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)屬于實驗科學(xué)，通過實驗科學(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)生能夠掌握和運用最新的科學(xué)技術(shù)。但傳統(tǒng)的、常規(guī)的實驗教學(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)實驗教學(xué)長期以來存在實驗內(nèi)容單一和驗證性實驗較多等弊端，雖然已在實驗室建設(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)過程和實踐中出現(xiàn)的問題，有針對性地開展虛擬仿真實驗項目的開發(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 虛擬仿真實驗項目建設(shè)的重要性與必要性

傳統(tǒng)的植物生物學(xué)實驗多為驗證性內(nèi)容，通過教師介紹實驗原理、步驟和方法，學(xué)生通過實驗操作和實驗報告的撰寫來驗證課堂上的理論知識，在一定程度上制約了學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。植物實驗材料受季節(jié)和發(fā)育時期影響較大，如在雄蕊和雌蕊發(fā)育實驗中，學(xué)生僅能通過典型發(fā)育時期的永久裝片獲得不完整的發(fā)育過程，這不利于其對繁殖器官重要實驗內(nèi)容的掌握。植物分類學(xué)實驗具有直觀性、開放性和綜合性等特點，氣候和植物物候期對其造成了較大影響，植物學(xué)野外實習經(jīng)費也是限制因素之一。虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于生物實驗課堂教學(xué)可有效節(jié)省實驗時間和運行成本，緩解各種教學(xué)資源的不足，消除實驗過程中的各種安全隱患，完善教師對學(xué)生的監(jiān)督和評價機制，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 虛擬實驗平臺或中心的構(gòu)建

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)構(gòu)建了植物學(xué)虛擬實驗平臺，該平臺共包括4個模塊：虛擬顯微鏡系統(tǒng)、植物識別系統(tǒng)、植物學(xué)數(shù)字課程和虛擬仿真實驗，這4個模塊系統(tǒng)整合了植物形態(tài)解剖學(xué)和植物系統(tǒng)分類學(xué)的實驗教學(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，能使用鼠標放大和縮小切片選定位置，且圖像信息不會失真。與傳統(tǒng)方式相比，虛擬仿真實驗的開展不受時間和空間限制，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平臺制作的交互式虛擬仿真實驗，可對實驗步驟進行可視化演示，并對重要關(guān)鍵步驟進行交互式操作。植物學(xué)虛擬實驗平臺提供了多種虛擬教學(xué)資源，擴充了教學(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)科類虛擬仿真實驗教學(xué)中心，共分為基礎(chǔ)、綜合和創(chuàng)新3個層次，以及作物學(xué)、園藝學(xué)、植物保護和數(shù)字農(nóng)業(yè)4個模塊，成為培養(yǎng)和提高學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的重要基地。實踐證明，農(nóng)科類虛擬仿真實驗教學(xué)打破了時間和空間的限制，縮短了實驗周期，彌補了傳統(tǒng)生物實驗教學(xué)受季節(jié)、氣候和經(jīng)費等限制帶來的不足，能夠較好實現(xiàn)虛實互補[3]。

2.2 在植物學(xué)野外實習中的應(yīng)用

云南是名副其實的植物王國，擁有豐富的植物種類，是植物野外實習的重要基地。然而，云南山地較多、地形復(fù)雜、氣候多變，再加上實習時間和經(jīng)費有限，給植物學(xué)野外實習帶來諸多困難，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)團隊已初步完成該虛擬實驗所需技能數(shù)據(jù)庫和實驗素材的建設(shè)，如徒手切皮視頻、臨時水裝片制作視頻、葉表皮撕片法和花的解剖等；在專業(yè)見習和教學(xué)過程中，拍攝了大量植物和生境圖片，利用延時攝影技術(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子菌開傘的動態(tài)過程等。將以上素材應(yīng)用到植物分類學(xué)虛擬仿真實驗項目，顯著強化了實驗內(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)境和實驗室操作條件，使學(xué)生通過人機互動，實現(xiàn)野外實習部分目的，提升學(xué)生自主學(xué)習能力和分析、解決問題的能力。該項目分為6個模塊：植物多樣性認識，植物標本的制作，顯微鏡的使用和根、莖、葉的形態(tài)觀察，將課堂教學(xué)、實驗教學(xué)和野外實習有機結(jié)合起來，并利用虛擬仿真考核和實操考核，形成較為完善的評價體系[4-5]。

2.3 有機整合虛擬仿真實驗項目

開發(fā)跨專業(yè)、跨課程的綜合虛擬仿真實驗項目，將凸顯學(xué)校重點學(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)院的省級虛擬仿真實驗項目(側(cè)耳屬野生食用真菌人工馴化實驗)為例，該項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)鍵實驗內(nèi)容，與地方經(jīng)濟緊密結(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)濟真菌。野生食用菌的馴化栽培實驗具有現(xiàn)場實驗周期長和可實施性弱等特征。因此，對其進行虛擬場景再現(xiàn)和過程仿真實驗具有非常重要的意義。實驗設(shè)計主要包括野生側(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)量的初步檢測等。學(xué)生主要通過10個互動實驗步驟完成該實驗，能夠在短時間內(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)鍵知識點，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)實驗教學(xué)，有力推動了該課程的教學(xué)改革。虛擬現(xiàn)實創(chuàng)造的實時交互模塊比文字、模型或效果圖更加形象、有趣和完整生動，營造了特殊的自主學(xué)習環(huán)境，將傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”變?yōu)閷W(xué)習者通過與技術(shù)信息互動來獲取知識技能的新學(xué)習方式。虛擬仿真實驗項目建成后將對外開放，受益人群包括校內(nèi)外學(xué)生和社會其他相關(guān)機構(gòu)，將充分發(fā)揮高校在人才培養(yǎng)和服務(wù)社會中的重要作用。