植物学虚拟实验平台的构建及应用

成 丹， 崔 瑾， 王庆亚， 刘琳莉， 钱 猛， 沈振国

(南京农业大学 a.农业生物学国家级虚拟仿真实验教学中心; b.生命科学学院，江苏 南京 210095)



·专题研究——虚拟仿真实验(30)·

植物学虚拟实验平台的构建及应用

成 丹a， 崔 瑾a， 王庆亚b， 刘琳莉a， 钱 猛a， 沈振国b

(南京农业大学 a.农业生物学国家级虚拟仿真实验教学中心; b.生命科学学院，江苏 南京 210095)

植物学虚拟实验平台结合了虚拟显微镜系统、植物识别系统、植物学数字课程和虚拟仿真实验4个功能模块，系统地整合了植物组织解剖、植物类群分类两部分实验教学资源。平台首次将虚拟仿真教学资源应用于植物组织结构观察和植物分类识别鉴定的实验教学，各教学资源既相互独立、自成一体，又能贯穿植物学实验技术的整个过程，可根据实验要求进行灵活组合，以满足学生个性化学习方式的需求。通过该平台的应用，不仅扩充了教学信息容量,提升了教学效率,同时也有利于教学资源的管理和利用,推动了植物学实验教学模式的改革和创新。从植物学实验教学中的实际应用出发,具体探讨了虚拟实验平台的构建思路，实现模式及应用效果。

虚拟实验平台； 植物学； 虚拟仿真； 实验教学

0 引 言

植物学是生物学与农学各专业的专业基础课，是学好其它专业课的基础，植物学实验教学在生命科学中占有很重要的基础地位[1-2]。长期以来，植物学实验教学存在的问题主要表现为，实验内容单一，验证性实验多，基本技能得不到提高，由于受到采样制作的影响，很难获得完整的发育过程，又由于受季节的影响，在分类实验中观察不到典型的花。根据实验教学过程中存在的问题，有针对性，选择性的进行虚拟实验开发与研制，能切实有效地提高植物学实验教学效率和教学效果。

近年来，在植物学实验教学改革方面，不少学者结合各自学校的教学特点及现状，主要从植物学实验室建设、改进教学方法、改革考核方法等方面进行了探讨，但这些改革还不能从根本上解决上述问题[3-6]。通过建立虚拟实验平台开展虚拟实验, 运用计算机模拟植物发育的形态结构变化,重要典型的植物的形态结构，使学生达到“身临其境”的效果,提高植物学的实验教学效果。

1 虚拟实验平台的构建思路

虚拟实验平台的本质属性是实验教学平台，平台建设应遵循“技术设计为教学设计服务”的原则[7-8]。在具体实践中，应在充分体现虚拟实验资源独特优势的前提下，最大限度利用校园网络、服务器、传统仪器设备等现有基础设施，前瞻性地将分布在不同位置的各类型虚拟实验资源通过网络得以共享。平台的功能应能弥补目前实验教学中所存在的缺陷，具有网络教学功能和网上实验操作功能，具备一定的智能特性。

1.1 目前植物学实验教学存在的问题

目前植物学实验教学存在的问题主要表现为，实验内容单一，验证性实验多，基本技能得不到提高。传统的植物学实验几乎全为验证性实验，通常都是以教师介绍实验内容和方法，然后学生进行实验以验证学过的理论知识，严重制约了学生实践能力和创新能力的培养。

在实验材料方面，由于受到季节的影响，现在的植物根、茎、叶的初生或次生发育结构切片时期较少，特别是反映发育的典型珍贵制片更少,这些切片在制作时因植物生长时期难以把握，制作比较困难。例如在花芽分化的实验中，学生观察的是油菜花芽分化的制片,因为是总状花序，花多且处在不同发育时期，但由于花在花序上排列很不规则，学生基本上只能观察到花芽分化5个时期中的2～3个时期，而且典型的剖面极少，在雄蕊和花粉粒发育结构观察中也存在类似问题。因实验课时及实验条件的限制，目前学生在课堂上只能观察2张切片，通常观察不到完整的发育过程，有时就是2张切片也不典型；再如胚囊和胚的发育结构观察实验，胚囊的发育有6个时期，而胚的发育有7个时期，比较复杂，许多的发育时期因为取材等原因很难在切片中看到，有时即使看到也因为切面位置不正而不典型，不利于这部分重要实验内容的掌握。同样，受气候，植物花期等客观因素的影响，此类问题，在植物分类方面的实验教学中，更为突出。

1.2 虚拟实验平台的功能设计

虚拟实验平台应包括如下几部分功能：

(1) 满足实验教学的需要。虚拟实验平台建设的最终目标不是为了虚拟而虚拟，而是让学生通过虚拟实验对象更快速有效地学习实验原理、掌握试验方法，训练实验技能，从而提高实验教学效率和学生的创新实践能力[9]。

(2) 课堂实验教学的拓展。课堂的实验教学毕竟有着时间、地点等多方面的客观条件的限制，虚拟实验平台的建设目的，是能够建立交互性能良好的虚拟实验环境，并且能够让学生不受时间和地点的限制对平台内各虚拟实验室中的设备及对象进行操作，以达到课堂实验教学的效果。

(3) 实验教学限制条件的突破。虚拟实验平台的建设重点，不仅仅局限于目前实验条件下的实验教学的虚拟。例如某些很经典的实验实例，因缺少实验环境和实验手段，在实际的实验教学课堂上根本无法完成；对于此类经典实验，可以通过建立虚拟实验来完成，从而提高了实验效率，节约了实验成本。

(4) 实验资源整合和共享。虚拟实验平台面向全校，充分考虑多种技术的融合，以实现全校虚拟实验资源的整合，并涵盖主流的网络技术和设备，通过网络技术环境的搭建，实现实验资源的整合与共享[10]。

2 虚拟实验平台的设计

针对目前现有的实验环境和实验手段,建设了植物学虚拟实验平台。该平台主要通过B/S 架构进行构建，不依托于其它昂贵的外围设备。该虚拟实验平台的所有的虚拟实验项目，均可以在客户端的电脑上操作完成。本平台所需的硬件设备，主要是一台高性能的网络服务器及交换机、路由器等网络设备。

2.1 虚拟实验平台的系统架构

本虚拟实验系统，根据虚拟实验开发的技术平台的不同，采用了两种主流的网络架构，B/S 架构和B/C架构，B/S 架构是本系统的主要网络架构。

以目前的技术看，基于校园网建立 B/S 结构的虚拟实验室，并通过Internet/Intranet 模式下数据库应用，相对易于把握，成本也是较低的。它是一次性到位的开发，能实现不同的人员从不同的地点，以不同的接入方式访问和操作共同的数据库；它能有效地保护数据平台和管理访问权限，服务器数据库也很安全。在信息安全方面，本平台的绝大数功能只针对校园网用户开放，且本平台的大部分浏览器端的功能，都通过插件才能得以实现，安全性能相对较高[11]。

虚拟实验平台的制作主要由多媒体资源制作与软件编程两部分组成。利用Visual Studio、Flash CS3、3D Max、Unity3d等工具构建了基于ASP. NET的交互式站点平台。网站服务器端软件采用Windows Server 2008、IIS(Internet Information Service)、DotnetFramework4.0及SQ L Server 2008数据库;服务器端硬件采用Dell PowerEdge R720服务器。客户端可以通过浏览器高效、快捷地访问虚拟实验平台。

2.2 虚拟实验平台的功能架构

为了弥补上述传统教学模式的不足，构建了植物学虚拟仿真实验平台(图1)。平台首次将虚拟仿真实验应用于植物组织结构观察和植物识别鉴定教学。根据教学的需要，自主独立开发了校园植物电子地图、农田杂草识别系统和交互式虚拟仿真实验，以及主要植物的三维可视化模型，并完成了植物组织结构观察的虚拟显微镜观察系统建设。使学生在虚拟环境中感受植物学实验的真实体验，学习植物学的基本技能。通过虚拟实验平台系统的建立,将其应用于植物学、生命科学导论等植物学相关课程的实验教学。学生在没有显微镜、解剖镜和观察材料时也能自由观察和实验,不受时间和空间的限制,满足学生个性化学习方式的需求,使得学习更加便捷有效，推动了实验教学模式的改革与创新。

图1 植物学虚拟仿真实验教学平台构架

植物学虚拟仿真实验平台主要分4个功能模块：虚拟显微镜系统功能模块、植物识别系统功能模块、植物学数字课程功能模块、虚拟仿真实验功能模块。

2.2.1 虚拟显微镜系统功能模块

我们使用Motic数字切片扫描系统，通过全自动显微镜扫描平台、专业的摄像头、智能控制与扫描软件系统，把玻璃切片进行无缝拼接成整张数字化切片，在虚拟实验平台中，针对形态解剖学上的实验教学，建立虚拟显微镜系统，真正实现了纯数字化、网络化的显微实验教学[12]。

数字切片的使用不依赖于显微镜,而是利用相应的图像浏览软件进行观察,用鼠标操作可以选择切片任意位置,可进行任意倍率的放大或缩小,模拟显微镜观察模式,不产生图像信息失真。虚拟显微镜系统在计算机上，如同在显微镜下，可进行不同倍率观察，并在一定范围内((1～100)×)，实现倍率变化连续浏览切片，而且，通过计算机与网络系统，进行数字切片存储、管理、观察、分析、讨论等，相对传统方式，可不受空间与时间限制，使用起来更方便、功能更强大、应用更广泛[13]。图2所示为棉花叶切片。

图2 虚拟显微镜下数字切片(棉花叶横切)

2.2.2 植物识别系统功能模块

植物识别系统功能模块主要包括3个子系统：校园植物电子地图、虚拟3D系统、杂草鉴定系统。

植物电子地图是在传统的电子地图的基础上，结合植物图片库的功能。学生可以通过对校园电子地图的浏览，知道本区域的植物种类，并进而通过植物图片数字库，了解植物的具体特征。学生可利用网络进行在线浏览和学习，了解校园的常见植物。本植物电子地图，收集了学校常见植物200多种，对于植物分类学的学习，是很好的辅助手段。进入校园植物电子地图，点击选择的区域，显示常见植物的名称和植株彩色图片，目的是构建该植物的原生境整体形象。展示根、茎、叶、花或果实等各部分的形态特征和局部特征，如叶片表面的毛、花的附属物等，也是区分相似类群的重要依据。文字描述的内容包括植物的中文名及拉丁学名、所属的科和属、花果期、分布、生境、功能等，达到认识植物的目的。

虚拟3D系统是通过网络X3D技术对植物的形态结构进行3D仿真，可以真实地再现植物的三维外观形态特征(图3)。通过3D浏览器可以全视角的对植物模型进行观察，使学生能够立体的观察植物的形态，便于植物分类内容的学习。进入该模块虚拟3D系统，可以全视角观察向日葵、波斯菊、蜀葵、紫玉兰、山茶、油菜、百合、卡特兰、桔梗等的3D模型，达到全面掌握双子叶植物原始科——木兰科，具有重要经济观赏和药用价值的锦葵科、山茶科、兰科、桔梗科以及植物界最进化科——菊科的特征，为学好植物分类打下坚实的基础。

图3 虚拟3D模型植物浏览-蜀葵

杂草鉴定系统是对于要求查询的农田杂草等农业植物2 000多种，全方位立体呈现植株形态、花部解剖、局部特征等内容，将文字描述直观化、形象化，完成理论知识向实践的过渡。进入该模块的杂草鉴定系统，可以按照植物中文名称及拉丁学名、科属分类系统或植物营养器官或繁殖器官的特征进行检索。这些特征对于科、属、种等不同分类阶元的鉴别起着关键作用。通过检索认识农田杂草的形态图片和文字描述。

2.2.3 植物学数字课程模块

本平台融合了国内首门正式应用的数字课程——“植物学”网络课程，并作为一个功能模块在植物学虚拟实验平台上运行。为了提高教学效果，拓展教育传播方式，在植物学数字课程中引入虚拟仿真实验教学理念，采用动画的形式制作了植物形成层的变化、植物细胞的有丝分裂、植物的双受精等虚拟仿真实验教学多媒体课件，并成功应用于实验教学。植物学数字课程模块具有强大的自主学习功能，功能板块包括：课程导读、课程精讲、作业相关、自主测试、在线答疑、扩展阅读、虚拟仿真实验等。

进入植物学数字课程模块，学生通过点击该网页，在计算机上学习“植物学”，自己掌握学习速度，反复观看，利于发现问题、反馈信息，不受时间和空间的限制，比课堂教学具有更大的自由度和灵活性，学生的个性得到充分发挥。该系统有强大的自主更新功能，用于更新课程内容素材。数字课程通过文字说明(30余万字)、教师讲解、原色图片资料(6 200余幅)、视频(95个)、虚拟仿真动画(35个)等多样表现形式相结合进行内容展示。附件丰富，包括800余种重要植物、700多道的试题库和150多道思考题、500多条名词库、342个植物网址网页和80多篇参考资料库、植物学实验演示系统等[14]。

2.2.4 虚拟仿真实验功能模块

交互式虚拟仿真实验是基于Flash平台制作的，主要应用于实验步骤的可视化演示，并对关键步骤进行交互式操作。学生通过此系统，可以了解实验原理和操作流程，是实验预习和技能训练的极好手段，同时也能够掌握植物发育的全过程。进入交互式虚拟仿真实验系统，学生通过点击操作流程，完成临时玻片的制作、数码互动实验室的使用、植物茎的次生生长、植物胚囊的发育过程、植物胚的发育过程等，以及完成一些在实体实验中无法完成的实验项目。

3 虚拟实验平台的特色及应用效果

基于计算机和网络的虚拟实验平台，将植物学的形态解剖和分类学的实验教学资源，通过软件运行于纯硬件组成的网络多媒体教学系统之上，保证了网络教学方式的特色，既贯穿于虚拟实验教学的全过程，又落实到了每步具体操作中。目前，将虚拟实验平台与显微数码互动实验室相结合,进一步提高了植物实验教学效果,促进了植物学实验教学和考试模式的改革，学生平时在个人电脑或教学网站上,在没有显微镜、解剖镜和观察材料时也能自由观察和实验,不受实验时间和空间的限制,满足学生个性化学习方式的需求,使得学习更加便利有效。同时，对抽象的难以掌握的重要操作过程，如显微互动数码系统、手工切片制作方法以及移液管的使用等，通过仿真实验加以强化。仿真实验可以提供形象直观、内容丰富的学习环境,图文并茂、动静结合、节奏有序的实验内容,并以声音、图像等丰富的表现力帮助学生进行多感官的学习,这样无疑会增加学生的兴趣,调动他们学习的积极性,促进学生对上述仪器的熟悉和实验过程的理解。经过仿真实验的练习,操作起来既轻松又胸有成竹,从而提高教学效率。同时,降低了损坏率。

(1) 提高了显微观察植物学结构的能力。植物学的学习中有大量的形态结构观察，需要使用显微镜，因此只能在实验室中进行，不利于学生对实验内容的课前预习和课后复习，不能充分调动学生的积极性，部分考核项目主观性强，不利于对学生实验操作能力的客观评价，教学效果和质量有限。植物的形态结构随着季节生长而发生变化，如茎的次生生长、果实和种子的形成过程，实体实验仅为静态图片观察，一张切片中很难观察变化的立体形态。学生从中学到大学，没有实践基础，头脑中没有立体概念，很难掌握。通过虚拟显微镜观察数字切片，改变了传统教学模式，不受空间与时间限制，为老师教学管理、学生学习、考试等，提供了条件，大大提高了学习效果。

(2) 提高了对农业植物学资源的实践能力。在植物物种资源的分类与鉴定实验教学中，由于植物种类多、分布广泛，并随一年四季变化，即使是可以实地采集的植物，也不容易同时采集到具有根茎叶花果种子的完整的植株，导致观察材料来源不足，影响整体识别植物能力的提高，使分类的学习十分困难，这已成为农业植物学教学和野外实习中共同关注的问题。虚拟仿真实验平台的建立，弥补了传统教学模式的不足。该实验平台借助三维技术，让学生跨越时空，身临其境地漫游于虚拟自然环境中，全方位观察植物的立体形态、鉴别特征及其生长环境，有效提高鉴别技能。对于珍稀植物，由于标本不易获得，以往教学过程中只能带学生去标本馆参观，借以观察外形，基本不能满足学生亲自动手，观察内部构造的需要。通过虚拟仿真实验，学生可以轻松实现对其深入观察和学习。

4 结 语

植物学虚拟实验平台的建立，不仅能满足植物学实验教学的需要，还能兼顾到相关专业的使用，有着较好的通用性和较大的覆盖面。如虚拟显微镜系统，不仅应用于植物学形态解剖学，还可以应用于微生物学，动物学等专业的切片观察。植物电子地图，不仅应用与植物分类学的授课，还给园林专业提供了很好教学辅助。植物3D仿真模型还被引入了课堂的理论教学之中，使理论教学的教学效果突出。

在植物学实验教学中，把虚拟与真实实验有机地整合起来，延伸课堂实验教学，拓展实验空间，延长实验时间，为进行研究性实验提供更灵活、更便利的条件。但虚拟实验软件也有局限性，在学习中要针对实验项目选择合适的虚拟实验软件，了解虚拟实验软件的优势和不足，以便科学地利用虚拟实验软件得到真实、可靠的实验数据。通过开展小组探究式学习，改进实验评价体系，强化了虚拟实验与真实实验的整合，有效地促进了研究性实验的开发和开展，显著地提高了学生的实践能力、创新能力和科学素养[15-16]。

在虚拟实验平台建成后的半年时间里，点击率已经突破8万人次，辐射面也涉及了全校的与植物学有关的专业。以本项目成果作为主要内容的生物学虚拟实验系统，获得了2013年江苏省高等学校优秀多媒体教学课件(一类)，农业生物学实验教学中心也在2014年入选了首批国家级虚拟仿真教学实验示范中心。

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·名人名言·

在科学上没有平坦的大道，只有不畏劳苦沿着其崎岖之路攀登的人，才有希望达到它光辉的顶点。

——马克思

Construction and Application of Botany Virtual Experiment Platform

CHENGDana,CUIJina,WANGQing-yab,LIULin-lia,QIANMenga,SHENZhen-guob

(a.National Experimental Teaching Center for Virtual Simulation of Agrobiology;b.School of Life Science, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

Virtual experiment platform for botany combines four functional blocks which are virtual microscope system, plant identification systems, botanical digital courses and interactive virtual experiment, and integrates two groups of experimental teaching resources about plant Taxa and plant anatomy systematically. Through the virtual platform, the virtual simulation teaching resources are first applied to the experiment teaching for the observation of plant structure and identification of plant classification. Each teaching resource is independent and can run through the whole process of botany experiment technology. According to the requirements virtual experiments can be flexible combined to meet the students' personalized learning needs. Through the application of the platform, not only the capacity of teaching information is expanded, teaching efficiency is improved, but also the management and use of teaching resources is improved. It promotes the reform and innovation of botany experiment teaching mode. This article from the actual application of the botany experimental teaching, discusses the idea of constructing virtual experiment platform, implementation model and application effect.

virtual experiment platform; botany; virtual simulation; experimental teaching

2015-10-26

国家基础科学人才培养基金(J1310015)

成 丹(1982-)，男，江苏南通人，博士，实验师，研究方向：计算机应用，虚拟仿真。

Tel.:15005181540; E-mail:softcheng@njau.edu.cn

崔 瑾(1974-)，女，江苏镇江人，博士，教授，研究方向:植物学。Tel.:025-84396484;E-mail:cuijin@njau.edu.cn

Q 94-33

A

1006-7167(2016)02-0062-05