植物生物学虚拟仿真技术应用现状

韩利红， 刘 潮， 田雪莲， 张丽芳， 洪 景， 李 飞

(曲靖师范学院 生物资源与食品工程学院， 云南 曲靖 655001)

生物学属于实验科学，通过实验科学提高大学生的基本科研素质和分析问题、解决问题的能力，是培养高质量生命科学人才的重要环节之一。创新型高素质人才培养模式要求学生能够掌握和运用最新的科学技术。但传统的、常规的实验教学受各种因素限制，逐渐凸显出诸多弊端，亟待改革。植物生物学是生物科学和农学类的专业主干课，是开展其他生物课程的先导课，在课程体系中占有重要的基础地位[1]。植物生物学实验教学长期以来存在实验内容单一和验证性实验较多等弊端，虽然已在实验室建设、教学手段和考核方法改革等方面开展了部分探讨，但上述问题依然存在。根据教学过程和实践中出现的问题，有针对性地开展虚拟仿真实验项目的开发，将有效提高植物生物学教学效率和效果[2]，为日后该课程的开展提供参考。

1 虚拟仿真实验项目建设的重要性与必要性

传统的植物生物学实验多为验证性内容，通过教师介绍实验原理、步骤和方法，学生通过实验操作和实验报告的撰写来验证课堂上的理论知识，在一定程度上制约了学生的实践创新能力。植物实验材料受季节和发育时期影响较大，如在雄蕊和雌蕊发育实验中，学生仅能通过典型发育时期的永久装片获得不完整的发育过程，这不利于其对繁殖器官重要实验内容的掌握。植物分类学实验具有直观性、开放性和综合性等特点，气候和植物物候期对其造成了较大影响，植物学野外实习经费也是限制因素之一。虚拟现实技术应用于生物实验课堂教学可有效节省实验时间和运行成本，缓解各种教学资源的不足，消除实验过程中的各种安全隐患，完善教师对学生的监督和评价机制，使学生掌握生物学科最前沿的科学技术，从而提高学生的学习效率和创新能力[3]。

2 植物生物学虚拟仿真技术应用现状

2.1 虚拟实验平台或中心的构建

南京农业大学构建了植物学虚拟实验平台，该平台共包括4个模块：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，这4个模块系统整合了植物形态解剖学和植物系统分类学的实验教学资源。借助Motic数字切片扫描系统，将玻璃永久装片转换成数字化切片，能使用鼠标放大和缩小切片选定位置，且图像信息不会失真。与传统方式相比，虚拟仿真实验的开展不受时间和空间限制，能有效提高教学效率，应用更广泛。植物识别系统涵盖了南京农业大学校园200多种常见植物，学生可通过植株彩图、营养器官和繁殖器官的形态结构，以及网络X3D技术模拟的植物三维外观，以区分不同类群的植物。基于Flash平台制作的交互式虚拟仿真实验，可对实验步骤进行可视化演示，并对重要关键步骤进行交互式操作。植物学虚拟实验平台提供了多种虚拟教学资源，扩充了教学信息容量，提高了教学效果[2]。

河北农业大学自1995年开始建设农科类虚拟仿真实验教学中心，共分为基础、综合和创新3个层次，以及作物学、园艺学、植物保护和数字农业4个模块，成为培养和提高学生实践创新能力的重要基地。实践证明，农科类虚拟仿真实验教学打破了时间和空间的限制，缩短了实验周期，弥补了传统生物实验教学受季节、气候和经费等限制带来的不足，能够较好实现虚实互补[3]。

2.2 在植物学野外实习中的应用

云南是名副其实的植物王国，拥有丰富的植物种类，是植物野外实习的重要基地。然而，云南山地较多、地形复杂、气候多变，再加上实习时间和经费有限，给植物学野外实习带来诸多困难，因此有必要建立信息化和智能化的教学环境。曲靖师范学院生物资源与食品工程学院的教学团队已初步完成该虚拟实验所需技能数据库和实验素材的建设，如徒手切皮视频、临时水装片制作视频、叶表皮撕片法和花的解剖等；在专业见习和教学过程中，拍摄了大量植物和生境图片，利用延时摄影技术还原了种子萌发形成幼苗的过程、花朵开放的过程和担子菌开伞的动态过程等。将以上素材应用到植物分类学虚拟仿真实验项目，显著强化了实验内容的深度和广度。

江西师范大学生命科学学院利用信息化技术模拟户外三维仿真环境和实验室操作条件，使学生通过人机互动，实现野外实习部分目的，提升学生自主学习能力和分析、解决问题的能力。该项目分为6个模块：植物多样性认识，植物标本的制作，显微镜的使用和根、茎、叶的形态观察，将课堂教学、实验教学和野外实习有机结合起来，并利用虚拟仿真考核和实操考核，形成较为完善的评价体系[4-5]。

2.3 有机整合虚拟仿真实验项目

开发跨专业、跨课程的综合虚拟仿真实验项目，将凸显学校重点学科专业，并有效整合资源，防止交叉内容的重复建设。以曲靖师范学院生物资源与食品工程学院的省级虚拟仿真实验项目(侧耳属野生食用真菌人工驯化实验)为例，该项目整合了植物生物学、微生物学、应用微生物学和分子生物学等课程的关键实验内容，与地方经济紧密结合，支撑学生综合能力培养。侧耳属真菌世界广布，在野外多生于阔叶树干、枯立木或倒木上。侧耳易于栽培、产量大，是重要的食用和药用经济真菌。野生食用菌的驯化栽培实验具有现场实验周期长和可实施性弱等特征。因此，对其进行虚拟场景再现和过程仿真实验具有非常重要的意义。实验设计主要包括野生侧耳菌种资源的获取及保种，母种、原种和栽培种的制备，栽培管理，以及菌种质量的初步检测等。学生主要通过10个互动实验步骤完成该实验，能够在短时间内了解并掌握侧耳属真菌资源的采集方法、物种界定方法、分离纯化技术、基本栽培技术和管理技术等关键知识点，提升创新能力，预期将取得很好的应用示范作用。

3 虚拟仿真的应用前景

将虚拟仿真技术应用于植物生物学实验教学，有力推动了该课程的教学改革。虚拟现实创造的实时交互模块比文字、模型或效果图更加形象、有趣和完整生动，营造了特殊的自主学习环境，将传统的“以教促学”变为学习者通过与技术信息互动来获取知识技能的新学习方式。虚拟仿真实验项目建成后将对外开放，受益人群包括校内外学生和社会其他相关机构，将充分发挥高校在人才培养和服务社会中的重要作用。