邵美妮　曲波　苗青　潘飛　崔娜

摘? 要：植物學分類實習是《植物學》課程實踐教學的重要組成部分，也是教學實施中的難點。為了解決傳統(tǒng)的植物學分類實習弊端，通過虛擬現(xiàn)實技術，以沈陽農(nóng)業(yè)大學校園植物為素材，將校園內(nèi)主要場景進行720°全景拍攝，每個場景以圖文并茂的形式對典型植物形態(tài)特征和應用進行了詳細的描述，并配有語音講解。學習過程生動直觀，虛擬實景，真實感受，使學生隨時隨地在熟悉的生活環(huán)境中完成學習，增強了學習主動性和積極性;系統(tǒng)同時也滿足附屬中小學、廣大植物愛好者對植物的鑒別，有較強的實用性和推廣價值。

關鍵詞：虛擬實景;植物學;分類實習;教學系統(tǒng)

中圖分類號：G640? ? ? ?文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2020）23-0046-04

Abstract： The classification practice of botany is an important part of the practical teaching of botany， and it is also a difficult point in the implementation of teaching. In order to solve the disadvantages of traditional practice of botany classification， 720° panoramic photography of the main scenes in the campus of Shenyang Agricultural University is carried out， through virtual reality technology， each scene is illustrated in the form of pictures and texts to describe the morphological characteristics and application of typical plants in detail， with voice explanation. The learning process is vivid and intuitive. The virtual reality and real feeling enables students to complete learning in a familiar living environment anytime and anywhere， and enhances their initiative and enthusiasm in learning. The system also meets the needs of affiliated primary and secondary schools and the majority of plant lovers to identify plants， with strong practicality and promotion value.

Keywords： virtual reality; botany; classified practice; teaching system

一、系統(tǒng)開發(fā)的必要性

沈陽農(nóng)業(yè)大學于1952年建校之初即開設植物學課程，每年有24個專業(yè)、超過1500名學生選課，是農(nóng)學、園藝、植保、生物科學等專業(yè)的基礎課程。植物學分類實習是《植物學》課程實踐教學的重要組成部分，也是教學實施中的難點。隨著生物科學領域的迅猛發(fā)展，植物學的教學受到很大影響，學時不斷的減少，實習時間也越來越短。傳統(tǒng)的植物學分類實習，以班級為單位，只配備一名專業(yè)教師，教師少學生多，實習效果較差。同時植物生長受季節(jié)的影響比較大，如果碰到惡劣天氣，不能保證實習進度和學生的安全，使學生的學習只能停滯于課堂教學，影響實習效果。還有最突出的問題就是師資力量薄弱，經(jīng)驗豐富的一線教師嚴重不足，難以保證實習的教學質(zhì)量。而這些問題不是短時間能夠解決的。

因此課程組在教學過程中，深入分析大學生學習現(xiàn)狀，結(jié)合“植物學分類實習”的特點，自主開發(fā)基于虛擬實景的植物學分類實習教學系統(tǒng)。充分發(fā)揮校園植物優(yōu)勢，應用現(xiàn)代信息技術，改進實習教學方法，豐富教學手段，調(diào)動學生積極性、讓學生獨立自主學習成為了提高植物學分類實習教學效果的重要途徑，真正體現(xiàn)實習這一教學環(huán)節(jié)的重要作用。

二、系統(tǒng)設計思路

基于虛擬實景的植物學分類實習教學系統(tǒng)的開發(fā)遵循“技術設計為教學設計服務”的原則，本著“以學生。為本”的教育理念，設計思路是通過對校園場景的720°瀏覽，創(chuàng)造一種沉浸式虛擬學習環(huán)境，吸引學生自發(fā)性學習，達到寓教于樂的目的，使學生隨時隨地在熟悉的生活環(huán)境中完成學習，給學生真實的體驗，同時與這個逼真的環(huán)境進行交互，從而達到快速學習的目的，實現(xiàn)虛擬教學。

本系統(tǒng)設置學習模式、考試模式和校園植物網(wǎng)互動平臺三種模式。

學習模式利用學生熟悉的校園，按照校園植物的分布特點，設置實習路線。對葉之帆、復旦園、克威園等33個主要場景，進行720°全景瀏覽，每個場景包含了4-8種植物的介紹，以圖文并茂的形式對植物形態(tài)特征和應用進行了詳細的描述，每張圖片均為課程組教師原創(chuàng)拍攝，并配有主講教師的語音講解，學生可以通過點擊“腳印”標識或者“下一個場景”功能按鈕，即可完成既定路線的學習。也可以通過地理位置導航實現(xiàn)場景的隨機切換，導航路徑可選，方便實用。

考試模式依托中國大學植物網(wǎng)聯(lián)盟平臺，進入沈陽農(nóng)業(yè)大學校園植物測一測，隨機選擇20種植物進行測試，可以反復練習。本校植物學課程選課的學生可以進入校園易而思平臺考試系統(tǒng)（只有本校學生參與的考試），隨機選擇知識點，對根、莖、葉、花、果實等特征進行測試，滿分40分，若低于20分，重新開始實驗并測試。同時提交實習報告。

校園植物網(wǎng)互動平臺登錄即可開展主題討論、發(fā)送推文、上傳照片和視頻等，平臺內(nèi)包括校園植物400余種，每種植物配有二維碼，方便熱愛植物學的學生進一步拓展學習。

三、系統(tǒng)的構(gòu)建步驟

（一）虛擬全景的拍攝

系統(tǒng)設置“葉之帆”、“復旦園”、“克威園”、“圖書館”等30余個典型觀察場景的全景VR，涵蓋整個校園的教學區(qū)域。

（二）植物種類及特征數(shù)據(jù)庫

系統(tǒng)包含了26科，150余種植物，主要為校園木本植物，每一種植物包括種名、屬名和科名，形態(tài)特征，應用等部分，并配有二維碼，物種信息完整，尤其對校園分布做了具體描述，建立植物種類及特征描述數(shù)據(jù)庫，教學內(nèi)容資源豐富。

（三）原創(chuàng)拍攝圖庫和物種語音庫

建立圖片庫，圖片庫內(nèi)每一種植物如暴馬丁香、天女木蘭、山皂莢、珍珠繡線菊等，包含植物全株、樹干、葉、花或花序、果實、種子等典型特征圖片。所有圖片均為課程組教師原創(chuàng)拍攝，累計2000余幅。

每個物種配有專業(yè)教師的語音講解，建立語音庫。

（四）虛擬實驗預設參數(shù)

根據(jù)學習者預設“學習模式（包括電腦端和手機端）”、“考試模式”、“校園植物網(wǎng)互動平臺”三種模式。

（五）軟硬件支持

軟件部分：基于虛擬實景的植物學分類實習教學系統(tǒng)軟件、沈陽農(nóng)業(yè)大學慕課平臺、校園植物網(wǎng)互動平臺。

硬件部分：電腦、Ipad或手機。

四、系統(tǒng)使用方法與實施過程

（一）系統(tǒng)使用方法

第一步，打開瀏覽器，輸入網(wǎng)址，進入虛擬實景的植物學分類實習教學系統(tǒng)。

第二步，系統(tǒng)主界面有三種模式可供選擇：學習模式、考試模式和校園植物網(wǎng)互動平臺。

第三步，首先選擇學習模式進行校園植物的認知學習，方法如下：點擊“進入地面”標識，切換到第一個場景，包含“正常視角”和“小行星視角”?？煞糯?、縮小、滑動鼠標實現(xiàn)720°全景瀏覽。系統(tǒng)用“閃光標識”標記典型植物，點擊標識可以彈出植物的圖文介紹。觀察植物的根、莖、葉、花、果實、種子器官的形態(tài)圖片，并聽語音講解。

第四步，系統(tǒng)設置2種方式實現(xiàn)既定路線的場景切換，分別為點擊“腳印”標識和點擊“下一個場景”功能按鈕。同時系統(tǒng)設置2種方式實現(xiàn)場景隨機切換，分別為點擊左下角的“場景切換圖片”和右下角的“地理位置導航”。導航路徑可選，方便實用。

第五步，學生通過自主學習后，可以在考試模式中進行典型科、屬、種的反復練習，最后選課的同學進行線上考試環(huán)節(jié)。進入植物學慕課網(wǎng)，對所見到的植物進行識別科屬、形態(tài)特征及應用方面的測試。

第六步，點擊考試模式，進入沈陽農(nóng)業(yè)大學校園植物測一測。本測試系統(tǒng)依托中國大學植物網(wǎng)聯(lián)盟平臺，考試范圍為沈陽農(nóng)業(yè)大學校園植物圖庫，科名答對+1分，屬名答對+3分，種名答對+5分，答錯不扣分，跳過不得分。共計答題20道。答題次數(shù)不限，可反復練習。

第七步，僅對校內(nèi)選課學生。進入沈陽農(nóng)業(yè)大學慕課網(wǎng)，進入植物學易而思平臺，點擊在線測試，采取隨機選擇知識點的方式進行，每個知識點包括代表植物的根、莖、葉、花、果實、種子器官的形態(tài)描述和應用價值，主要以選擇題的形式出現(xiàn)。

以銀杏為例：

1.銀杏屬于（）。A.裸子植物? B.被子植物

2.銀杏是（）。A.木本植物? B.草本植物

3.銀杏的葉屬于（）。A.單葉? B.復葉

4.銀杏的葉脈屬于（）。A.網(wǎng)狀脈? B.平行脈? C.叉狀脈

5.銀杏屬于（）。A.磁性異株? B.雌雄同株

6.銀杏的雄花序為（）。A.柔荑花序? B.穗狀花序

7.銀杏“果”有（）包被。A.種皮? B.果皮

8.銀杏屬于第四紀冰川遺留下來的物種（）。A.對? B.錯

9.銀杏為環(huán)境指示植物，主要吸收大氣中（）。A.S硫B.P磷C.N氮

10.作為行道樹，銀杏常使用（）。A.雌株? B.雄株

11.銀杏為單科單屬單種（）。A.對? B.錯

第八步，對于實習中的體會和問題，可以通過校園植物網(wǎng)的互動平臺，與老師分享和探討。學生需要提交實習報告和心得體會。

（二）實施過程

由于課時縮減，植物學課程在分類學模塊的學習只有課堂講授6學時，實踐4學時，遠遠滿足不了對植物種類識別的學習。因而植物學分學實習的虛擬實景教學系統(tǒng)主要采用先虛后實、虛實結(jié)合的方式實施，讓學生進行自主式學習和探究式學習。

自主式學習是學生能力提高、創(chuàng)新精神培養(yǎng)、學習興趣激發(fā)的重要途徑。虛擬教學的網(wǎng)絡化能夠使學生脫離教師和教室，教學知識點通過圖像、語音、文字、測試、討論等手段推送給學生，有利于學生自主學習的開展。

五、系統(tǒng)特色與創(chuàng)新

（一）系統(tǒng)特色

1. 虛擬實景，真實感受

通過虛擬現(xiàn)實技術，以虛擬的方式識別校園內(nèi)常見木本植物，掌握主要形態(tài)特征及應用。學生能夠靈活自主選擇學習時間、地點，學習過程生動直觀，提高學生學習興趣。

2. 虛實結(jié)合，加強實習效果

沈陽農(nóng)業(yè)大學是一所森林型校園，植物資源豐富，本系統(tǒng)內(nèi)設30余個觀測位點，涵蓋整個教學區(qū)域，方便學生隨時隨地學習，有助于培養(yǎng)學生自主學習的能力。

3. 網(wǎng)絡平臺互動，實現(xiàn)資源共享

系統(tǒng)添加沈陽農(nóng)業(yè)大學校園植物網(wǎng)模塊，增強了互動效果。系統(tǒng)運行過程中，經(jīng)過多所高校和中小學使用，效果良好，具有很強的推廣性，還可以用于植物愛好者科普使用，適用性廣泛。

（二）系統(tǒng)創(chuàng)新

1. 教學方法創(chuàng)新

打破傳統(tǒng)的植物學分類實習教學的單一模式，將現(xiàn)代信息技術與實踐教學結(jié)合起來，以學生為中心，線上線下、虛實結(jié)合。

實習時，通過虛擬現(xiàn)實場景中主要植物的形態(tài)特征描述、各部位圖片、語音講解等，結(jié)合實習地場景的實景展示，讓學生有身臨其境的真實感受。同時通過慕課互動平臺，相關的測試題可以幫助學生加深對知識點的理解，教師也可以在線解答學生在實習中遇到的問題。這種不受時間、地點限制的虛擬實景實習模式，不僅激發(fā)學生的學習興趣，而且提高了學生的自主學習能力，學習效果明顯。

在開發(fā)虛擬實景的同時，課程組對校園內(nèi)的所有木本植物進行了身份識別，懸掛樹木銘牌，并配有二維碼，物種信息完整，尤其對校園分布做了具體描述，實現(xiàn)了植物學分類教學的虛實結(jié)合，充分體現(xiàn)現(xiàn)實-虛擬-現(xiàn)實資源互補的獨特優(yōu)勢，拓展國內(nèi)植物學分類實習的新思路。

2. 評價體系創(chuàng)新

本系統(tǒng)注重過程評價。基于虛擬實景的植物學分類實習教學系統(tǒng)是一個植物學綜合知識的訓練項目，要求學生要掌握實習地常見植物、常見科的識別特征和應用等，因此評價體系主要體現(xiàn)對以上知識的考察。成績分為2部分，植物的辨識及特征描述占70%，以線上考試環(huán)節(jié)生成的成績（占40%）和實習報告（名錄+心得體會占30%）提交的形式;其次采取主要植物或部分枝條，判斷該植物所屬的科及主要特征（考察），占30%，老師當場評判。加強過程引導，促進學生學習的主動性和學習效果。

（三）對傳統(tǒng)教學的延伸與拓展

傳統(tǒng)的植物學實習是學生采集標本，應用工具書檢索，識別植物，這種實習方式不利于調(diào)動學生的積極性，而且由于受到時間、季節(jié)等制約，對植物各部位形態(tài)特征不能一次全看到，這些現(xiàn)狀無法保證學生掌握全部知識點，嚴重限制學生自主學習的熱情。

此外，由于學生大量采集植物標本，在一定程度上造成實習地植被和生態(tài)環(huán)境的破壞，不利學生生態(tài)文明素養(yǎng)的培養(yǎng)。

隨著現(xiàn)代信息技術的發(fā)展和在教學中的有效運用，本系統(tǒng)以校園植物為素材，依托校園全景技術，開創(chuàng)了植物學分類實習教學的新模式，克服了傳統(tǒng)教學中的多種制約因素，是對傳統(tǒng)植物分類學實踐教學的補充和完善，順應現(xiàn)代教學的發(fā)展要求，得到了創(chuàng)新發(fā)展和提升。

六、系統(tǒng)的應用效果

（一）應用范圍廣

本虛擬系統(tǒng)實現(xiàn)了虛擬與現(xiàn)實的深度融合，植物特征一目了然，學生通過線上線下學習，大大加強了實習的教學效果，受到學生的高度認可。

在遼寧省開展的大學生在線學習跨校修讀學分工作中，《植物學》課程被大連海事大學、沈陽藥科大學、遼東學院、沈陽工學院4所高校選用，本系統(tǒng)作為課程的輔助資源一并被4所高校使用，使用效果良好。

系統(tǒng)不僅適用于在校本科生用于自主探究式學習，還適用于中小學和廣大植物愛好者科普使用，目前已被鞍山、吉林和浙江等地部分高校和中小學遠程使用，擴大了我校的影響力。

（二）項目持續(xù)建設與服務計劃

項目計劃到2023年完成植物學實習地（校園、植物園、東陵天柱山）以及大連莊河仙人洞自然保護區(qū)所有實習路線（二道溝、步云山等）的虛擬現(xiàn)實場景的主要植物進行形態(tài)特征和內(nèi)部構(gòu)造的制作，并持續(xù)開放運行。

后續(xù)還要加入標本制作和解剖結(jié)構(gòu)的圖片和標本制作流程。

同時本教學團隊將持續(xù)提供線上應答、互動教學等教學服務，對學生實習過程進行指導，不斷更新和完善虛擬現(xiàn)實場景和網(wǎng)絡運行的支持等。

（三）推廣應用計劃

1. 面向高校的教學推廣應用計劃

系統(tǒng)的建立，預計每年不僅能為本校1500余名學生提供教學服務，同時在遼寧省開展的大學生在線學習跨校修讀學分工作中，本系統(tǒng)作為課程的輔助資源一并被推薦其他高校使用，同時對全國所有高校學生免費開放。

2. 面向社會的推廣應用計劃

本系統(tǒng)支持PC端和手機端，運行過程中，經(jīng)過多所高校和學校附屬中小學使用，效果良好，具有很強的推廣性。還可用于植物愛好者科普使用，適用性廣泛，真正實現(xiàn)資源共享。

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