植物生物學虛擬仿真技術應用現狀

韓利紅， 劉 潮， 田雪蓮， 張麗芳， 洪 景， 李 飛

(曲靖師范學院 生物資源與食品工程學院， 云南 曲靖 655001)

生物學屬于實驗科學，通過實驗科學提高大學生的基本科研素質和分析問題、解決問題的能力，是培養高質量生命科學人才的重要環節之一。創新型高素質人才培養模式要求學生能夠掌握和運用最新的科學技術。但傳統的、常規的實驗教學受各種因素限制，逐漸凸顯出諸多弊端，亟待改革。植物生物學是生物科學和農學類的專業主干課，是開展其他生物課程的先導課，在課程體系中占有重要的基礎地位[1]。植物生物學實驗教學長期以來存在實驗內容單一和驗證性實驗較多等弊端，雖然已在實驗室建設、教學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。根據教學過程和實踐中出現的問題，有針對性地開展虛擬仿真實驗項目的開發，將有效提高植物生物學教學效率和效果[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的重要性與必要性

傳統的植物生物學實驗多為驗證性內容，通過教師介紹實驗原理、步驟和方法，學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生的實踐創新能力。植物實驗材料受季節和發育時期影響較大，如在雄蕊和雌蕊發育實驗中，學生僅能通過典型發育時期的永久裝片獲得不完整的發育過程，這不利于其對繁殖器官重要實驗內容的掌握。植物分類學實驗具有直觀性、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，植物學野外實習經費也是限制因素之一。虛擬現實技術應用于生物實驗課堂教學可有效節省實驗時間和運行成本，緩解各種教學資源的不足，消除實驗過程中的各種安全隱患，完善教師對學生的監督和評價機制，使學生掌握生物學科最前沿的科學技術，從而提高學生的學習效率和創新能力[3]。

2 植物生物學虛擬仿真技術應用現狀

2.1 虛擬實驗平臺或中心的構建

南京農業大學構建了植物學虛擬實驗平臺，該平臺共包括4個模塊：虛擬顯微鏡系統、植物識別系統、植物學數字課程和虛擬仿真實驗，這4個模塊系統整合了植物形態解剖學和植物系統分類學的實驗教學資源。借助Motic數字切片掃描系統，將玻璃永久裝片轉換成數字化切片，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，能有效提高教學效率，應用更廣泛。植物識別系統涵蓋了南京農業大學校園200多種常見植物，學生可通過植株彩圖、營養器官和繁殖器官的形態結構，以及網絡X3D技術模擬的植物三維外觀，以區分不同類群的植物。基于Flash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，并對重要關鍵步驟進行交互式操作。植物學虛擬實驗平臺提供了多種虛擬教學資源，擴充了教學信息容量，提高了教學效果[2]。

河北農業大學自1995年開始建設農科類虛擬仿真實驗教學中心，共分為基礎、綜合和創新3個層次，以及作物學、園藝學、植物保護和數字農業4個模塊，成為培養和提高學生實踐創新能力的重要基地。實踐證明，農科類虛擬仿真實驗教學打破了時間和空間的限制，縮短了實驗周期，彌補了傳統生物實驗教學受季節、氣候和經費等限制帶來的不足，能夠較好實現虛實互補[3]。

2.2 在植物學野外實習中的應用

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、地形復雜、氣候多變，再加上實習時間和經費有限，給植物學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環境。曲靖師范學院生物資源與食品工程學院的教學團隊已初步完成該虛擬實驗所需技能數據庫和實驗素材的建設，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；在專業見習和教學過程中，拍攝了大量植物和生境圖片，利用延時攝影技術還原了種子萌發形成幼苗的過程、花朵開放的過程和擔子菌開傘的動態過程等。將以上素材應用到植物分類學虛擬仿真實驗項目，顯著強化了實驗內容的深度和廣度。

江西師范大學生命科學學院利用信息化技術模擬戶外三維仿真環境和實驗室操作條件，使學生通過人機互動，實現野外實習部分目的，提升學生自主學習能力和分析、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、葉的形態觀察，將課堂教學、實驗教學和野外實習有機結合起來，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

開發跨專業、跨課程的綜合虛擬仿真實驗項目，將凸顯學校重點學科專業，并有效整合資源，防止交叉內容的重復建設。以曲靖師范學院生物資源與食品工程學院的省級虛擬仿真實驗項目(側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、微生物學、應用微生物學和分子生物學等課程的關鍵實驗內容，與地方經濟緊密結合，支撐學生綜合能力培養。側耳屬真菌世界廣布，在野外多生于闊葉樹干、枯立木或倒木上。側耳易于栽培、產量大，是重要的食用和藥用經濟真菌。野生食用菌的馴化栽培實驗具有現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和過程仿真實驗具有非常重要的意義。實驗設計主要包括野生側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，以及菌種質量的初步檢測等。學生主要通過10個互動實驗步驟完成該實驗，能夠在短時間內了解并掌握側耳屬真菌資源的采集方法、物種界定方法、分離純化技術、基本栽培技術和管理技術等關鍵知識點，提升創新能力，預期將取得很好的應用示范作用。

3 虛擬仿真的應用前景

將虛擬仿真技術應用于植物生物學實驗教學，有力推動了該課程的教學改革。虛擬現實創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習環境，將傳統的“以教促學”變為學習者通過與技術信息互動來獲取知識技能的新學習方式。虛擬仿真實驗項目建成后將對外開放，受益人群包括校內外學生和社會其他相關機構，將充分發揮高校在人才培養和服務社會中的重要作用。