植物组培再生虚拟仿真实验的设计与应用

农春仕，孟国忠，尹佟明，汪贵斌，张远兰

（1.南京林业大学 实验室与基地建设管理处，江苏 南京 210037；2.南京林业大学 现代分析测试中心，江苏 南京 210037；3.南京林业大学 林学院，江苏 南京 210037；4.南京林业大学 生物与环境学院，江苏 南京 210037）

2018 年6 月，教育部陈宝生部长在新时代全国高等学校本科教育工作会上提出了“金课”概念。如何抓好虚拟仿真实验项目的“金课”建设，开辟“智能+教育”新途径是新时代本科实验教学的重要任务。虚拟仿真技术是用虚拟系统模仿真实系统的技术，也是仿真技术与虚拟现实技术相结合的产物[1]。随着计算机仿真技术和信息技术的快速发展，虚拟仿真技术具有逼真、交互、虚拟等特点，能够真实模拟实验教学中的各种场景，使学校实验、实践教学的手段发生显著的变化[2-5]。虚拟仿真实验项目是学科专业与信息技术深度融合的产物，更加适合新时代大学生的学习习惯，在教育教学中发挥着越来越重要的作用。植物组织培养是高等院校农学、林学、植物学、生物科学、园林植物以及生物技术等本科专业必修的实验科目之一，也是对杨树进行基因工程操作的基础性平台。结合当前虚拟仿真技术的快速发展，我校依托林木遗传育种实验室建立的“南林895 杨”高效组培再生体系，按照“能实不虚、虚实互补”的原则，构建了杨树良种组培再生虚拟仿真实验平台，为“互联网+”背景下建立与教学内容相符的人性化实验教学运行模式提供了支撑与保障[6-8]。

1 实验项目建设背景

植物组织培养是一种对植物的器官、组织、细胞或原生质体等进行体外培养的技术。“南林895 杨”是我校林木遗传育种学科选育的优良美洲黑杨品种，其良种组培快繁技术具有较强的技术优势，对于植物组织培养相关课程的实践教学具有积极示范作用。由于受课时和实验条件的限制，学生在传统的植物组织培养实验中主要进行培养基配制、外植体选择和接种等接触性的实验操作，缺乏对植物组织培养完整动态过程的感官认知。同时，在传统实验教学中，学生主要按照指导教师的实验设计，被动地进行培养基配制、外植体加工、接种等固定环节的操作，缺乏实验的自主性，此外，由于实验结果无法追踪、重复性差，导致实验效果不理想。

利用现代虚拟仿真技术，可以再现植物组织培养所必需的实验环境（包括准备间、高压灭菌室、无菌接种间和光照培养间等）、仪器设备（包括电子天平、PH 计、微波炉、高压灭菌锅和超净工作台等）以及组培的完整动态过程。通过虚拟仿真实验，学生可以自己设计培养基的配方，实时追踪该诱导条件下的不定芽、茎伸长生长和不定根发育的动态变化及其与最佳激素组合诱导结果的差异性，从中不仅可以深刻认识到激素配比对组培再生效率的重要影响，而且根据反馈结果，可以通过反复实验优化设计和操作，筛选出适合不同组培诱导阶段的最佳激素组合，作为真实实验中的培养条件，达到虚拟与真实实验教学的有机融合。

2 实验项目特点

2.1 突破植物生长时间限制

传统植物组织培养实验周期长、操作繁琐、技术要求高[9-11]，从叶片开始到大量再生植株移栽需要6个月以上的时间。而实验课时少，学生无法在规定的学时内认知组织培养的动态过程和关键的影响环节。然而，通过虚拟仿真，学生可以在4 个学时内完成整个实验操作流程，节约了时间和成本，提高了感官认识。此外，学生可通过开放端口，随时登录系统，进行在线实验操作和自主学习，不受预定实验课程安排的限制。

2.2 突破植物生长空间限制

由于植物需要在满足一定的环境条件下才能正常生长，因此植株组织培养从培育基配制、外植体选择、不定芽诱导、不定芽伸长、生根都需要在维持一定温度、湿度、光照和洁净度的组培室中进行，整个实验过程需要投入大量人力和物力来维持。而通过虚拟仿真，有效克服了植物组织培养的空间限制。此外，植物虚拟仿真实验可以基于PC 端和移动端而设计，学生不受实验地点的限制进行实践操作，突破了空间的限制。从理论上来讲，虚拟仿真实验可以无限次重复进行，有效节约实验成本。

2.3 自主化的实验参数设计

杨树良种组培再生虚拟仿真实验基于“以学生为中心”的教学理念开发设计，体现了良好的交互性。在线实验操作过程中，学生可以根据系统的提示和自己对植物组织培养基本知识点的理解和把握情况，自主设计诱导培养基中的生长素和细胞分裂素使用浓度、选择外植体和接种方向等关键参数。通过自主设计的实验结果与标准实验进行对比，在线分析其中的原因和改进措施，可以有效解决传统实验教学中学生因无法参与实验设计，只能被动地进行实验操作的问题，提高学生在实验中的主观能动性和积极性。此外，学生也可以通过系统中的交互窗口，及时对实验中存在的问题与指导教师进行交流互动。

3 实验项目平台框架

学生通过网页浏览器登录虚拟仿真实验平台，自主选择实验项目，系统通过模块调用、数据交互，实现学生对实验工况及相关条件参数的选择，并进行过程演示，最终得到运行结果，并对实验结果进行对比分析，完成实验报告生成。

3.1 平台网络技术要求

虚拟仿真实验通过3D 仿真、动画技术、WebGL技术，应用Flash、3d Max、Adobe After Effects、Adobe Photoshop 等开发工具，再现植物组培的全过程。在项目品质方面，单场景模型总面数可达6 万左右，贴图分辨率为1920×1080，每帧渲染次数为24 次，动作反馈时间为0.1 s，实时显示刷新率，分辨率为1920×1080。

3.2 系统模块与功能

我校虚拟仿真实验项目平台的功能模块框架如图1 所示。根据功能需要和角色不同，将实验项目平台的基本架构设计为三个权限不等的功能区，即学生功能区、教师功能区和管理功能区。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。在学生功能区，学生可以实现从实验前预习和测试、实验中操作练习、实验后完成实验报告和课后测试等不同环节，帮助全面掌握植物组织培养相关知识。在教师功能区，任课教师可以通过关注学生在网络上实验全程记录，全面客观地评价学生对植物组织培养实验的掌握情况，并对学生进行综合成绩评定，可以有效地克服传统教学中仅凭学生在实验中的表现和实验报告进行成绩评定的不足。在管理员功能区，管理人员可以对平台用户的权限、数据、安全等提供基本管理服务，保证平台的安全、有序运行。

图1 实验项目平台的功能模块框架

4 实验项目实践

4.1 实验原理

1902 年，德国著名植物学家哈勃兰特提出植物细胞全能性的概念。他认为由于植物的每个体细胞都含有该物种全部的遗传信息，因此均具备发育成完整植株的潜在能力[12]。目前，该理论已经被越来越多的植物组织培养的成功案例所证实，使之成为指导植物组织培养的基本理论基础。杨树良种组培再生虚拟仿真实验主要涉及基本培养基、激素浓度配比、外植体选择、外植体接种方式以及外在培养条件等5 个知识点。其中，基本培养基为离体器官或组织的生长和发育提供基本的营养，主要由无机营养物、碳源、维生素、有机附加物等组成[13]；离体植物材料的细胞分裂和分化活动主要依赖于培养基中的生长调节物质及其浓度配比。外植体是指用于离体培养的植物组织、器官或细胞，其状态的好坏直接决定着细胞的分裂和分化能力。在外植体的选择过程中，需要综合考虑基因型、外植体的来源、取材季节、外植体的生理状态和发育年龄以及外植体的大小等因素；就外植体接种方式而言，植物不同部位的组织和器官由于行使的功能不同，在结构上也存在很大的差异。例如，叶片近轴面和远轴面在组织结构上的差异决定了两者对培养基中营养和生理调节物质的吸收能力是不同的；环境条件也会影响到离体植物组织或器官的生长发育过程，主要包括温度、温度和光照等因素。

4.2 实验方法与步骤

在虚拟仿真实验中，学生是学习的主体。因此，学生能否利用好虚拟资源是完成虚拟仿真实验的关键。对本项目而言，学生可以通过智能手机或PC 登录实验项目平台，熟悉实验背景、目的，完成课前测试，并按照图2 所示流程开展植物组织培养虚拟仿真实验。

图2 植物组织培养虚拟仿真实验流程

（1）实验前准备。学生在系统登录界面，输入姓名和学号后，点击“确定”，直接进入到实验操作界面。通过实验简介和帮助等模块，了解项目背景、实验原理、目的、基本操作以及操作系统使用方法。

（2）虚拟实验操作。依次点击实验操作界面左侧培养基配制（见图3）、接种材料选择和叶盘制作、不定芽诱导、茎伸长培养、不定根诱导和炼苗移栽等模块，根据系统提示，进行相关参数设置和实验操作。

（3）撰写实验报告。实验操作完成以后，学生点击操作界面上方的“实验报告”模块，系统记录学生的操作过程，生成实验结果统计表。学生在统计表格中如实填写不定芽和不定根数量，并计算不定芽/不定根的诱导率、平均不定芽/不定根数，最后学生对比分析自主实验设计结果与标准实验结果，完成数据分析后，在线撰写并提交实验报告，如图4 所示。

图3 培养基配制页面

（4）实验项目评价。实验报告在线提交以后，点击界面上方的“课后习题测试”模块，系统随机从数据库中抽取由5～10 道题组成的试卷，学生在线作答并提交，系统自动打分，并给出正确答案。整个实验项目考核包括课前预习及在线测试、真实和虚拟实验中的操作能力、实验报告和综合能力测试4 个部分，并根据每项考核指标的重要性，分别给予一定的权重，最后由此计算出学生的综合评定成绩。

5 实验项目建设特色与成效

5.1 以虚补实，解决植物组织培养周期长与实验条件要求高的难题

传统植物组织培养实验所利用的植物材料体积小，抗逆性差，对环境条件要求严格，需投入大量人力、物力，成本较高。通过虚拟仿真实验平台，学生能够在线进行培养基配方设计、配制、分装、高压灭菌、外植体选择、加工和接种不定芽诱导、壮苗、不定根诱导和炼苗移栽等实验操作，并实时追踪特定诱导条件下的不定芽、茎生长和不定根的发育变化，有效地解决了因植物组织培养周期过长及课时和空间有限而导致的实验操作有限和实验结果难以跟踪的难题，为“植物细胞工程”“植物基因工程”等实验的开展提供了有益的在线辅助工作。

5.2 虚实结合，提升学生参与实验的主观能动性与创造性

在虚拟仿真实验平台，学生可以自己设计不同阶段诱导培养基中的激素浓度配比，并实时追踪与比较该诱导条件下的不定芽、茎伸长生长和不定根发育与实验参照之间的差异性。同时，虚拟仿真实验可以无限次重复进行，使学生能够在反复实验过程中发现实验设计存在的问题，可以通过重新设计实验参数和反复操作，深入理解激素配比对植物组织培养阶段性发育过程的重要性和差异性，提升学生参与实验的主观能动性与创造性。

5.3 资源共享，构建学生自主学习与师生互动平台

通过网络平台，学生可以随时随地进行在线实验操作。如在实验前，学生可以通过系统中的相关模块，事先了解实验目的、原理等相关基本知识。实验课后，可以通过重复实验设计和操作，巩固课堂所学内容。通过这种由“实验设计—结果反馈—发现问题”的过程，培养学生科学的实验方法，拓展其知识视野，激发个人的主观能动性和创造性。同时，学生还可以通过在线交流的形式，与教师进行一定的互动交流，提升学习的针对性和实效性。通过实验平台，任课教师可以清晰地了解学生对相关知识的掌握情况，为今后有针对性地开展课堂教学提供参考信息。

6 结语

杨树良种组培再生虚拟仿真实验项目秉承“虚实结合、绿色共享”的理念开发设计，虚拟条件下的植物生长过程是对实际实验结果的动态模拟，虚拟结果是基于长期研究过程中积累的大量实验数据。目前，该项目已获得2018 年度国家虚拟仿真实验教学项目认定，截至2019 年10 月，已有14 540 人次使用该平台。通过虚拟仿真实验平台，为其他生物基础理论的深入研究提供了必要的方法和手段，拓展了相关专业学生学习知识的深度和广度，可以有效激励学生投入理论知识学习和实践训练的积极性和想象力，有效解决教学过程中的冲突、压力和倦怠等问题，为创新型人才的培养创造了条件，取得了良好效果。