植物學數字切片虛擬仿真教學系統的構建與應用

張 彪，魏萬紅，丁海東，吳曉霞，黃金林，杜 坤，潘志明

植物學數字切片虛擬仿真教學系統的構建與應用

張 彪1，魏萬紅2，丁海東1，吳曉霞1，黃金林1，杜 坤2，潘志明1

（1. 揚州大學 生物科學與技術學院江蘇 揚州 225009；2. 揚州大學 實驗室與設備管理處，江蘇 揚州 225009）

應用C#語言、顯微-數碼成像技術、電子地圖技術、SQL server數據庫等軟件編程技術與工具，將植物優質玻片標本轉化為能夠在線拖曳、縮放、瀏覽、標注的數字切片標本等虛擬仿真資源，使植物顯微結構觀察實驗不必借助顯微鏡即可進行，為優質玻片標本在更大范圍內的共用共享提供了解決方案，實現了植物顯微結構觀察實驗由驗證性實驗向綜合性實驗轉變。

植物數字切片；數字化標本；虛擬仿真；實驗教學

“植物學實驗”是生命科學類本科生的第一門專業基礎實驗課程[1-2]，具有直觀性、開放性、綜合性、探究性等特征[3]。實驗內容是借助顯微鏡觀察玻片標本，學習植物各組成器官在特定發育階段的細胞、組織形態結構和組成特征。在教學實踐中，由于植物器官建成的漸次性、連續性、細胞組織結構發育的不可見等原因[4]，導致難以獲取能夠反映經典顯微結構特征的優質玻片標本和連續、均一的臨時玻片標本（如徒手切片）。此外，觀察玻片標本必須借助顯微鏡，使植物顯微結構的實驗教學受到時空限制。為此，我校結合國家級虛擬仿真實驗教學中心和江蘇省虛擬仿真共享平臺建設[5-6]，建成了可在不同網絡終端設備訪問的植物學數字切片虛擬仿真教學系統。通過系統中不同植物物種、不同植物器官、不同發育階段數字切片標本的整合應用，既解決了以往優質玻片標本共享難的問題，又解決了對植物顯微結構考核必須借助顯微鏡、教師與學生“一對一”所產生的實驗考核實施難的問題，為慕課、翻轉課堂、虛擬仿真實驗教學等教學新形態的應用、學生自主型實驗學習目標的實現創造了條件[7-9]。

1 植物學數字切片虛擬仿真教學系統的構建

1.1 系統基本架構

要使植物學數字切片虛擬仿真教學系統中的數字切片在“互聯網+”背景下得到有效應用，并彌補單一實體實驗教學存在的不足，首先要保證植物數字切片實驗數據的存儲、輸出、應用、管理與安全性。為此，筆者從教、學、管3方面入手，以有利于學生自主實驗學習目標的實現為出發點，將多年積累的優質植物學玻片標本掃描成像，制作成高像素的數字切片，再應用C#語言、顯微-數碼成像技術、電子地圖技術、SQL server數據庫等軟件編程技術與制作工具，建成了可在PC、平板電腦、智能手機等網絡終端設備上順暢運行的，包含學生、教師、管理員3個功能區及若干功能模塊和250余張數字切片的植物學數字切片虛擬仿真教學系統[10]，實現優質玻片標本在全時空條件下的共用共享。該系統的基本架構如圖1所示。

圖1 植物學數字切片虛擬仿真教學系統基本架構

1.2 系統的主要功能模塊

1.2.1 觀摩學習模塊

（1）可實現的功能：通過對觀摩學習模塊中加載的植物數字切片的拖曳、瀏覽進行觀摩，強化學生對描述植物顯微結構特征的細胞與組織形態、空間排列及其相互位置關系的理解與掌握。

（2）需加載的素材：與觀摩學習模塊相配套的數字切片和電子文檔。

（3）利用方式：先點擊調出細胞、組織、根、莖、葉等章節中的某一數字切片標本；再點擊該切片的知識點名稱，即可在線完成對該知識點的觀摩學習，還可在線或借助顯微鏡完成虛/實標本的比對學習。

1.2.2 自主學習模塊

（1）可實現的功能：通過對模塊中加載的植物數字切片的瀏覽、標注，強化學生對植物顯微結構標本讀片能力的訓練。

（2）需加載的素材：與自主學習模塊相配套的數字切片和標注工具。

（3）利用方式：點擊調出某一數字切片標本；拖曳、縮放該切片標本，觀摩其細胞組織結構組成特征，確定擬標定的區域；點擊工具欄，用工具畫出擬標定區域的范圍，并在系統彈出的浮動面板中填寫相關細胞組織結構名稱；標注完成后可暫存，或提交給教師批閱。

1.2.3 實驗報告模塊

（1）可實現的功能：該模塊主要供學生在每個章節在線學習后，提交實驗報告之用。

（2）需加載的素材：與實驗報告相配套的數字切片和標注工具。

（3）利用方式：學生登錄訪問該模塊，從某一章節中自選一定數量的標本并標注，然后點擊“提交”即可生成實驗報告；教師可在線對提交的實驗報告進行批閱評分，并記錄學生的成績。

1.2.4 虛擬考核模塊

（1）可實現的功能：通過對該模塊中加載的植物數字切片的瀏覽、標注，檢查學生對植物顯微結構的掌握情況。

（2）需加載的素材：與虛擬考核相配套的數字切片和標注工具。

（3）利用方式：學生登錄訪問虛擬考核模塊，點擊階段考核和期末考核欄目；系統將按一定規則配置題干、組成試卷；系統依“試卷”題干調出相應“數字切片”標本，并開始考試倒計時；學生點擊“題干”調出標本，并在系統彈出的浮動面板中填寫標注位置的知識點名稱；答題完成后提交試卷（或考試結束時，系統自動收卷），系統自動評分、并計入成績。

1.2.5 互動交流模塊

該模塊設計了“發布新帖”“所有帖子”“我的帖子”“我的評論”等欄目，可以通過各欄目實現師生、生生在線交流、討論與互動。

1.2.6 教學演示模塊

教師登錄訪問該模塊，可自主選擇擬講解的數字切片標本；以拖曳、縮放、測距、觀摩的方式完成對整張切片的演示與講解；以線條、圖形、箭頭、隨手畫、文字等方式對該標本相關知識點進行標注。所有演示過程都可通過投影設備展示出來，既為顯微結構教學顯性化的實施提供了載體，也為以學生為主體的實驗教學方式和學生自主性實驗學習目標的實現創造了條件。

1.2.7 考核分析模塊

該模塊提供階段考核試卷查看、期末考核試卷查看、期末考核試卷分析功能。教師可以按條件篩選、查看學生的階段考核試卷成績和答題詳情，可通過期末試卷中相關知識點的正確率判斷學生對顯微結構標本的讀片識圖能力和學習效果。

1.2.8 個人中心模塊

該模塊設計了“基本信息”“成績查看”“學習記錄”“試卷查看”等欄目，其中“基本信息”欄目可以查看、修改個人信息，修改登錄密碼；“成績查看”欄目可以查看階段考核成績、期末考核成績、實驗報告成績；“學習記錄”欄目記錄學生切片觀摩、學習記錄，并有續學功能；“試卷查看”欄目可以查看階段考試、期末考試試卷答題情況。

2 系統在教學中的應用

在實驗教學過程中，通過“網絡終端設備+實驗室”教學情境的構建與應用，實現學生對系統中的數字切片標本和實驗室中永久或臨時制作玻片標本的協同關注。學生可以對植物顯微結構標本“細胞組織結構特征圖文信息”持續輸入和碎片化學習[11-12]，既豐富了實驗教學內容，又為翻轉課堂式教學模式在植物學實驗教學中的有效應用提供了支撐和保障。

2.1 在網絡終端設備上開展虛擬仿真學習

學生利用PC、平板電腦、智能手機等網絡終端設備登錄植物學數字切片虛擬仿真教學系統，對觀摩學習、自主學習、虛擬考核等模塊中數字切片標本進行觀摩、瀏覽、標注，既可通過對單張數字切片標本的觀摩，完成對相關知識點的“靜態”驗證性學習，也可通過對多張數字切片標本的比對和觀摩，來完成對相關知識點的“動態”綜合性學習。

2.1.1 在線靜態驗證性學習

（1）點擊觀摩學習模塊，從左側列表中調出一張數字切片標本；再分別點擊左側列表中的知識點名稱，并通過鼠標拖曳、縮放來完成對數字切片整體或局部的觀察，在線完成對該標本細胞組織形態與排列特征的了解與掌握。

（2）點擊自主學習模塊，從左側列表中調出一張數字切片標本；通過鼠標拖曳、縮放，在線完成對該標本整體或局部細胞組織形態與排列特征的觀摩，在線標注出該標本所含各知識點的名稱及其對應的區域，強化學生對各知識點的理解與掌握。

（3）點擊實驗報告模塊，系統將在某一單元中，依規調出一定數量的數字切片標本，學生通過對標本的觀摩、標注形成實驗報告后，在線提交報告供教師批閱，通過實驗報告檢查學生對該單元相關知識點的掌握情況。點擊“虛擬考核”模塊，系統將依規調出一定數量由數字切片標本組成的階段或期末考核試卷，學生在線對各標本考點填寫知識點名稱并提交，系統將自動批改試卷，以此檢測學生的讀片識圖能力。

2.1.2 在線動態綜合性學習

圍繞一個主題，從系統中調出一組數字切片標本，通過對該組標本細胞組織形態及其排列方式的觀摩、瀏覽、比對和標注，強化學生對結構與進化、結構與生境的協同變化和植物各器官動態發育過程的理解與掌握，從觀察植物顯微結構的傳統的驗證性實驗拓展為綜合性實驗。

例如圍繞植物“根維管形成層的發生”主題，學生可進入植物學數字切片虛擬仿真教學系統的“根形成層發生”欄目，通過對10余張數字切片標本中的初生韌皮部內側的薄壁細胞、初生韌皮部與初生木質部之間薄壁細胞、中柱鞘細胞的形態、數量、大小與排列方式的觀摩、瀏覽、比對和標注，完成對維管形成層發生、發展過程的學習，既驗證了植物根維管形成層不同發育階段靜態細胞組織結構排列特征，又強化了學生對植物根維管形成層動態發育過程的理解與 掌握。

2.2 在實驗室進行自主實驗學習

2.2.1 自主比對式學習

在實驗室中，學生利用顯微鏡對臨時或永久玻片標本進行觀摩學習時，可同步利用智能手機、PC等網絡終端設備，從“觀摩學習”和“自主學習”模塊中調出對應的數字切片進行比對、標注，在減少教師課內示教時間的同時，增加學生自主實驗學習的時間（約1/2學時）。學生利用該時間段，既可進行植物同一器官在不同發育階段或同一器官在不同物種中的顯微結構差異性比對，增強其對結構與進化、結構與生境協同關系的理解與掌握，也可通過制作臨時玻片標本與其同類永久玻片標本的比對，增強其對活體標本各細胞組織結構原生態色澤的了解與掌握。

2.2.2 開展翻轉課堂式學習

在實驗室中，教師可利用系統的自主學習模塊，選取某一數字切片標本，請學生講述其結構名稱及每一結構的細胞組成特點；教師根據學生所講內容，從發育學角度提出一些問題請學生回答；最后，請其他學生對該學生所講內容進行評價，教師做歸納總結。這既實現了教師與學生在實驗教學過程中的角色互換，又增強了學生參與實驗學習的主動性與積極性，大大地提高了學生讀片識圖的能力。

3 結語

通過植物學數字切片虛擬仿真教學系統的構建 與應用，既為優質玻片標本在較大范圍內的共用共享、脫離顯微鏡進行顯微結構觀察實驗提供了解決方案，也為翻轉課堂等新教學形式在植物學實驗教學中的應用提供了支撐，更為植物顯微結構觀察綜合性實驗創造了條件。該系統拓展了植物顯微結構觀察實驗教學空間，豐富了學生觀察植物顯微結構標本的種類與類型，提升了學生對植物顯微結構標本的讀片能力。但由于每個植物種群都有特定的地域分布，且植物各器官建成過程中的細胞組織動態變化過程不可見，優質玻片標本獲取困難，仍需通過優質玻片標本的自制、征集來構建、積累和豐富系統中的數字切片標本，以實現其在更大范圍內的應用與共享。

[1] 魏萬紅，張彪，杜坤，等. 基于“互聯網+”的生物學本科一體化實踐教學體系的構建[J]. 高校生物學教學研究（電子版），2016, 6(4): 35–40.

[2] 張彪，高紅明，淮虎銀，等. 植物形態解剖學的開放式實驗教學模式[J]. 實驗技術與管理，2005, 22(6): 88–92.

[3] 朱家華，李兵，李春陽，等. 面向師范生核心素養培育的虛擬仿真實驗平臺的應用研究[J]. 實驗室研究與探索，2017, 36(10): 205–209.

[4] 張彪，淮虎銀，吳曉霞，等. 基于網絡預約系統的實驗教學[J]. 實驗室研究與探索，2004, 23(1): 4–8, 52.

[5] 教育部高等教育司. 教育部關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[EB/OL]. (2013-08-21)[2019-02-01]. http://www.moe.gov.cn/s78/A08/A08_gggs/A08_sjhj/201308/t20130821_156121.html.

[6] 教育部辦公廳. 教育部辦公廳關于開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[EB/OL]. (2015/06/04) [2019-02-01]. http://www.moe.edu.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/ 201506/t20150618_190671.html.

[7] 嚴薇，王振中，張波，等. 國家級實驗教學示范中心的可持續發展[J]. 實驗室研究與探索，2016, 35(10): 151–154.

[8] 曲大為，趙福政. “互聯網+”對高等院校教育改革芻議[J]. 高教研究與實踐，2015, 34(3): 12–15.

[9] 張煥玲，李周岐，康永祥，等. 國家級森林生物學虛擬仿真實驗教學中心建設[J]. 實驗室研究與探索，2017, 36(1): 152– 155.

[10] 王開宇，程春雨，金明錄. 遠程虛擬仿真實驗教學中心建設[J]. 實驗技術與管理，2016, 33(12): 242–245.

[11] 王麗麗，楊帆. “互聯網+”時代背景下大學英語教學改革與發展研究[J]. 黑龍江高教研究，2015(8): 159–162.

[12] 劉鋒. 互聯網+教育的未來發展趨勢[J]. 英語教師，2015(9): 6–8.

Construction and application of virtual simulation teaching system for plant digital slice

ZHANG Biao1, WEI Wanhong2, DING Haidong1, WU Xiaoxia1, HUANG Jinlin1, DU Kun2, PAN Zhiming1

(1. College of Biological Science and Technology, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China; 2. Laboratory and Equipment Management Office, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China)

By using the software programming techniques and tools such as C# language, micro-digital imaging technology, electronic map technology, SQL Server database, etc., the high-quality plant slide specimens can be transformed into virtual simulation funds that can drag, zoom, browse and label digital slice specimens online, which can help the experiment of plant microstructural observation to be carried out without the aid of a microscope, provide a solution for sharing high-quality slide specimens in a wider range, and realize the transformation of plant microstructural observation experiment from verification to comprehensive experiment.

plants digital slides; digital specimens; virtual simulation; experimental teaching

Q94-33；TP391.9

A

1002-4956(2019)09-0103-03

2019-02-12

江蘇省教改課題（2017JSJG239）；江蘇生物技術品牌專業（PPZY2015C212）

張彪（1966—），男，江蘇阜寧，碩士，高級實驗師，主要從事植物學教學、研究與實驗室管理工作。

E-mail: zhangbiao@yzu.edu.cn

潘志明（1972—），男，江蘇靖江，博士，教授，院長，主要從事生物學教學與高等教育管理和研究工作。

E-mail: zmpan@yzu.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.026