虛擬現實技術在《藥用植物學》實驗教學中的探索應用

李 捷 邱鵬程 畢琳琳 周宣暄 湯海峰

解放軍空軍軍醫大學藥學系中藥與天然藥物學教研室，陜西西安 710032

虛擬現實（virtual reality，VR）是指利用圖形資源和操作系統重建一個虛擬環境，將相關反饋信息融入模擬環境，使用戶和操作系統之間進行互動的計算機技術，能帶給用戶以環境沉浸感[1]，特別適用于一些抽象理論和技術的學習和模擬實驗。虛擬教學實驗平臺是將虛擬現實運用到教學和實驗中的一種新型教學方式。解放軍空軍軍醫大學（我校）在實施建設國際一流醫學院校和發展教育訓練計劃的過程中嘗試性地將虛擬仿真運用到《藥用植物學》實驗教學中，建立了藥用植物學虛擬教學實驗平臺，通過虛擬現實技術對藥用植物的生長環境、鑒別特征、采收加工等場景開展真實模擬，通過沉浸式、高交互的實驗過程，提升學生對藥用植物學的理解和應用能力?，F將傳統教學現狀和“藥用植物學虛擬教學實驗平臺”試用效果進行調查分析，為進一步提高《藥用植物學》教學質量提供參考。

1 藥用植物學實踐教學開展現狀

《藥用植物學》是利用植物學的知識與方法，來研究藥用植物的一門科學，包括植物的組織形態、生理功能、分類鑒定、資源開發與合理利用等內容，是中藥學和藥學中一門理論性、實踐性很強的專業基礎課[2]。

藥用植物學的學習必須密切聯系實踐，通過全面仔細的觀察，增強對植物組織形態、結構特點和生長環境的認識。據調研，多數的院校在藥用植物學實踐教學中通過觀察蠟葉標本、浸泡標本和植物圖譜等方式增強學生對藥用植物的認識。有的增加了戶外見習環節，但是由于時間、季節和地理分布的局限，也只能觀察到部分植物，或者某種植物的某些器官，很難做到全面細致。所開設的實驗課基本以驗證性實驗為主，不能充分激發學生的創造性。

2 引入虛擬實驗室在《藥用植物學》實踐教學中的優勢

2.1 形象直觀、更容易理解

虛擬實驗室引導學生通過全面立體的視覺直接感受事物，同時可伴隨手動操作和創造性思維活動學習知識，其效果遠遠優于傳統的理論課講解和標本觀察。

如在藥用植物學教學過程中，果實的形成和構造是歷屆學生都認為很抽象、很枯燥的內容?；ń泜鞣凼芫螅鞑糠珠_始變化，花萼、花冠常脫落，雄蕊、雌蕊的柱頭先后枯萎，胚珠發育形成種子，子房逐漸膨大而發育成果實，形成真果；有些植物除子房外，花的其他部分形成的果實為假果。這一過程本身對于剛接觸植物學的學生來說就很抽象，還要求學生對花的組成與形態非常熟悉。然而，花由花梗、花托、雌蕊群、雄蕊群、花萼和花冠6部分組成；花冠又有10種常見的類型和6種卷疊方式；雄蕊群的花絲和花藥又有6種不同的著生方式和7種類型；組成雌蕊群的子房、花柱和柱頭，按子房的著生位置不同，有子房上位、子房下位和子房中下位3種；胎座的類型又分為邊緣臺座、側膜胎座、中軸胎座、特里中央胎座、基生胎座和頂生胎座6種；胚珠也有直生胚珠、橫生胚珠、彎生胚珠和倒生胚珠4種，這些也是植物學分類的主要依據?；ǖ那ё税賾B讓人賞心悅目，但是學起來真的不容易，雖然借助插圖和示意圖能幫助理解，但其作用也是杯水車薪。

然而，虛擬現實技術實現了將子房發育成果實的過程和胚珠發育成種子的過程以動畫形式展現，最后再通過對花進行解剖。這樣不僅提高了學生實驗的目的性和操作性，更重要的是讓學生通過視覺、聽覺、感官等多方面感知，對花和果實的組織結構和形態有了更深刻的理解，大大提高了學習效率。

2.2 打破了時間和空間的限制，大大擴展了課堂范圍

不少學校設置了戶外見習環節，但是由于時間和空間的限制，只能看到當季當地的一些植物，不能看到植物的葉、花、果實、種子等全部器官，很難對植物有全面的了解。而虛擬藥用植物實驗室可以不受時間和空間的約束，學生可以隨時隨地上網瀏覽參觀學習各種季節和各個地域的植物。并且虛擬藥用植物實驗室設置了藥用植物園模塊，里面包含了全國各地的藥用植物資源，有效的打破了空間的限制。

2.3 增強了相關學科間的聯系

藥用植物學作為藥學和中藥學重要的專業基礎課，與后續的專業課生藥學、中藥學、中藥鑒定學、天然藥物化學、中藥質量學、藥用植物生態學、中藥栽培學、分子生物學、遺傳學等具有密切的聯系。在授課時，對教員的知識面和學科間的交叉融合有很高的要求，更重要的是學時有限，教員必須保證在教授完本學科教學大綱規定的教學任務后，才能做相應的拓展，因此往往捉襟見肘，顧此失彼。然而，虛擬實驗室的引入，可以使學生的學習時間不受教學大綱的限制，隨時隨地進行拓展學習。在知識的串聯和交叉融匯方面，虛擬實驗室可以做到將藥用植物學和生藥學、中藥鑒定、藥用植物生態學及中藥栽培等多門課有機融合。

如在藥用植物學虛擬實驗室首頁通過搜索欄找到想要了解的植物，點開圖庫，可以看到該植物的“根、莖、葉、花、果實、種子、生長環境和知識鏈接”8個標簽，分別點開每個標簽可以看到相應的文字講解和圖片內容，非常形象直觀。其中生長環境一欄，介紹了該植物的野生環境（海拔、溫濕度、喜光或喜陰等）、目前人工馴養、組織培養情況等；在知識鏈接一欄，鏈接了該藥用植物的中藥名稱、拉丁名、藥用部位、功能主治、常用配伍、現代藥理研究等內容。除此之外，在專業延伸部分，補充了與該藥用植物相關的生藥學和中藥鑒定學內容、中藥材飲片識別、真偽品的鑒別及中藥炮制方法等。這樣每一種藥用植物都能得以縱向和橫向的延伸，以植物為線索，將相關專業知識得以有機融合，使學生對本學科的專業知識體系有更完整的認識。

3 本?！端幱弥参飳W》網絡虛擬教學平臺建設的設計思路

3.1 平臺的模塊設置

本校的藥用植物學虛擬實驗室是在廣泛吸取了國內多個國家級虛擬實驗室的基礎上，結合本校課程設置的特點和需求，以及對秦巴山區藥用植物資源研究進行改進而建設的。該系統由學生使用的前臺系統和教師操作的后臺系統組成，包括植物圖庫、藥植現場采集、藥用植物解剖、野外實習指導、相關知識拓展和用戶自學測評六個模塊。學生可以通過前臺學習系統在平臺中完成藥用植物的理論學習、預習、復習、知識拓展、野外實習、學習討論和考試。教師可通過后臺設置系統添加班級、學生和教師信息，增加植物種類和對內容進行編輯，添加管理題庫、設置題目類型和權重，設置試卷生成規則、設置考試時間和自動閱卷生成考試成績?！端幱弥参飳W》網絡虛擬教學平臺主要模塊內容簡圖見圖1。

圖1 《藥用植物學》網絡虛擬教學平臺主要模塊內容簡圖

3.2 平臺的功能分區介紹

整個系統同時又按功能進行分區，分為全國藥用植物資源、秦巴山區藥用植物資源、“太白七藥”藥用植物資源、蠟葉植物標本庫、藥用植物檢索數據庫、藥用植物對應的生藥檢索數據庫。全國藥用植物資源主要包括我國不同經度、緯度、不同海拔的代表性藥用植物，分別介紹了植物的基源信息和生長環境；秦巴山區藥用植物資源主要介紹秦嶺大巴山及其毗鄰地區主產的藥用植物，包括甘肅、四川、陜西、重慶、河南、湖北六省市主產的道地藥材，其主要目的是為陜產道地藥材的教學和普及提供平臺；“太白七藥”是指太白草藥中以“七”命名的藥，具有極高的醫療價值，是珍貴的民族文化遺產。由于太白七藥以前多為民間應用，存在大量“同名異物”和“異物同名”的現象，在使用過程中常常容易混淆而影響藥效，因此“太白七藥”藥用植物資源模塊在支持教學的同時，可以對“太白七藥”研究起到正本溯源的作用；蠟葉植物標本庫展現常用的和代表性藥用植物的各器官部位的蠟葉標本以及文字和語音講解；藥用植物檢索以《中國植物志》電子版為數據庫，可以根據拉丁名檢索對應的藥用植物，或根據植物名稱檢索所屬科屬種信息、拉丁名、植物鑒別要點、產地以及功效等。

4 《藥用植物學》網絡虛擬教學平臺試用效果調查分析

4.1 調查問卷設計

將本平臺對在校藥學系學員公開試用，并作問卷調查（表1）。主要調查內容涉及《藥用植物學》網絡虛擬教學平臺的內容設置、教學方式、可接受度、學習興趣、學習效果等方面。

表1 《藥用植物學》網絡虛擬教學平臺試用調查問卷及結果[n（%），n=70]

4.2 調查結果反饋及分析

試用者中70名學員參與問卷調查，問卷回收率為100%，經SPSS數據分析信度系數（Cronbach's ɑ）為0.81。調查結果表明，學員認為虛擬教學模式非常必要，對提高學習成績和實踐能力都很有幫助。而且多數的學員對相關知識拓展感興趣，其次是藥用植物圖庫和野外實習指導，可見網絡虛擬教學平臺能很好的彌補傳統線下講授教學中學時有限、學員感官認知缺乏、實地見習受限等不足，也滿足了學員學習中的個性化需求。特別是對于陸軍學員野外生存，辨識可食用植物和有毒植物很有幫助。

同時也有學員認為平臺展示的植物種類偏少（55%），學科間聯系還不夠緊密（32%）?？梢妼W員的學習興趣非常濃厚，期待通過平臺學到更多的專業知識。對此我校后期會通過后臺設置系統不斷完善學習平臺，增加內容和植物種類。通過建設《生藥學》和《中藥學》網絡虛擬教學平臺，對相關知識進行鏈接和融合，增強學科間的有機聯系。調查顯示多數學員對平臺的設計和使用效果滿意。

隨著信息化和人工智能的發展，利用計算機、網絡為手段進行現代化教學已成為高校教學的主流。以計算機網絡結合虛擬現實技術為基礎的教學探索已在儀器分析[3]、醫學[4-7]、建筑[8]、化學[9-10]、分子生物[11-12]等方面取得了良好的成效。在多種學科的實驗教學中也取得了顯著優于傳統實驗的教學效果[13]。2020年各大中小學、企業等面臨停工停產，國家各個行業都面臨的前所未有的挑戰。為了響應教育部“停課不停學”的號召，各種網課和APP應運而生。我校主推了“超星網絡教育平臺—學習通”開展線上理論課的教學[14]，但多數實驗和實踐教學由于空間的局限，受到很大影響。而實踐教學作為高等教育的重要環節，是我國教育部對于歷次教學改革再三強調的問題。實踐教學對提高學生動手實踐能力，培養學生的創新性和創造力起著不可替代的作用。甚至為提升我國職業教育質量，教育部近日明確規定職業教育和專業性人才的培養過程中，實踐性教學學時數原則上占總學時數50%以上[15]。實踐教學不僅對傳統理論教學和講座信息容量進行擴充，提升了教學效率，同時師生在實踐教學和操作過程中能對現有技術進行改進和改良，甚至發現新的實驗現象進而激發學生的創造力和創新能力。

本《藥用植物學》虛擬教學實驗平臺的使用有利于增強本專業學生理論學習與實踐的聯系，調動學生的學習興趣，為本科生開展課外科研提供思路和興趣點；同時也可普及相關專業學生的中藥以及藥用植物學常識，增強學科之間的聯系和各專業之間的融會貫通，是一種兼專業與科普、融教學與科研為一體的新型靈活、接受度高、值得推廣的教學模式，是《藥用植物學》實驗教學改革的一個創新實踐。