童躍偉 原萌 朱婉慧 屈利利 王意 項(xiàng)小燕

摘要 ?由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作存在一些弊端，無法滿足現(xiàn)代教學(xué)改革對實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的需求。為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。在計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展下，虛擬仿真技術(shù)得到進(jìn)一步推廣與應(yīng)用。野外實(shí)習(xí)是植物學(xué)課程開展植物鑒定學(xué)習(xí)的重要手段和措施，受到諸多因素的制約。在植物學(xué)野外實(shí)習(xí)中運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，增加了學(xué)生的實(shí)踐機(jī)會，提高了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)了學(xué)生對理論知識的理解與認(rèn)知，為植物學(xué)課程提供了新思路和新教學(xué)模式，且獲得了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞? 植物學(xué)；野外實(shí)習(xí)；虛擬仿真；教學(xué)改革；實(shí)踐能力

中圖分類號? S-01? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼? A? 文章編號? 0517-6611（2024）09-0279-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.09.060

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Application of Virtual Simulation Technology in Field Practice of Botany

TONG Yue-wei，YUAN Meng，ZHU Wan-hui et al

（School of Life Sciences，Anqing Normal University，Anqing，Anhui 246133）

Abstract? The traditional experimental practice have some disadvantages，so it can not meet the needs of the modern teaching reform to the experiment and practice.In order to cultivate students innovative spirit and practical ability，virtual simulation technology emerges.With the rapid development of computer and network technology，virtual simulation technology has been further promoted and applied. Field practice is an important means and measure of plant identification learning in botany course，which is restricted by many factors.The application of virtual simulation technology in the field practice of botany has increased students practical opportunities，enhanced students learning interest in experiments， strengthened students understanding and cognition of theoretical knowledge，which provided a new idea and a new teaching model for botany course.And a good experimental teaching effect was obtained.

Key words? Botany;Field practice;Virtual simulation;Teaching reform;Practical ability

基金項(xiàng)目? 安徽省高等學(xué)校省級質(zhì)量工程項(xiàng)目（2021xnfzxm062）；安徽省重點(diǎn)教研項(xiàng)目（2021jyxm0858）;安徽省示范基層教學(xué)組織項(xiàng)目;安慶師范大學(xué)校級質(zhì)量工程項(xiàng)目（2022aqnujyxm45）。

作者簡介? 童躍偉（1987—），男，安徽蕪湖人，講師，博士，從事植物學(xué)與生態(tài)學(xué)教學(xué)改革研究。*通信作者，教授，博士，從事植物學(xué)與生態(tài)學(xué)課程改革與實(shí)踐研究。

收稿日期? 2023-07-17

在植物學(xué)實(shí)踐教學(xué)中，野外實(shí)習(xí)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要內(nèi)容，是理論課堂教學(xué)的擴(kuò)展。此外，植物學(xué)野外實(shí)習(xí)也可以促進(jìn)學(xué)生對自然的親近和熱愛以及對專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣和動力［1］。由于我國人民生活水平不斷提高，學(xué)生對生活中的事物了解較少，休閑時間大部分在網(wǎng)上沖浪，有的學(xué)生甚至都分不清楚黍子、谷子、水稻、小麥。植物學(xué)以及生態(tài)學(xué)的野外實(shí)踐可以幫助學(xué)生接近自然、了解自然。通過野外實(shí)踐，學(xué)生可以從教室走到大自然中，在豐富多彩的自然界中學(xué)習(xí)各種植物的種類和形態(tài)，這種教學(xué)方法更加形象生動。它不僅可以鞏固和提高課堂上的知識，而且可以使學(xué)生在理論與實(shí)踐上相結(jié)合［2］。但是，野外實(shí)習(xí)會受到對珍稀植物的限制性采集保護(hù)，植物生長發(fā)育期與實(shí)習(xí)期不同步，雷雨、大風(fēng)等惡劣天氣的影響，并且踩踏、采摘對自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境和物種的破壞，野外環(huán)境不可預(yù)知的危險（毒蟲野獸、爬山涉水等），師資不足，經(jīng)費(fèi)投入大等因素也制約著野外實(shí)習(xí)的有效開展，使野外實(shí)習(xí)難以取得預(yù)期的效果［3］。疫情的出現(xiàn)給野外實(shí)習(xí)增加了難度。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源來源于國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺［4］。它為高校在信息化條件下的開放辦學(xué)和資源共享需求，提供了先進(jìn)的教學(xué)手段、開放的平臺和優(yōu)質(zhì)的資源，并能靈活地增加各種設(shè)計性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能夠自行設(shè)計各種實(shí)驗(yàn)方案。它不僅能提升人才的素質(zhì)，而且能為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與建設(shè)注入新的活力和動力。同時，該技術(shù)具有投資少、安全性高、能在極端環(huán)境下進(jìn)行實(shí)踐操作教學(xué)，為教學(xué)提供了強(qiáng)有力的支撐［5］。虛擬仿真技術(shù)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使得線上+線下教學(xué)在疫情背景下發(fā)揮出更大的優(yōu)勢。“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)了學(xué)生系統(tǒng)、完整的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，拓寬了學(xué)生的學(xué)科視野，提高了學(xué)生的綜合實(shí)踐能力，加強(qiáng)了信息化與創(chuàng)新能力。

1? 植物學(xué)野外實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的必要性

植物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要包括實(shí)驗(yàn)室課程實(shí)驗(yàn)以及野外植物調(diào)查2個部分。從實(shí)驗(yàn)室到野外，學(xué)生的學(xué)習(xí)環(huán)境發(fā)生了改變，使得學(xué)生在實(shí)踐中的接受能力較差，實(shí)驗(yàn)過程缺乏連續(xù)性和系統(tǒng)性。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式比較單一，教師講解配合視頻播放，學(xué)生常常按照原有的實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線來操作，很難調(diào)動其興趣以及創(chuàng)新性和積極性；野外實(shí)習(xí)學(xué)生常常分小組進(jìn)行調(diào)查，對于植物僅短時被動記憶，課后復(fù)習(xí)時很難記起原實(shí)物，增加了復(fù)習(xí)困難，很難取得理想的學(xué)習(xí)效果。受新冠疫情的影響，部分學(xué)生不能正常返校參與野外植物調(diào)查，且實(shí)習(xí)地點(diǎn)的范圍受限導(dǎo)致學(xué)生不能很好地完成擬定的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)生對植物群落生態(tài)特征以及植物分布的認(rèn)知比較單一。在標(biāo)本、切片制作以及花的解剖實(shí)驗(yàn)中，也加大了學(xué)生對體式顯微鏡及微距鏡頭等儀器設(shè)備等操作的困難。因此，在植物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中廣泛運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，極大地擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，在三維立體的實(shí)踐環(huán)境中通過培養(yǎng)學(xué)生的感性認(rèn)識，使他們能夠更好地了解教學(xué)內(nèi)容，從而彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方法的缺陷，使植物學(xué)的整體學(xué)習(xí)更加有效。

2? 采用新的教學(xué)模式，構(gòu)建虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室

2.1? 思路的構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)教學(xué)被視為培養(yǎng)專業(yè)人才的重要環(huán)節(jié)，特別是在培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的應(yīng)用型人才過程中，應(yīng)以學(xué)生為主體，通過實(shí)驗(yàn)來培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，注重學(xué)生對課堂所學(xué)知識的實(shí)際應(yīng)用能力［6］。應(yīng)用創(chuàng)新教育理念，結(jié)合虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真系統(tǒng)在植物學(xué)的應(yīng)用主要包括進(jìn)入實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)演練、樣方選取、植物認(rèn)知、性狀調(diào)查、細(xì)胞切片、精細(xì)解剖、數(shù)據(jù)分析、實(shí)驗(yàn)考核等模塊。主要有三大功能：一是使學(xué)生能夠完全消化和吸收課堂所學(xué)知識。教師們在教室配合多媒體投影技術(shù)進(jìn)行線下教學(xué)，學(xué)生在接受教師指導(dǎo)后，通過記筆記等方式了解實(shí)驗(yàn)操作，課下及時通過虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)習(xí)演練，在虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）教學(xué)中加深學(xué)生對課堂內(nèi)容的印象。二是對學(xué)生開展模擬實(shí)訓(xùn)，使學(xué)生能夠獲得真實(shí)的操作體驗(yàn)和真實(shí)的場景，形象地模擬植物的生長環(huán)境和生長發(fā)育規(guī)律，讓學(xué)生在虛擬場景中邊玩邊學(xué)，跟著指令操作一步步檢索、一點(diǎn)點(diǎn)接受指引，再加上VR技術(shù)具有人機(jī)交互的功能，能達(dá)到視覺、觸覺、聽覺和嗅覺等感官的真實(shí)體驗(yàn)［7］。三是建立資源共建共享機(jī)制，通過深化交流與合作、互相學(xué)習(xí)和借鑒，使虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理念、內(nèi)容、方法、手段、模式交流與開放共享的重要平臺［8-9］。

2.2? 高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建

大連大學(xué)“仙人洞自然保護(hù)區(qū)藥用植物學(xué)虛擬仿真系統(tǒng)”通過人機(jī)交互的形式，讓學(xué)生線上模擬野外植物識別及標(biāo)本制作的整個過程。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以“仙人洞野外實(shí)習(xí)虛擬場景”為主線，運(yùn)用知識點(diǎn)對照虛擬植物模型綜合分析并對植物特征進(jìn)行學(xué)習(xí)。系統(tǒng)有2種模式：一種是學(xué)習(xí)模式，另一種是考核模式。學(xué)習(xí)模式具有高亮光提示及文字提示，考核模式分為學(xué)生自主模式和植物庫模式?？梢圆榭粗参镎w和局部以及植物信息（圖1a），對采集植物進(jìn)行作答（圖1b）、花的解剖（圖1c）和物種記錄（圖1d）。植物庫部分包含實(shí)驗(yàn)中所見到的多種植物，其中包括葉、花、果實(shí)、種子的高清大圖，便于學(xué)生查看學(xué)習(xí)。此外，在不同海拔地區(qū)設(shè)置樣地，對比不同海拔梯度群落植物的分布特征，完成虛擬人物設(shè)定，模擬真實(shí)的野外植物調(diào)查過程。

東北師范大學(xué)使用的“森林木本植物群落特性”虛擬仿真軟件是一個與大學(xué)本、專科生生態(tài)學(xué)課程相配套的在線虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。主要展示學(xué)生應(yīng)用無樣地抽樣技術(shù)中的“中心點(diǎn)-四分法”完成森林木本植物群落特性的研究。通過模擬實(shí)驗(yàn)，模擬出實(shí)際植物群落特性。研究內(nèi)容包括種群數(shù)量特征統(tǒng)計分析、鑒定等。例如，選擇調(diào)查路線（圖2a）；觀察樣地樹干、樹葉、果實(shí)等特征，識別出植物的名字，并按照提示將胸徑等信息錄入（圖2b）；在輸入信息后可查看鑒定結(jié)果（圖2c），并將其填入調(diào)查數(shù)據(jù)表格（圖2d），填寫實(shí)驗(yàn)報告。根據(jù)指示選定樣本，判斷植物類型，還可以點(diǎn)擊查看該種植物的高清大圖。學(xué)生邊做實(shí)驗(yàn)邊做記錄，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時進(jìn)行提交，同時教師還可以通過教學(xué)平臺對學(xué)生作業(yè)進(jìn)行批改、在線解答和打分。該平臺可以加強(qiáng)師生線上互動，高效地實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)操作。

中山大學(xué)“植物群落野外實(shí)習(xí)”系統(tǒng)增加了預(yù)習(xí)模塊，在正式演練前對實(shí)習(xí)工具、測量方法、數(shù)據(jù)分析等進(jìn)行講解，根據(jù)實(shí)驗(yàn)提示選擇調(diào)查樣方，并利用工具完成調(diào)查任務(wù)。采用三維仿真模式，同時借助2D圖像和植物簡介，從多個角度進(jìn)行植物特征觀察，全面認(rèn)識各階段植物的特性（圖3a）?？煞謩e利用喬木層、灌木層、草本層樣方進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，掌握群落數(shù)量性狀（多度、蓋度、頻度、高度等）測定方法（圖3b），保證調(diào)查數(shù)據(jù)的完整性，并對調(diào)查資料進(jìn)行初步數(shù)據(jù)整理，根據(jù)重要值、物種多樣性以及生物量分析等方法，計算出相應(yīng)結(jié)果，學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)分析方法，達(dá)到識別分析群落的目的（圖3c）。實(shí)驗(yàn)?zāi)M測試確認(rèn)提交后，系統(tǒng)會自動反饋出成績、得分與失分項(xiàng)（圖3d），便于學(xué)生在模擬測試中了解自己的實(shí)際操作知識，以提高自己的學(xué)習(xí)效果。

大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須積極主動地適應(yīng)新技術(shù)的變革，以開放、適應(yīng)、引領(lǐng)的態(tài)度與行為來應(yīng)對虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)改革。以網(wǎng)絡(luò)開放虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為契機(jī)，促進(jìn)高質(zhì)量資源的共享［9］。

2.3? 疫情常態(tài)化下的虛擬教學(xué)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源來自國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺，在新冠疫情期間由于學(xué)生不能返校，無法動手開展實(shí)驗(yàn)，在線虛擬模擬實(shí)驗(yàn)充分利用了它的優(yōu)點(diǎn)，解決了無法進(jìn)行線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問題。虛擬模擬實(shí)驗(yàn)與微型課程的有機(jī)結(jié)合是目前開展網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)教學(xué)較好的方法。

在疫情初發(fā)階段，許多高校由于疫情被迫取消了班級野外實(shí)習(xí)，學(xué)生與自然的聯(lián)系變成了書上的文字以及多媒體上的照片視頻。自然中的許多植物都未曾見過，植物鑒定以及植物分類等方面的實(shí)踐很少。隨著疫情常態(tài)化，虛擬仿真技術(shù)越來越普遍，許多高校積極開展虛擬系統(tǒng)的操作研發(fā)，虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中得到進(jìn)一步推廣與運(yùn)用。采用突破常規(guī)實(shí)驗(yàn)的方式，學(xué)生可以在任何時間、任何地點(diǎn)登錄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，選擇合適的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)［10］，有效應(yīng)對了疫情導(dǎo)致的野外實(shí)操推遲甚至取消，使野外實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室也可以順利進(jìn)行。

3? 植物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)總結(jié)

植物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程具有以下優(yōu)勢：①通過三維立體模型加強(qiáng)學(xué)生的植物認(rèn)知。通過植物三維立體模型，直觀認(rèn)知掌握植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征和鑒別、鑒定方法。②虛擬場景，真實(shí)感受。通過虛擬自然生態(tài)場景，了解植物的生長狀態(tài)、生活環(huán)境、分布特點(diǎn)。③降低外界因素對實(shí)踐教學(xué)的干擾。避免天氣因素、限制性采集、多數(shù)植物開花結(jié)果期與實(shí)習(xí)時間不同步對實(shí)踐教學(xué)效果的影響。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以與實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行互補(bǔ)，是有效完成實(shí)習(xí)計劃的重要保證。④為學(xué)生創(chuàng)造靈活的學(xué)習(xí)方式。學(xué)生能夠靈活自主地選擇學(xué)習(xí)時間、地點(diǎn)，有效合理地學(xué)習(xí)，提高實(shí)踐認(rèn)知效果。⑤提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。3D動畫以及虛擬仿真自然保護(hù)區(qū)天然實(shí)景，學(xué)習(xí)過程生動直觀，改變了枯燥的植物特征識別學(xué)習(xí)方法。⑥先虛后實(shí)，虛實(shí)互補(bǔ)，加強(qiáng)實(shí)習(xí)效果。通過先期校內(nèi)野外實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)，使學(xué)生在掌握野外實(shí)習(xí)的基本知識要點(diǎn)后，帶著探究的目的接近真實(shí)的野外實(shí)習(xí)，可為達(dá)到良好的實(shí)習(xí)效果奠定基礎(chǔ)。在實(shí)習(xí)過程中，也可以隨時隨地登錄虛擬系統(tǒng)，虛實(shí)對照，以虛補(bǔ)實(shí)，虛實(shí)結(jié)合，將植物學(xué)理論知識與實(shí)際知識有機(jī)結(jié)合，加強(qiáng)實(shí)習(xí)效果。

然而，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程目前也存在一些不足之處：①數(shù)字化切片、花的解剖等操作性步驟并未被廣泛運(yùn)用。增加對單子葉植物、雙子葉植物根莖以及一些植物葉片及果實(shí)表皮組織等虛擬切片的制作，使得學(xué)生可在虛擬系統(tǒng)中對植物從整體到局部、從宏觀到微觀的觀察。對于花的解剖部分，可以在系統(tǒng)中指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用體式顯微鏡繪制出精細(xì)解剖圖。②虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的音效有待加強(qiáng)。操作環(huán)境的音效可以更加逼真，比如增加鳥類的鳴叫以及風(fēng)吹樹葉“沙沙”的聲音，使實(shí)驗(yàn)操作過程更加接近自然。③操作過程僅顯示“本人與提示”功能。同學(xué)之間缺乏交流互動，缺少團(tuán)隊合作。④占用內(nèi)存大，在實(shí)際操作中可能會出現(xiàn)卡頓和閃退等現(xiàn)象，需要后續(xù)進(jìn)行解決。⑤目前虛擬仿真技術(shù)平臺并未被廣泛普及。部分高校依然面臨平臺資源不足或匱乏的問題，應(yīng)該建立各大高校虛擬仿真平臺資源共享體制。

近些年，國內(nèi)外有關(guān)植物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革根據(jù)自身教學(xué)特點(diǎn)和教學(xué)現(xiàn)狀，從實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、教學(xué)方法、考核方法等方面進(jìn)行了探索［11］。由于新冠疫情的出現(xiàn)，各大高校都對新型教學(xué)方式進(jìn)行了多次探索與嘗試，在虛擬仿真技術(shù)的運(yùn)用下，將傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”方式轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)者通過與技術(shù)信息互動來獲取知識技能的學(xué)習(xí)方式，并取得了明顯的成果。各大高校與企業(yè)相互協(xié)作，促進(jìn)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化更好、更快發(fā)展。在新時代背景下，充分發(fā)揮教育信息化的獨(dú)特優(yōu)勢，為我國教育事業(yè)貢獻(xiàn)新的力量，開辟新的人才培養(yǎng)路徑。

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