虛擬仿真技術在植物學野外實習中的應用

童躍偉 原萌 朱婉慧 屈利利 王意 項小燕

摘要 ?由于傳統實驗操作存在一些弊端，無法滿足現代教學改革對實驗實訓的需求。為了培養學生的創新精神和實踐能力，虛擬仿真技術應運而生。在計算機與網絡技術的飛速發展下，虛擬仿真技術得到進一步推廣與應用。野外實習是植物學課程開展植物鑒定學習的重要手段和措施，受到諸多因素的制約。在植物學野外實習中運用虛擬仿真技術，增加了學生的實踐機會，提高了學生對實驗的學習興趣，加強了學生對理論知識的理解與認知，為植物學課程提供了新思路和新教學模式，且獲得了良好的實驗教學效果。

關鍵詞? 植物學；野外實習；虛擬仿真；教學改革；實踐能力

中圖分類號? S-01? 文獻標識碼? 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（資源服務）標識碼（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

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

作者簡介? 童躍偉（1987—），男，安徽蕪湖人，講師，博士，從事植物學與生態學教學改革研究。*通信作者，教授，博士，從事植物學與生態學課程改革與實踐研究。

收稿日期? 2023-07-17

在植物學實踐教學中，野外實習是實驗教學的重要內容，是理論課堂教學的擴展。此外，植物學野外實習也可以促進學生對自然的親近和熱愛以及對專業的學習興趣和動力［1］。由于我國人民生活水平不斷提高，學生對生活中的事物了解較少，休閑時間大部分在網上沖浪，有的學生甚至都分不清楚黍子、谷子、水稻、小麥。植物學以及生態學的野外實踐可以幫助學生接近自然、了解自然。通過野外實踐，學生可以從教室走到大自然中，在豐富多彩的自然界中學習各種植物的種類和形態，這種教學方法更加形象生動。它不僅可以鞏固和提高課堂上的知識，而且可以使學生在理論與實踐上相結合［2］。但是，野外實習會受到對珍稀植物的限制性采集保護，植物生長發育期與實習期不同步，雷雨、大風等惡劣天氣的影響，并且踩踏、采摘對自然保護區生態環境和物種的破壞，野外環境不可預知的危險（毒蟲野獸、爬山涉水等），師資不足，經費投入大等因素也制約著野外實習的有效開展，使野外實習難以取得預期的效果［3］。疫情的出現給野外實習增加了難度。

虛擬仿真實驗資源來源于國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺［4］。它為高校在信息化條件下的開放辦學和資源共享需求，提供了先進的教學手段、開放的平臺和優質的資源，并能靈活地增加各種設計性實驗，使學生能夠自行設計各種實驗方案。它不僅能提升人才的素質，而且能為實驗教學的改革與建設注入新的活力和動力。同時，該技術具有投資少、安全性高、能在極端環境下進行實踐操作教學，為教學提供了強有力的支撐［5］。虛擬仿真技術激發了學生的學習興趣，使得線上+線下教學在疫情背景下發揮出更大的優勢。“虛實結合”的實驗教學培養了學生系統、完整的實驗技術，拓寬了學生的學科視野，提高了學生的綜合實踐能力，加強了信息化與創新能力。

1? 植物學野外實踐教學中應用虛擬仿真技術的必要性

植物學實驗教學主要包括實驗室課程實驗以及野外植物調查2個部分。從實驗室到野外，學生的學習環境發生了改變，使得學生在實踐中的接受能力較差，實驗過程缺乏連續性和系統性。傳統的實驗教學方式比較單一，教師講解配合視頻播放，學生常常按照原有的實驗技術路線來操作，很難調動其興趣以及創新性和積極性；野外實習學生常常分小組進行調查，對于植物僅短時被動記憶，課后復習時很難記起原實物，增加了復習困難，很難取得理想的學習效果。受新冠疫情的影響，部分學生不能正常返校參與野外植物調查，且實習地點的范圍受限導致學生不能很好地完成擬定的實驗任務，進而導致學生對植物群落生態特征以及植物分布的認知比較單一。在標本、切片制作以及花的解剖實驗中，也加大了學生對體式顯微鏡及微距鏡頭等儀器設備等操作的困難。因此，在植物學實驗課程中廣泛運用虛擬仿真技術，極大地擴展了實驗教學內容，在三維立體的實踐環境中通過培養學生的感性認識，使他們能夠更好地了解教學內容，從而彌補傳統教學方法的缺陷，使植物學的整體學習更加有效。

2? 采用新的教學模式，構建虛擬仿真教學實驗室

2.1? 思路的構建

實驗教學被視為培養專業人才的重要環節，特別是在培養具有創新精神和實踐能力的應用型人才過程中，應以學生為主體，通過實驗來培養學生的思維能力，注重學生對課堂所學知識的實際應用能力［6］。應用創新教育理念，結合虛擬仿真系統進行實驗。虛擬仿真系統在植物學的應用主要包括進入實驗、實驗預習、實驗演練、樣方選取、植物認知、性狀調查、細胞切片、精細解剖、數據分析、實驗考核等模塊。主要有三大功能：一是使學生能夠完全消化和吸收課堂所學知識。教師們在教室配合多媒體投影技術進行線下教學，學生在接受教師指導后，通過記筆記等方式了解實驗操作，課下及時通過虛擬仿真系統進行復習演練，在虛擬現實（VR）教學中加深學生對課堂內容的印象。二是對學生開展模擬實訓，使學生能夠獲得真實的操作體驗和真實的場景，形象地模擬植物的生長環境和生長發育規律，讓學生在虛擬場景中邊玩邊學，跟著指令操作一步步檢索、一點點接受指引，再加上VR技術具有人機交互的功能，能達到視覺、觸覺、聽覺和嗅覺等感官的真實體驗［7］。三是建立資源共建共享機制，通過深化交流與合作、互相學習和借鑒，使虛擬仿真實驗教學中心成為實驗教學的理念、內容、方法、手段、模式交流與開放共享的重要平臺［8-9］。

2.2? 高校虛擬仿真實驗室的構建

大連大學“仙人洞自然保護區藥用植物學虛擬仿真系統”通過人機交互的形式，讓學生線上模擬野外植物識別及標本制作的整個過程。實驗內容以“仙人洞野外實習虛擬場景”為主線，運用知識點對照虛擬植物模型綜合分析并對植物特征進行學習。系統有2種模式：一種是學習模式，另一種是考核模式。學習模式具有高亮光提示及文字提示，考核模式分為學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）。植物庫部分包含實驗中所見到的多種植物，其中包括葉、花、果實、種子的高清大圖，便于學生查看學習。此外，在不同海拔地區設置樣地，對比不同海拔梯度群落植物的分布特征，完成虛擬人物設定，模擬真實的野外植物調查過程。

東北師范大學使用的“森林木本植物群落特性”虛擬仿真軟件是一個與大學本、?？粕鷳B學課程相配套的在線虛擬實驗教學平臺。主要展示學生應用無樣地抽樣技術中的“中心點-四分法”完成森林木本植物群落特性的研究。通過模擬實驗，模擬出實際植物群落特性。研究內容包括種群數量特征統計分析、鑒定等。例如，選擇調查路線（圖2a）；觀察樣地樹干、樹葉、果實等特征，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果（圖2c），并將其填入調查數據表格（圖2d），填寫實驗報告。根據指示選定樣本，判斷植物類型，還可以點擊查看該種植物的高清大圖。學生邊做實驗邊做記錄，實驗結束時進行提交，同時教師還可以通過教學平臺對學生作業進行批改、在線解答和打分。該平臺可以加強師生線上互動，高效地實現高質量線上實驗教學操作。

中山大學“植物群落野外實習”系統增加了預習模塊，在正式演練前對實習工具、測量方法、數據分析等進行講解，根據實驗提示選擇調查樣方，并利用工具完成調查任務。采用三維仿真模式，同時借助2D圖像和植物簡介，從多個角度進行植物特征觀察，全面認識各階段植物的特性（圖3a）?？煞謩e利用喬木層、灌木層、草本層樣方進行數據采集，掌握群落數量性狀（多度、蓋度、頻度、高度等）測定方法（圖3b），保證調查數據的完整性，并對調查資料進行初步數據整理，根據重要值、物種多樣性以及生物量分析等方法，計算出相應結果，學習數據分析方法，達到識別分析群落的目的（圖3c）。實驗模擬測試確認提交后，系統會自動反饋出成績、得分與失分項（圖3d），便于學生在模擬測試中了解自己的實際操作知識，以提高自己的學習效果。

大學實驗教學必須積極主動地適應新技術的變革，以開放、適應、引領的態度與行為來應對虛擬現實教學改革。以網絡開放虛擬仿真實驗項目為契機，促進高質量資源的共享［9］。

2.3? 疫情常態化下的虛擬教學

虛擬仿真實驗資源來自國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺，在新冠疫情期間由于學生不能返校，無法動手開展實驗，在線虛擬模擬實驗充分利用了它的優點，解決了無法進行線下實驗教學的問題。虛擬模擬實驗與微型課程的有機結合是目前開展網上實驗教學較好的方法。

在疫情初發階段，許多高校由于疫情被迫取消了班級野外實習，學生與自然的聯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踐很少。隨著疫情常態化，虛擬仿真技術越來越普遍，許多高校積極開展虛擬系統的操作研發，虛擬仿真技術在教學中得到進一步推廣與運用。采用突破常規實驗的方式，學生可以在任何時間、任何地點登錄虛擬仿真實驗室，選擇合適的實驗項目，進行模擬實驗［10］，有效應對了疫情導致的野外實操推遲甚至取消，使野外實驗在實驗室也可以順利進行。

3? 植物學虛擬仿真實驗課程教學總結

植物學虛擬仿真實驗課程具有以下優勢：①通過三維立體模型加強學生的植物認知。通過植物三維立體模型，直觀認知掌握植物的形態結構特征和鑒別、鑒定方法。②虛擬場景，真實感受。通過虛擬自然生態場景，了解植物的生長狀態、生活環境、分布特點。③降低外界因素對實踐教學的干擾。避免天氣因素、限制性采集、多數植物開花結果期與實習時間不同步對實踐教學效果的影響。虛擬仿真實驗可以與實踐教學進行互補，是有效完成實習計劃的重要保證。④為學生創造靈活的學習方式。學生能夠靈活自主地選擇學習時間、地點，有效合理地學習，提高實踐認知效果。⑤提高學生的學習興趣。3D動畫以及虛擬仿真自然保護區天然實景，學習過程生動直觀，改變了枯燥的植物特征識別學習方法。⑥先虛后實，虛實互補，加強實習效果。通過先期校內野外實習虛擬仿真實訓教學，使學生在掌握野外實習的基本知識要點后，帶著探究的目的接近真實的野外實習，可為達到良好的實習效果奠定基礎。在實習過程中，也可以隨時隨地登錄虛擬系統，虛實對照，以虛補實，虛實結合，將植物學理論知識與實際知識有機結合，加強實習效果。

然而，虛擬仿真實驗課程目前也存在一些不足之處：①數字化切片、花的解剖等操作性步驟并未被廣泛運用。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表皮組織等虛擬切片的制作，使得學生可在虛擬系統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，可以在系統中指導學生運用體式顯微鏡繪制出精細解剖圖。②虛擬仿真實驗平臺的音效有待加強。操作環境的音效可以更加逼真，比如增加鳥類的鳴叫以及風吹樹葉“沙沙”的聲音，使實驗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。同學之間缺乏交流互動，缺少團隊合作。④占用內存大，在實際操作中可能會出現卡頓和閃退等現象，需要后續進行解決。⑤目前虛擬仿真技術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，應該建立各大高校虛擬仿真平臺資源共享體制。

近些年，國內外有關植物學實驗教學改革根據自身教學特點和教學現狀，從實驗室建設、教學方法、考核方法等方面進行了探索［11］。由于新冠疫情的出現，各大高校都對新型教學方式進行了多次探索與嘗試，在虛擬仿真技術的運用下，將傳統的“以教促學”方式轉變為學習者通過與技術信息互動來獲取知識技能的學習方式，并取得了明顯的成果。各大高校與企業相互協作，促進高校實驗教學信息化更好、更快發展。在新時代背景下，充分發揮教育信息化的獨特優勢，為我國教育事業貢獻新的力量，開辟新的人才培養路徑。

參考文獻

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