植物物种鉴别实验虚拟仿真资源的构建与应用

2018-10-11潘志明魏万红黄金林

实验技术与管理 2018年9期

张彪, 潘志明, 魏万红, 黄金林, 杜坤

(1. 扬州大学生物科学与技术学院, 江苏扬州 225009； 2. 扬州大学实验室与设备管理处,江苏扬州,225009)

扬州大学生物科学与技术实验教学中心是国家级实验教学示范中心和国家级虚拟仿真实验教学中心,自1999年起对生物玻片标本与实体标本进行数字化和虚拟仿真资源建设。实验教学中心始终坚持以实用资源建设为导向,聚焦科学技术的发展并改革实验教学方法、加强实验教学资源建设,关注生物学相关学科的发展并更新实验教学内容,注重信息技术与生物学实验教学的融合与应用,提出了“积为教用、虚为实用、虚实互补、提升实效”的虚拟仿真实验教学资源建设与应用思路,积累了一批数字切片、虚拟标本、微(课)视频、2D/3D场景动画等虚拟仿真实验教学资源。这些资源既为MOOC、微课、翻转课堂等新形态生物学实验教学提供了素材,也为在“互联网+”背景下构建与教学内容相符的个性化实验教学运行模式(例如在“植物物种鉴别”实验中采用的“学中游、游中学”教学模式)提供了支撑与保障。

1 植物物种鉴别实验虚拟仿真资源建设的必要性

“植物物种鉴别”实验教学具有直观性、开放性、综合性、创造性特征[1]。由于其核心教学要素——供试植物标本受季节、地域、植物器官生长的渐次性和周期性等多因素的限制,在选择时既丰富、有时又缺乏,既方便获取、又潜在安全风险,而物种鉴别工具书(如《植物志》等)在野外实习中虽方便鉴别、但不便携带。

随着移动互联网技术的快速发展,采用虚拟现实技术构建虚拟仿真实验环境和实验对象等虚拟仿真资源[2-4],不但低风险、低成本、使用及维护方便,还能够依托网络、数据库和网络终端设备实现实体实验教学中不能、不易或不能完全开展的实验内容[5]。为此,我们应用Unity3D虚拟现实技术、显微-数码成像技术、电子地图技术，构建了植物生长环境与标本采集3D虚拟桌面式场景及3D动画、不同物种全生育期典型形态结构组成特征2D虚拟标本、电子检索表等虚拟仿真资源,并借助数据库、网络通信技术实现虚拟仿真资源在“植物物种鉴别”实验教学过程中的应用。

虚拟仿真资源的建设降低了在野外特殊地理环境下学生采集标本的潜在安全风险,克服了纸质工具书携带不便的问题,解决了1次定时定点实验不能完整采集标本的问题[6],建立起系统学习(基于实验室课堂)和碎片式学习(基于网络和植物生长场所)虚实结合的实验教学方式[7-8],拓展“植物物种鉴别”实验教学时空、创建有利于学生自主学习的实验教学情境[9]。

2 植物物种鉴别实验在线教学平台的构建

2.1 平台的基本架构

要使植物物种鉴别实验虚拟仿真资源在“互联网+”背景下得到有效应用,并弥补单一实体实验存在的不足,首要问题是虚拟仿真资源在网络空间的存储、输出、应用、管理与安全性。为此,首先将植物物种鉴别实验在线教学平台的基本架构设计为权限不等的3个功能区,即学生功能区、教师功能区和管理员功能区[10]；再在每个功能区下设计若干执行某一特定任务的工作模块,并在工作模块中加载相关的虚拟仿真实验教学资源数据,最终实现该平台在PC、平板电脑、智能手机等网络终端设备上的顺畅运行。平台的架构如图1所示。

图1 植物物种鉴别实验在线教学平台的基本架构

2.2 平台中的资源类型

植物物种鉴别实验在线教学平台上的虚拟仿真实验教学资源包括两部分：(1)植物标本野外观察与采集3D虚拟桌面式场景动画；(2)植物标本解剖、描述与鉴别图文数据库。

(1) 3D虚拟桌面式场景动画。采用Unity3D、Maya等软件工具,将野外生境、植物的自然分布、不同类型植物(草本、乔木、灌木、水生等)标本的采集与解剖方法制作成3D虚拟桌面式场景及3D动画(见图2)。利用该资源,用户可在线实现对野外植物标本观察与采集的虚拟仿真训练。

图2 植物标本野外观察与采集3D虚拟桌面式场景动画示例

(2) 图文数据库。采用显微-数码、电子地图、Microsoft SQL等软件工具,构建植物器官名词术语、解剖描述、各类解剖图谱、检索表等图文数据库,并通过JavaScript语言实现用户对所采集植物标本的在线比对、解剖、鉴别,以及对植物生活史特征和应用价值的了解(见图3)。

图3 植物标本解剖、描述与鉴别图文数据库示例

2.3 平台实现的功能

用户可利用PC、平板电脑、智能手机等网络终端设备,通过Web或微信入口进行身份认证后登录平台相应的功能区。

用户通过植物物种鉴别实验在线教学平台访问其中的3D虚拟桌面式场景动画,既可学习不同地理环境下的植物野外调查与标本采集方法,还可鸟瞰和360°观察高大植物体,更能降低在特定环境下采集标本的潜在风险。访问图文数据库,即可在线完成对描述植物形态结构特征的名称术语的观摩学习、在线完成虚拟标本解剖描述和检索鉴别规范化操作流程的仿真学习、在线检索实体植物标本、在线撰写植物物种鉴别报告并提交报告、在线查看教师对实验报告的批改结果。平台支持师生和生生在线交流讨论,具有实验教学数据在线存档与管理等功能。

3 虚实结合实验教学运行模式的构建

通过植物物种鉴别实验在线教学平台中3D场景式动画、植物名词术语、解剖描述、物种介绍图文数据库以及植物检索文本数据库等虚拟仿真实验教学资源的在线应用,以野外实习地、校园、田园、公园为植物鉴别实验场所,以智能手机、PC等网络终端设备为载体,以虚实结合的方式进行实验,不仅确保了“植物物种鉴别”的实验目标确定—实验项目准备—实验项目实施—实验报告撰写与提交—实验结果交流讨论—实验报告的评阅与审批等实验全过程的连续性,而且可以按照教学计划定时、定点地实施(实施流程见图4)。

图4 植物物种检索鉴别实验“虚实结合”的教学实施流程

植物物种鉴别实验在线教学平台较好地解决了植物生长的季节性、地域性以及器官形成的渐次性对实验教学的影响,从而保证“植物分类学实验”“植物学野外教学实习”等课程能够随时得到实验供试材料,可以定时、定点地安排课程实验,降低了实验和实习教学成本,拓展了实验教学的时空,形成了“游中学、学中游”的实验教学新模式,提高了实验教学效果。

4 虚拟仿真资源建设的成效

4.1 提升了教师的虚拟仿真资源制作水平

在现有的植物物种鉴别实验在线教学平台中,虚拟仿真资源主要包括3D场景式动画1套；供学生在线解剖、描述、检索、鉴别用的虚拟物种50余种；供学生在线观摩、比对学习用的虚拟标本1 000余套；供学生在线检索鉴别用检索表4套(包含蕨类植物、裸子植物、被子植物分科检索表以及被子植物部分属、种检索表)；微(课)视频5部。其中“植物物种野外观察与标本采集虚拟仿真实验”获国家版权局颁发的计算机软件著作权证书；“花的解剖与花程式的书写”在2016年全国高校生命科学类微课竞赛中获二等奖；植物物种鉴别实验在线教学平台获2016年高等学校虚拟仿真实验教学资源建设成果二等奖。

4.2 提高了学生对植物物种鉴别实验的兴趣

学生可以通过PC和平板电脑、智能手机等移动终端设备访问在线教学平台,在欣赏自然界美景时完成对植物物种的检索和鉴别。这种教学方式既拓展了实验教学的时空,又提升了学生对物种检索鉴别实验的学习兴趣；不但实现了信息技术与传统实验教学的融合,还为构建“游中学、学中游”的教学模式提供了载体与支撑。当学生能够在校园、田园、公园为朋友、家人讲出各种植物的名称、特性和用途时,也会充满自信心和成就感。

4.3 增强了学生的创新能力

通过植物物种鉴别实验虚拟仿真资源的构建,通过系统学习(基于实验室课堂)与碎片式学习(基于网络和植物生长场所)虚实结合的实验教学方式的应用,既实现了实验教学虚拟环境和真实环境的融合,又提升了学生的观察能力、动手能力、创新实践能力和深度思考问题的能力[11]。我院学生连续9届在全国大学生“挑战杯”竞赛中获奖。