虚拟现实技术在《药用植物学》实验教学中的探索应用

李 捷 邱鹏程 毕琳琳 周宣暄 汤海峰

解放军空军军医大学药学系中药与天然药物学教研室，陕西西安 710032

虚拟现实（virtual reality，VR）是指利用图形资源和操作系统重建一个虚拟环境，将相关反馈信息融入模拟环境，使用户和操作系统之间进行互动的计算机技术，能带给用户以环境沉浸感[1]，特别适用于一些抽象理论和技术的学习和模拟实验。虚拟教学实验平台是将虚拟现实运用到教学和实验中的一种新型教学方式。解放军空军军医大学（我校）在实施建设国际一流医学院校和发展教育训练计划的过程中尝试性地将虚拟仿真运用到《药用植物学》实验教学中，建立了药用植物学虚拟教学实验平台，通过虚拟现实技术对药用植物的生长环境、鉴别特征、采收加工等场景开展真实模拟，通过沉浸式、高交互的实验过程，提升学生对药用植物学的理解和应用能力。现将传统教学现状和“药用植物学虚拟教学实验平台”试用效果进行调查分析，为进一步提高《药用植物学》教学质量提供参考。

1 药用植物学实践教学开展现状

《药用植物学》是利用植物学的知识与方法，来研究药用植物的一门科学，包括植物的组织形态、生理功能、分类鉴定、资源开发与合理利用等内容，是中药学和药学中一门理论性、实践性很强的专业基础课[2]。

药用植物学的学习必须密切联系实践，通过全面仔细的观察，增强对植物组织形态、结构特点和生长环境的认识。据调研，多数的院校在药用植物学实践教学中通过观察蜡叶标本、浸泡标本和植物图谱等方式增强学生对药用植物的认识。有的增加了户外见习环节，但是由于时间、季节和地理分布的局限，也只能观察到部分植物，或者某种植物的某些器官，很难做到全面细致。所开设的实验课基本以验证性实验为主，不能充分激发学生的创造性。

2 引入虚拟实验室在《药用植物学》实践教学中的优势

2.1 形象直观、更容易理解

虚拟实验室引导学生通过全面立体的视觉直接感受事物，同时可伴随手动操作和创造性思维活动学习知识，其效果远远优于传统的理论课讲解和标本观察。

如在药用植物学教学过程中，果实的形成和构造是历届学生都认为很抽象、很枯燥的内容。花经传粉受精后，各部分开始变化，花萼、花冠常脱落，雄蕊、雌蕊的柱头先后枯萎，胚珠发育形成种子，子房逐渐膨大而发育成果实，形成真果；有些植物除子房外，花的其他部分形成的果实为假果。这一过程本身对于刚接触植物学的学生来说就很抽象，还要求学生对花的组成与形态非常熟悉。然而，花由花梗、花托、雌蕊群、雄蕊群、花萼和花冠6部分组成；花冠又有10种常见的类型和6种卷叠方式；雄蕊群的花丝和花药又有6种不同的着生方式和7种类型；组成雌蕊群的子房、花柱和柱头，按子房的着生位置不同，有子房上位、子房下位和子房中下位3种；胎座的类型又分为边缘台座、侧膜胎座、中轴胎座、特里中央胎座、基生胎座和顶生胎座6种；胚珠也有直生胚珠、横生胚珠、弯生胚珠和倒生胚珠4种，这些也是植物学分类的主要依据。花的千姿百态让人赏心悦目，但是学起来真的不容易，虽然借助插图和示意图能帮助理解，但其作用也是杯水车薪。

然而，虚拟现实技术实现了将子房发育成果实的过程和胚珠发育成种子的过程以动画形式展现，最后再通过对花进行解剖。这样不仅提高了学生实验的目的性和操作性，更重要的是让学生通过视觉、听觉、感官等多方面感知，对花和果实的组织结构和形态有了更深刻的理解，大大提高了学习效率。

2.2 打破了时间和空间的限制，大大扩展了课堂范围

不少学校设置了户外见习环节，但是由于时间和空间的限制，只能看到当季当地的一些植物，不能看到植物的叶、花、果实、种子等全部器官，很难对植物有全面的了解。而虚拟药用植物实验室可以不受时间和空间的约束，学生可以随时随地上网浏览参观学习各种季节和各个地域的植物。并且虚拟药用植物实验室设置了药用植物园模块，里面包含了全国各地的药用植物资源，有效的打破了空间的限制。

2.3 增强了相关学科间的联系

药用植物学作为药学和中药学重要的专业基础课，与后续的专业课生药学、中药学、中药鉴定学、天然药物化学、中药质量学、药用植物生态学、中药栽培学、分子生物学、遗传学等具有密切的联系。在授课时，对教员的知识面和学科间的交叉融合有很高的要求，更重要的是学时有限，教员必须保证在教授完本学科教学大纲规定的教学任务后，才能做相应的拓展，因此往往捉襟见肘，顾此失彼。然而，虚拟实验室的引入，可以使学生的学习时间不受教学大纲的限制，随时随地进行拓展学习。在知识的串联和交叉融汇方面，虚拟实验室可以做到将药用植物学和生药学、中药鉴定、药用植物生态学及中药栽培等多门课有机融合。

如在药用植物学虚拟实验室首页通过搜索栏找到想要了解的植物，点开图库，可以看到该植物的“根、茎、叶、花、果实、种子、生长环境和知识链接”8个标签，分别点开每个标签可以看到相应的文字讲解和图片内容，非常形象直观。其中生长环境一栏，介绍了该植物的野生环境（海拔、温湿度、喜光或喜阴等）、目前人工驯养、组织培养情况等；在知识链接一栏，链接了该药用植物的中药名称、拉丁名、药用部位、功能主治、常用配伍、现代药理研究等内容。除此之外，在专业延伸部分，补充了与该药用植物相关的生药学和中药鉴定学内容、中药材饮片识别、真伪品的鉴别及中药炮制方法等。这样每一种药用植物都能得以纵向和横向的延伸，以植物为线索，将相关专业知识得以有机融合，使学生对本学科的专业知识体系有更完整的认识。

3 本校《药用植物学》网络虚拟教学平台建设的设计思路

3.1 平台的模块设置

本校的药用植物学虚拟实验室是在广泛吸取了国内多个国家级虚拟实验室的基础上，结合本校课程设置的特点和需求，以及对秦巴山区药用植物资源研究进行改进而建设的。该系统由学生使用的前台系统和教师操作的后台系统组成，包括植物图库、药植现场采集、药用植物解剖、野外实习指导、相关知识拓展和用户自学测评六个模块。学生可以通过前台学习系统在平台中完成药用植物的理论学习、预习、复习、知识拓展、野外实习、学习讨论和考试。教师可通过后台设置系统添加班级、学生和教师信息，增加植物种类和对内容进行编辑，添加管理题库、设置题目类型和权重，设置试卷生成规则、设置考试时间和自动阅卷生成考试成绩。《药用植物学》网络虚拟教学平台主要模块内容简图见图1。

图1 《药用植物学》网络虚拟教学平台主要模块内容简图

3.2 平台的功能分区介绍

整个系统同时又按功能进行分区，分为全国药用植物资源、秦巴山区药用植物资源、“太白七药”药用植物资源、蜡叶植物标本库、药用植物检索数据库、药用植物对应的生药检索数据库。全国药用植物资源主要包括我国不同经度、纬度、不同海拔的代表性药用植物，分别介绍了植物的基源信息和生长环境；秦巴山区药用植物资源主要介绍秦岭大巴山及其毗邻地区主产的药用植物，包括甘肃、四川、陕西、重庆、河南、湖北六省市主产的道地药材，其主要目的是为陕产道地药材的教学和普及提供平台；“太白七药”是指太白草药中以“七”命名的药，具有极高的医疗价值，是珍贵的民族文化遗产。由于太白七药以前多为民间应用，存在大量“同名异物”和“异物同名”的现象，在使用过程中常常容易混淆而影响药效，因此“太白七药”药用植物资源模块在支持教学的同时，可以对“太白七药”研究起到正本溯源的作用；蜡叶植物标本库展现常用的和代表性药用植物的各器官部位的蜡叶标本以及文字和语音讲解；药用植物检索以《中国植物志》电子版为数据库，可以根据拉丁名检索对应的药用植物，或根据植物名称检索所属科属种信息、拉丁名、植物鉴别要点、产地以及功效等。

4 《药用植物学》网络虚拟教学平台试用效果调查分析

4.1 调查问卷设计

将本平台对在校药学系学员公开试用，并作问卷调查（表1）。主要调查内容涉及《药用植物学》网络虚拟教学平台的内容设置、教学方式、可接受度、学习兴趣、学习效果等方面。

表1 《药用植物学》网络虚拟教学平台试用调查问卷及结果[n（%），n=70]

4.2 调查结果反馈及分析

试用者中70名学员参与问卷调查，问卷回收率为100%，经SPSS数据分析信度系数（Cronbach's ɑ）为0.81。调查结果表明，学员认为虚拟教学模式非常必要，对提高学习成绩和实践能力都很有帮助。而且多数的学员对相关知识拓展感兴趣，其次是药用植物图库和野外实习指导，可见网络虚拟教学平台能很好的弥补传统线下讲授教学中学时有限、学员感官认知缺乏、实地见习受限等不足，也满足了学员学习中的个性化需求。特别是对于陆军学员野外生存，辨识可食用植物和有毒植物很有帮助。

同时也有学员认为平台展示的植物种类偏少（55%），学科间联系还不够紧密（32%）。可见学员的学习兴趣非常浓厚，期待通过平台学到更多的专业知识。对此我校后期会通过后台设置系统不断完善学习平台，增加内容和植物种类。通过建设《生药学》和《中药学》网络虚拟教学平台，对相关知识进行链接和融合，增强学科间的有机联系。调查显示多数学员对平台的设计和使用效果满意。

随着信息化和人工智能的发展，利用计算机、网络为手段进行现代化教学已成为高校教学的主流。以计算机网络结合虚拟现实技术为基础的教学探索已在仪器分析[3]、医学[4-7]、建筑[8]、化学[9-10]、分子生物[11-12]等方面取得了良好的成效。在多种学科的实验教学中也取得了显著优于传统实验的教学效果[13]。2020年各大中小学、企业等面临停工停产，国家各个行业都面临的前所未有的挑战。为了响应教育部“停课不停学”的号召，各种网课和APP应运而生。我校主推了“超星网络教育平台—学习通”开展线上理论课的教学[14]，但多数实验和实践教学由于空间的局限，受到很大影响。而实践教学作为高等教育的重要环节，是我国教育部对于历次教学改革再三强调的问题。实践教学对提高学生动手实践能力，培养学生的创新性和创造力起着不可替代的作用。甚至为提升我国职业教育质量，教育部近日明确规定职业教育和专业性人才的培养过程中，实践性教学学时数原则上占总学时数50%以上[15]。实践教学不仅对传统理论教学和讲座信息容量进行扩充，提升了教学效率，同时师生在实践教学和操作过程中能对现有技术进行改进和改良，甚至发现新的实验现象进而激发学生的创造力和创新能力。

本《药用植物学》虚拟教学实验平台的使用有利于增强本专业学生理论学习与实践的联系，调动学生的学习兴趣，为本科生开展课外科研提供思路和兴趣点；同时也可普及相关专业学生的中药以及药用植物学常识，增强学科之间的联系和各专业之间的融会贯通，是一种兼专业与科普、融教学与科研为一体的新型灵活、接受度高、值得推广的教学模式，是《药用植物学》实验教学改革的一个创新实践。