索表)；微(課)視頻5部。其中“植物物種野外觀察與標(biāo)本采集虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”獲國家版權(quán)局頒發(fā)的計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)證書；“花的解剖與花程式的書寫”在2016年全國高校生命科學(xué)類微課競賽中獲二等獎(jiǎng)；植物物種鑒別實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)平臺(tái)獲2016年高等學(xué)校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)成果二等獎(jiǎng)。

4.2 提高了學(xué)生對(duì)植物物種鑒別實(shí)驗(yàn)的興趣

學(xué)生可以通過PC和平板電腦、智能手機(jī)等移動(dòng)終端設(shè)備訪問在線教學(xué)平臺(tái),在欣賞自然界美景時(shí)完成對(duì)植物物種的檢索和鑒別。這種教學(xué)方式既拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)空,又提升了學(xué)生對(duì)物種檢索鑒別實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣；不但實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合,還為構(gòu)建“游中學(xué)、學(xué)中游”的教學(xué)模式提供了載體與支撐。當(dāng)學(xué)生能夠在校園、田園、公園為朋友、家人講出各種植物的名稱、特性和用途時(shí),也會(huì)充滿自信心和成就感。

4.3 增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力

通過植物物種鑒別實(shí)驗(yàn)虛擬仿真資源的構(gòu)建,通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)(基于實(shí)驗(yàn)室課堂)與碎片式學(xué)習(xí)(基于網(wǎng)絡(luò)和植物生長場所)虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的應(yīng)用,既實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境的融合,又提升了學(xué)生的觀察能力、動(dòng)手能力、創(chuàng)新實(shí)踐能力和深度思考問題的能力[11]。我院學(xué)生連續(xù)9屆在全國大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”競賽中獲獎(jiǎng)。

5 結(jié)語

植物物種鑒別實(shí)驗(yàn)虛擬仿真資源及“游中學(xué)、學(xué)中游”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的構(gòu)建,既順應(yīng)了“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下人們獲取知識(shí)途徑的變化,又規(guī)避了定時(shí)、定點(diǎn)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的弊端,可以完整地獲取植物標(biāo)本并一次完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的全部內(nèi)容。

盡管已在平臺(tái)中加載了1 000余份虛擬植物標(biāo)本,能夠基本滿足全校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求,但因植物種類繁多以及植物各器官易受地域、季節(jié)、環(huán)境變化等因素的影響,仍需通過“虛擬標(biāo)本”的構(gòu)建與積累,進(jìn)一步豐富平臺(tái)中的虛擬仿真資源,實(shí)現(xiàn)其在更大范圍內(nèi)的應(yīng)用與共享。