VR技術在植物分類學課程中的應用

［摘 要］信息技術的不斷發展有效地提升了高校課程的教學效果，尤其是虛擬現實技術（VR）與課程的深度融合產生了劃時代的教育新范式。高校植物分類學課程教學中，為培養學生分類觀察與分析能力，應用 VR技術，構建虛擬植物標本館、模擬植物分類環境、助力野外采集與標本制作，可提升植物分類學課程教學效果，提高學生學習興趣與積極性，培養學生的空間想象力，豐富標本資源，拓展課程知識。

［關鍵詞］虛擬現實技術；植物分類學課程；高校；教學

［中圖分類號］G712 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2024）12-0046-04

隨著計算機技術和三維虛擬仿真技術的發展，虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術在醫療、工業、教育、交通等領域的應用日益廣泛。VR技術可以創建沉浸式的虛擬環境和模擬情景，讓使用者可以身臨其境地進行交互式學習。這對于提高學生學習興趣，增強學習效果，特別是對于需要進行場景體驗的學科而言，具有獨特的優勢。植物分類學是生物類專業的重要基礎學科，需要學生通過大量標本觀察、鑒定來掌握植物的分類方法與原則。但當前的植物分類學教學仍然存在一些問題，例如，學生僅僅依靠對圖片的觀察很難建立起在立體空間中對植物形態結構的直觀認知。因此，將VR技術引入高校植物分類學課程，對激發學生學習興趣，提高教學質量具有重要意義。本研究將探討VR技術在植物分類學課程中的具體應用方式，并對存在的問題及未來的發展趨勢進行分析，以期推動VR技術在生物科學及相近專業教學領域的應用，從而豐富植物分類學課程的教學手段，提高教學效果。

一、VR技術在教學領域的應用情況

近年來，VR技術在教育領域的應用日漸廣泛。在自然科學教學中，VR技術可以模擬宇宙空間、細胞結構、植被生態等模型，學生可以身臨其境地觀察各種事物的運動變化，有助于加深對抽象科學概念的理解[1]。在歷史文化課程中，VR技術可以重建古文明遺址或重要歷史事件場景，幫助學生通過虛擬時間旅行，增強歷史觸感。例如，學生可以穿越到古羅馬角斗場，親身感受那個時代的建筑奇觀和角斗氛圍[2]，這相比于僅僅觀看圖片或視頻無疑能帶來更深刻的歷史體驗。在語言學習中，VR技術可以模擬真實語言環境，如街景、商店、餐廳等，讓學生通過沉浸式的角色扮演對話來提高口語能力。這種沉浸式學習可以降低學生學習外語時的焦慮情緒，提高其學習興趣[3]。在職業教育、技能培訓等方面[4-5]，VR技術更是將其優勢和潛能展現得淋漓盡致，它可以通過打造沉浸式的學習環境，提供安全的可以反復練習的條件，從而激發學生的學習興趣、提升教學效果，這種創新的教學模式對傳統教育產生了深刻的影響。

二、高校植物分類學教學課程的現狀及存在的問題

高校植物分類學課程以植物的形態分類知識為主線，通過理論教學和實驗實習兩種教學形式，使學生掌握植物形態特征的觀察與描述方法，了解植物命名法則與分類體系，最終能夠準確地識別和鑒定不同的植物分類群[6]。理論與實踐相結合是該課程的主要特點，學生既要掌握植物分類學的基礎理論，又要具備運用所學知識進行植物觀察和鑒定的基本技能。

長期以來，高校植物分類學課程較為注重理論知識的傳授，忽視了學生分類觀察與分析能力的培養[7]，這與當代分類學研究的新發展脫節。具體來說，課程知識更新不夠及時，仍停留在傳統的分類體系上；課程設置過分強調記憶，而不足以激發學生的分類興趣與主動學習精神；理論教學與實際應用仍有差距；標本保存狀況與實驗實習條件較為欠佳。這些問題容易導致學生在現有的教學條件下，學習效果不佳，限制學生分類觀察、分析與鑒定能力的培養[8]。因此，有必要通過調整教學內容與方法、豐富教學手段、完善實習條件等方式，使植物分類學教學更貼近學科發展前沿，以提高人才培養質量。

三、VR技術在高校植物分類學課程中的應用

（一）構建虛擬植物標本館

利用VR三維建模技術，可以構建虛擬的植物標本館。在虛擬標本館中，可以按照科學的標本布局（如按分類系統和地域區系）展示各類數字化植物標本[9]。學生戴上VR設備進入虛擬標本館后，可以自主地在標本館內翻看所有的虛擬標本[10]。同時，虛擬標本館可以模擬真實標本室的光照條件、空間氛圍等，營造沉浸式的虛擬學習環境。這可以打破實體標本館的空間限制，實現標本資源的共享，使更多學生在虛擬環境中獲得觀察標本的機會[11]。

VR虛擬植物標本是將實物植物標本數字化建立的三維虛擬植物標本，學生可以通過VR設備觀察虛擬標本的形態結構，從而解決實物標本數量有限、保存狀態差等問題[12]。在VR環境中，學生可以自由選擇觀察標本的角度和方位，進行全方位立體觀察，甚至可以放大標本的局部微小結構。同時，VR植物標本還可以展示一些標注信息，如植物組織名稱、特征等，輔助學生學習[13]。此外，VR植物標本展示還可設置不同的情景模式，模擬野外環境，讓學生身臨其境地觀察虛擬植物標本，增強空間想象力和分類鑒定能力。

（二）模擬植物分類環境

利用VR技術，可以高度仿真構建多種虛擬植物分類環境，為學生提供沉浸式的虛擬野外教學體驗[14]。例如，營造逼真的熱帶雨林環境，虛擬植被層次分明，學生可以深入觀察熱帶雨林中的植物形態特征；可以構建干旱的沙漠環境，讓學生觀察沙漠植物的適應性狀。同時，在模擬的人工栽培環境（如植物園、植物溫室、種植基地等）中，學生可較好地觀察人工管控下不同植物的狀態。相比實際野外教學的種種限制，VR虛擬環境可以自主控制季節、氣候等參數，全方位展示植物形態特征，幫助學生培養立體的植物分類思維。這種沉浸式的虛擬分類環境，可以彌補現有教學條件的不足，達到事半功倍的教學效果[15]。

（三）助力野外采集與標本制作

利用虛擬現實技術構建沉浸式的野外植物采集環境，是應用VR輔助植物分類學課程教學的重要環節。在逼真的虛擬森林、草原、濕地等復雜場景中，學生可以身臨其境地使用虛擬工具采集各類野生植物[14]，虛擬植物標本涵蓋不同植被類型中的代表種，采集工具能夠實現真實的物理碰撞、切割等效果，而且可以設置隨機天氣、動物干擾等情境，提高采集難度。學生完成虛擬野外采集后，可以進入功能齊全的虛擬植物標本加工室。這里提供按壓機、烘箱、枝剪刀等虛擬儀器設備，用于對采集的虛擬植物進行精確的標本加工[16]。軟件可以檢測標本制作的精確度，對標本質量、壓平效果等給出即時反饋。虛擬標本制作能夠避免損傷真實植物，實現資源的保護與可持續利用。制作完成的高質量虛擬植物標本會上傳到系統數據庫中進行統一管理，學生可以在虛擬植物標本館中翻閱自己的采集成果。通過重復的虛擬野外采集體驗，學生可以有效培養野外觀察、采集和制作能力。相比現實的野外采集限制，虛擬環境的最大優勢在于可以自定義植物分布、氣候、地形等條件，提供系統而全面的野外教學效果。這種沉浸式的虛擬植物采集與標本制作體驗，能夠強化學生對實際野外植物進行分類的能力，促進理論與實踐的有機結合。

四、VR技術對植物分類學課程教學效果的提升

（一）提高學生學習興趣與積極性

虛擬現實技術可以構建高度仿真的沉浸式的虛擬植物分類環境，讓學生身臨其境地觀察各類植物標本，加深對不同植物類群的印象，激發學習興趣[12]。例如，可以利用VR技術模擬植物的進化過程，讓單細胞到多細胞的形成這一抽象知識變得直觀。在這樣的虛擬環境中，學生可以更好地理解植物分類的由來。此外，VR技術能夠可視化地呈現植物的分類系統，學生可以在分類樹不同的分支上“行走”，對各分類群的代表植物進行觀測，加深對植物分類系統的認知。總體而言，VR技術通過沉浸式體驗，將枯燥的植物分類知識轉化為新穎的探索體驗，能夠調動學生學習的積極性，培養學生對植物分類學課程的興趣。

（二）培養學生的空間想象力

虛擬現實技術可以高度逼真地模擬植物的三維特征，相比傳統的二維平面教學能更有效地培養學生的空間想象力。在VR環境中，學生可以自主調整視角和距離，全方位觀察精細的三維植物模型，從不同的角度檢視植物的形態結構，加深對其特征的理解。這種自主探索的學習方式，極大激發和增強了學生的空間思維能力。除了靜態的三維植物模型，VR技術還可以模擬復雜的三維場景，培養學生運用和組織空間信息的能力，如根據周遭植被變化判斷自身方位、繪制思維導圖等。這些虛擬場景還可以設置隨機出現的各種動植物，學生需要根據周邊環境變化做出快速反應，判斷方位，從而增強空間觀察力。VR技術通過多種交互式的三維環境與任務的模擬，切實培養和提升學生的空間想象與思維能力，這對學習準確分類識別植物至關重要。

（三）豐富標本資源，拓展課程知識

由于采集、保存及運輸等方面的限制，許多高校的植物標本數量有限，且種類較為單一，這在很大程度上制約了植物分類學課程教學的內容拓展。利用虛擬現實技術能夠構建高度仿真的數字化三維植物標本，有效彌補真實標本的種類和數量不足的問題，大幅拓展了植物分類學課程教學的知識范圍。VR技術能夠實現快速構建包含海量植物圖片的數據庫，搭建出任意數量的三維植物模型，覆蓋包括珍稀、外來種在內的各類植物，而真實標本則難以做到。同時，VR技術能夠構建放置在不同的環境下，如雨林、草原等多個虛擬場景的植物，從而幫助學生了解植被分布規律，突破單一標本的限制。此外，VR數字標本還能實現內容的持續動態更新，且不像實物標本那樣容易被損壞。因此，VR技術構建的數字化植物標本，在數量、種類、結構等方面彌補了真實標本的不足，顯著拓展了植物分類學課程的知識內容。

五、問題與展望

當前VR技術在植物分類課程教學中還存在一些問題。首先，VR內容制作需要耗費較大的人力與物力。植物結構復雜多樣，要構建精細、逼真的三維模型，需要專業制作人員投入大量時間，且多次修改調整細節。比如構建一株典型的薔薇科植物的模型，需要經過收集圖片、建模、添加紋理等環節，至少需要設計師耗費1～2周的工作量。其次，VR設備的高價格也制約了其在植物分類學課程教學中的大規模普及。配備符合要求的VR頭顯、數據手套等一套虛擬仿真系統，需要投資數萬元以上，而學生人數眾多，很難確保每名學生獲得獨立的虛擬實驗體驗。最后，VR教學效果評估體系還不夠完善。

但是，隨著數字信息技術的進一步發展，上述技術層面的限制正逐步被打破。基于深度學習的三維重建算法，可以快速自動生成植物模型。比如利用循環神經網絡，只需要輸入菊花的數十張不同角度的照片，就可以快速生成出高逼真的三維菊花模型。這樣可以大規模自動批量生成不同的VR植物標本。此外，新型輕便的VR設備更易于學習使用。以最新一代Oculus Quest 2頭顯為例，它采用便攜一體設計，內置處理器，不需要額外電腦連接。學生只需佩戴頭顯，手持操作桿，就可以自由觀察VR中的植物標本，提供完整的沉浸式體驗。面向未來，云端技術支持下的虛擬植物標本館能夠提供更加開放豐富的VR植物分類學資源，打破課程地域限制，將深刻拓展植物分類學課程的教學模式。學生甚至可以通過互聯網訪問位于世界頂尖大學的云端VR植物標本館，自主選擇并深入了解豐富多樣的植物類群，獲得開放式的虛擬學習體驗。

可以預見，基于視聽技術的快速發展，VR技術支持下的植物分類學教學在算法、設備、內容及模式上都會得到長足發展。這不僅將大幅提升學習效果，而且將深刻改變和優化植物分類學的教學模式。

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［責任編輯：雷 艷］