植物学分类实习虚拟教学系统的开发与应用

2020-07-29邵美妮曲波苗青潘飞崔娜

高教学刊 2020年23期

邵美妮　曲波　苗青　潘飞　崔娜

摘要：植物学分类实习是《植物学》课程实践教学的重要组成部分，也是教学实施中的难点。为了解决传统的植物学分类实习弊端，通过虚拟现实技术，以沈阳农业大学校园植物为素材，将校园内主要场景进行720°全景拍摄，每个场景以图文并茂的形式对典型植物形态特征和应用进行了详细的描述，并配有语音讲解。学习过程生动直观，虚拟实景，真实感受，使学生随时随地在熟悉的生活环境中完成学习，增强了学习主动性和积极性;系统同时也满足附属中小学、广大植物爱好者对植物的鉴别，有较强的实用性和推广价值。

关键词：虚拟实景;植物学;分类实习;教学系统

中图分类号：G640 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2020）23-0046-04

Abstract： The classification practice of botany is an important part of the practical teaching of botany， and it is also a difficult point in the implementation of teaching. In order to solve the disadvantages of traditional practice of botany classification， 720° panoramic photography of the main scenes in the campus of Shenyang Agricultural University is carried out， through virtual reality technology， each scene is illustrated in the form of pictures and texts to describe the morphological characteristics and application of typical plants in detail， with voice explanation. The learning process is vivid and intuitive. The virtual reality and real feeling enables students to complete learning in a familiar living environment anytime and anywhere， and enhances their initiative and enthusiasm in learning. The system also meets the needs of affiliated primary and secondary schools and the majority of plant lovers to identify plants， with strong practicality and promotion value.

Keywords： virtual reality; botany; classified practice; teaching system

一、系統开发的必要性

沈阳农业大学于1952年建校之初即开设植物学课程，每年有24个专业、超过1500名学生选课，是农学、园艺、植保、生物科学等专业的基础课程。植物学分类实习是《植物学》课程实践教学的重要组成部分，也是教学实施中的难点。随着生物科学领域的迅猛发展，植物学的教学受到很大影响，学时不断的减少，实习时间也越来越短。传统的植物学分类实习，以班级为单位，只配备一名专业教师，教师少学生多，实习效果较差。同时植物生长受季节的影响比较大，如果碰到恶劣天气，不能保证实习进度和学生的安全，使学生的学习只能停滞于课堂教学，影响实习效果。还有最突出的问题就是师资力量薄弱，经验丰富的一线教师严重不足，难以保证实习的教学质量。而这些问题不是短时间能够解决的。

因此课程组在教学过程中，深入分析大学生学习现状，结合“植物学分类实习”的特点，自主开发基于虚拟实景的植物学分类实习教学系统。充分发挥校园植物优势，应用现代信息技术，改进实习教学方法，丰富教学手段，调动学生积极性、让学生独立自主学习成为了提高植物学分类实习教学效果的重要途径，真正体现实习这一教学环节的重要作用。

二、系统设计思路

基于虚拟实景的植物学分类实习教学系统的开发遵循“技术设计为教学设计服务”的原则，本着“以学生。为本”的教育理念，设计思路是通过对校园场景的720°浏览，创造一种沉浸式虚拟学习环境，吸引学生自发性学习，达到寓教于乐的目的，使学生随时随地在熟悉的生活环境中完成学习，给学生真实的体验，同时与这个逼真的环境进行交互，从而达到快速学习的目的，实现虚拟教学。

本系统设置学习模式、考试模式和校园植物网互动平台三种模式。

学习模式利用学生熟悉的校园，按照校园植物的分布特点，设置实习路线。对叶之帆、复旦园、克威园等33个主要场景，进行720°全景浏览，每个场景包含了4-8种植物的介绍，以图文并茂的形式对植物形态特征和应用进行了详细的描述，每张图片均为课程组教师原创拍摄，并配有主讲教师的语音讲解，学生可以通过点击“脚印”标识或者“下一个场景”功能按钮，即可完成既定路线的学习。也可以通过地理位置导航实现场景的随机切换，导航路径可选，方便实用。

考试模式依托中国大学植物网联盟平台，进入沈阳农业大学校园植物测一测，随机选择20种植物进行测试，可以反复练习。本校植物学课程选课的学生可以进入校园易而思平台考试系统（只有本校学生参与的考试），随机选择知识点，对根、茎、叶、花、果实等特征进行测试，满分40分，若低于20分，重新开始实验并测试。同时提交实习报告。

校园植物网互动平台登录即可开展主题讨论、发送推文、上传照片和视频等，平台内包括校园植物400余种，每种植物配有二维码，方便热爱植物学的学生进一步拓展学习。

三、系统的构建步骤

（一）虚拟全景的拍摄

系统设置“叶之帆”、“复旦园”、“克威园”、“图书馆”等30余个典型观察场景的全景VR，涵盖整个校园的教学区域。

（二）植物种类及特征数据库

系统包含了26科，150余种植物，主要为校园木本植物，每一种植物包括种名、属名和科名，形态特征，应用等部分，并配有二维码，物种信息完整，尤其对校园分布做了具体描述，建立植物种类及特征描述数据库，教学内容资源丰富。

（三）原创拍摄图库和物种语音库

建立图片库，图片库内每一种植物如暴马丁香、天女木兰、山皂荚、珍珠绣线菊等，包含植物全株、树干、叶、花或花序、果实、种子等典型特征图片。所有图片均为课程组教师原创拍摄，累计2000余幅。

每个物种配有专业教师的语音讲解，建立语音库。

（四）虚拟实验预设参数

根据学习者预设“学习模式（包括电脑端和手机端）”、“考试模式”、“校园植物网互动平台”三种模式。

（五）软硬件支持

软件部分：基于虚拟实景的植物学分类实习教学系统软件、沈阳农业大学慕课平台、校园植物网互动平台。

硬件部分：电脑、Ipad或手机。

四、系统使用方法与实施过程

（一）系统使用方法

第一步，打开浏览器，输入网址，进入虚拟实景的植物学分类实习教学系统。

第二步，系统主界面有三种模式可供选择：学习模式、考试模式和校园植物网互动平台。

第三步，首先选择学习模式進行校园植物的认知学习，方法如下：点击“进入地面”标识，切换到第一个场景，包含“正常视角”和“小行星视角”。可放大、缩小、滑动鼠标实现720°全景浏览。系统用“闪光标识”标记典型植物，点击标识可以弹出植物的图文介绍。观察植物的根、茎、叶、花、果实、种子器官的形态图片，并听语音讲解。

第四步，系统设置2种方式实现既定路线的场景切换，分别为点击“脚印”标识和点击“下一个场景”功能按钮。同时系统设置2种方式实现场景随机切换，分别为点击左下角的“场景切换图片”和右下角的“地理位置导航”。导航路径可选，方便实用。

第五步，学生通过自主学习后，可以在考试模式中进行典型科、属、种的反复练习，最后选课的同学进行线上考试环节。进入植物学慕课网，对所见到的植物进行识别科属、形态特征及应用方面的测试。

第六步，点击考试模式，进入沈阳农业大学校园植物测一测。本测试系统依托中国大学植物网联盟平台，考试范围为沈阳农业大学校园植物图库，科名答对+1分，属名答对+3分，种名答对+5分，答错不扣分，跳过不得分。共计答题20道。答题次数不限，可反复练习。

第七步，仅对校内选课学生。进入沈阳农业大学慕课网，进入植物学易而思平台，点击在线测试，采取随机选择知识点的方式进行，每个知识点包括代表植物的根、茎、叶、花、果实、种子器官的形态描述和应用价值，主要以选择题的形式出现。

以银杏为例：

1.银杏属于（）。A.裸子植物 B.被子植物

2.银杏是（）。A.木本植物 B.草本植物

3.银杏的叶属于（）。A.单叶 B.复叶

4.银杏的叶脉属于（）。A.网状脉 B.平行脉 C.叉状脉

5.银杏属于（）。A.磁性异株 B.雌雄同株

6.银杏的雄花序为（）。A.柔荑花序 B.穗状花序

7.银杏“果”有（）包被。A.种皮 B.果皮

8.银杏属于第四纪冰川遗留下来的物种（）。A.对 B.错

9.银杏为环境指示植物，主要吸收大气中（）。A.S硫B.P磷C.N氮

10.作为行道树，银杏常使用（）。A.雌株 B.雄株

11.银杏为单科单属单种（）。A.对 B.错

第八步，对于实习中的体会和问题，可以通过校园植物网的互动平台，与老师分享和探讨。学生需要提交实习报告和心得体会。

（二）实施过程

由于课时缩减，植物学课程在分类学模块的学习只有课堂讲授6学时，实践4学时，远远满足不了对植物种类识别的学习。因而植物学分学实习的虚拟实景教学系统主要采用先虚后实、虚实结合的方式实施，让学生进行自主式学习和探究式学习。

自主式学习是学生能力提高、创新精神培养、学习兴趣激发的重要途径。虚拟教学的网络化能够使学生脱离教师和教室，教学知识点通过图像、语音、文字、测试、讨论等手段推送给学生，有利于学生自主学习的开展。

五、系统特色与创新

（一）系统特色

1. 虚拟实景，真实感受

通过虚拟现实技术，以虚拟的方式识别校园内常见木本植物，掌握主要形态特征及应用。学生能够灵活自主选择学习时间、地点，学习过程生动直观，提高学生学习兴趣。

2. 虚实结合，加强实习效果

沈阳农业大学是一所森林型校园，植物资源丰富，本系统内设30余个观测位点，涵盖整个教学区域，方便学生随时随地学习，有助于培养学生自主学习的能力。

3. 网络平台互动，实现资源共享

系统添加沈阳农业大学校园植物网模块，增强了互动效果。系统运行过程中，经过多所高校和中小学使用，效果良好，具有很强的推广性，还可以用于植物爱好者科普使用，适用性广泛。

（二）系统创新

1. 教学方法创新

打破传统的植物学分类实习教学的单一模式，将现代信息技术与实践教学结合起来，以学生为中心，线上线下、虚实结合。

实习时，通过虚拟现实场景中主要植物的形态特征描述、各部位图片、语音讲解等，结合实习地场景的实景展示，让学生有身临其境的真实感受。同时通过慕课互动平台，相关的测试题可以帮助学生加深对知识点的理解，教师也可以在线解答学生在实习中遇到的问题。这种不受时间、地点限制的虚拟实景实习模式，不仅激发学生的学习兴趣，而且提高了学生的自主学习能力，学习效果明显。

在开发虚拟实景的同时，课程组对校园内的所有木本植物进行了身份识别，悬挂树木铭牌，并配有二维码，物种信息完整，尤其对校园分布做了具体描述，实现了植物学分类教学的虚实结合，充分体现现实-虚拟-现实资源互补的独特优势，拓展国内植物学分类实习的新思路。

2. 评价体系创新

本系統注重过程评价。基于虚拟实景的植物学分类实习教学系统是一个植物学综合知识的训练项目，要求学生要掌握实习地常见植物、常见科的识别特征和应用等，因此评价体系主要体现对以上知识的考察。成绩分为2部分，植物的辨识及特征描述占70%，以线上考试环节生成的成绩（占40%）和实习报告（名录+心得体会占30%）提交的形式;其次采取主要植物或部分枝条，判断该植物所属的科及主要特征（考察），占30%，老师当场评判。加强过程引导，促进学生学习的主动性和学习效果。

（三）对传统教学的延伸与拓展

传统的植物学实习是学生采集标本，应用工具书检索，识别植物，这种实习方式不利于调动学生的积极性，而且由于受到时间、季节等制约，对植物各部位形态特征不能一次全看到，这些现状无法保证学生掌握全部知识点，严重限制学生自主学习的热情。

此外，由于学生大量采集植物标本，在一定程度上造成实习地植被和生态环境的破坏，不利学生生态文明素养的培养。

随着现代信息技术的发展和在教学中的有效运用，本系统以校园植物为素材，依托校园全景技术，开创了植物学分类实习教学的新模式，克服了传统教学中的多种制约因素，是对传统植物分类学实践教学的补充和完善，顺应现代教学的发展要求，得到了创新发展和提升。

六、系统的应用效果

（一）应用范围广

本虚拟系统实现了虚拟与现实的深度融合，植物特征一目了然，学生通过线上线下学习，大大加强了实习的教学效果，受到学生的高度认可。

在辽宁省开展的大学生在线学习跨校修读学分工作中，《植物学》课程被大连海事大学、沈阳药科大学、辽东学院、沈阳工学院4所高校选用，本系统作为课程的辅助资源一并被4所高校使用，使用效果良好。

系统不仅适用于在校本科生用于自主探究式学习，还适用于中小学和广大植物爱好者科普使用，目前已被鞍山、吉林和浙江等地部分高校和中小学远程使用，扩大了我校的影响力。

（二）项目持续建设与服务计划

项目计划到2023年完成植物学实习地（校园、植物园、东陵天柱山）以及大连庄河仙人洞自然保护区所有实习路线（二道沟、步云山等）的虚拟现实场景的主要植物进行形态特征和内部构造的制作，并持续开放运行。

后续还要加入标本制作和解剖结构的图片和标本制作流程。