特色植物魔芋综合虚拟仿真实验的构建与实践

韩利红,田雪莲,高 永,张延安,郭丽红,刘 潮

(曲靖师范学院 生物资源与食品工程学院，云南 曲靖 655001)

在《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》颁布的十年间,教育信息化发展迅速,取得了一系列重要成果,《中国教育现代化2035》《教育信息化2.0行动计划》等政策进一步推动了教育教学与数字技术的深度融合,虚拟仿真正是数字化教育高质量发展的重要基石[1-2].生物科学和技术的研究新成果不断涌现,展现出巨大应用前景.传统生物实验教学以单一验证性实验为主,不能满足数字新时代人才培养的高标准,亟待将科研项目和成果转化为综合设计型实验[3].本研究以云南高原特色植物魔芋为研究对象,将植物学领域重要的实验技术和教师科研课题融入到综合实验设计中,使学术研究前沿与本科实验教学相长,树立科教融合培育人才的理念,将高校丰富的科研资源有效转化为优质教学资源,努力培养创新型人才.

植物生物学是生物学相关专业第一门集理论、实验和实践为一体的核心基础课程,旨在使学生认识植物基本结构和系统发育规律,树立最基本的生命观念和科学思维[4].在植物分类学教学中,笔者所在教学团队基于中国本土尤其地方特色植物多样性,全方位重构、深化和拓展教学内容,满足学生对当地常见植物的认识和了解,体现社会热点和焦点,注重理论联系实践[5].该虚拟仿真项目选择经济价值和科学意义比较高的本土特色植物魔芋为研究对象,借助软件将各种实验教学要素转化为操作程序,遵循创新型、科研型和综合型实验建设理念,以大实验的模式使学生在短时间内系统掌握魔芋的生物学特性、物种多样性、传粉策略、经济价值和病害防治等,旨在提升学生创新、研究性学习和综合实践能力及生态文明意识.

魔芋隶属天南星科(Araceae)魔芋属(Amorphophallus)多年生宿根草本植物,是极具开发潜力的经济作物和种质资源,在食品、医药和工业等领域发挥重要应用价值,有待对其物种资源开展保护、开发和利用工作.魔芋在全世界约170余种,云南因其独特的地理环境和气候条件,分布有魔芋10余种,我校魔芋研究团队收集了大量魔芋种质资源,成功在温室栽培,并开展了魔芋谱系遗传和病原菌相关研究,已取得一系列成果[6-8].魔芋作为云南本土特色植物资源,很适合作为植物生物学实验教学材料.但是受季节影响,在植物分类实验中,很难在固定时间段获得不同魔芋物种的新鲜材料.该虚拟仿真软件的开发与研制,可满足在不同教学周期开展魔芋分类鉴定、人工授粉和病原菌实验的学习和实操,有利于根据实验要求进行不同模块的灵活组合,以满足个性化学习方式的需求.野生植物保存着丰富的遗传资源和基因多样性,将中国本土特色植物资源融入植物生物学实验,可向学生传达保护自然、人与自然和谐相处的发展理念,为建设生态文明和美丽中国培养接班人.

1 虚拟仿真项目构建和应用

1.1 虚拟仿真实验资源建设

该实验以六种魔芋为研究对象,分别为花魔芋(Amorphophalluskonjac)、滇魔芋(A.yunnanensis)、西盟魔芋(A.krausei)、白魔芋(A.albus)、东亚魔芋(A.kiusianus)和东京魔芋(A.tonkinensis),通过野外调查记录以上物种的原生生境和植物形态(叶、茎、花序、果实、种子)等,并将代表性健康植株移栽至温室.根据基础数据、图片和实验操作视频,利用Unity3D、全景摄影、三维数字采集还原和计算机仿真等技术,构建魔芋分类鉴定、育种及病原微生物分析综合虚拟仿真实验.仿真教学平台的架构由权限不等的三个功能区组成,分别为学生功能区、教师功能区和管理员功能区;每一功能区下设置不同模块,以完成相应任务(图1).实验包括野外观察、魔芋鉴定、人工授粉、病原菌鉴定四个模块和38个人机交互环节,可在台式计算机、平板电脑或智能手机等网络终端设备运行.实验内容综合了植物学、微生物学、生物育种学和教师科研课题等重要学科内容,兼具代表性、拓展性和前沿性.

图1 虚拟仿真实验项目功能模块构架

用户登录账户和密码,通过访问虚拟仿真实验平台,可全方位鸟瞰魔芋生境,身临其境地在林中搜寻不同种类魔芋,降低野外出差采样的风险;还能在线规范解剖不同魔芋的佛焰花序,完成对关键植物分类术语的学习和实践,完成在线测试,并在线撰写和提交电子实验报告.教师能够实时监控和指导学生的操作,针对实验中集中出现的问题,师生和生生可开展线上讨论.

1.2 虚拟仿真实验混合式教学

以学生为主体,基于实验预习、线上虚拟、实体学习、课后拓展、过程性评价和教学反思的完整教学周期,为虚实结合、线上线下混合式教学提供载体(图2).

图2 虚拟仿真实验教学内容框架和流程

1.2.1 课前实验预习

课前,教师通过学习通或雨课堂等智慧工具布置实验预习任务,学生结合实验背景、目的和原理以及知识拓展,了解魔芋属简介、魔芋分类特征、六个物种介绍、应用价值、病害防治及保护利用等,为虚拟仿真实验的学习和操作提供理论基础.

1.2.2 野外观察和魔芋鉴定

模块一和模块二模拟了野外魔芋采集和花序拆分以及在线测试等环节(图3),使学生在短时间内认识魔芋的生境和分类特征,并能成功辨别6种魔芋(花魔芋、滇魔芋、西盟魔芋、白魔芋、东亚魔芋和东京魔芋).进入魔芋原生生境的虚拟还原场景,操作人化身为林中动画人物,利用鼠标和键盘快捷键(WASD)在林中行走,通过各个空间方位搜索,在规定时间内找到魔芋植株,帮助学生了解和熟悉其生境类型(图3A-C),该模块设计6个交互性环节.魔芋喜阴,

图3 模块一和模块二操作界面

常分布于荫蔽、潮湿、土壤肥沃的生境条件下,如山谷坡地、溪流两侧、路沿林缘等;在我国,魔芋主要分布在西南地区,要求学生在野外和温室内,仔细观察不同种类魔芋的生境,拍照记录植被类型、植物种类和形态结构.魔芋为多年生草本,独生一叶,绿色,常有褐色或白色等斑块,部分种(白魔芋、西盟魔芋)叶柄基部斑点不明显;叶片3裂.魔芋与一把伞南星等天南星科植物形态较相近,判别标准是叶片分裂形态不同,且魔芋生长周期只生一叶,“花叶不见面”(一个生长期只开花或只长叶,不同时开花生叶).不同魔芋的叶片形态差异较小,且种内叶柄等形态不稳定,不能作为判定魔芋种类的主要依据.

利用鼠标和键盘快捷键对花序进行整体观察,通过缩放、旋转、拆分、组合、复原、六种魔芋的切换等虚拟操作,帮助学生熟练辨认花部组成结构,理解魔芋属不同物种间的识别要点和分类依据(图3D-F),该模块设计8个交互性环节.花形态是魔芋分类的主要依据,魔芋各个种的开花时间各异,一般从3月初到6月底不等.魔芋花序柄顶端具有天南星科最显著的特征——佛焰花序.花序外围的那一圈“围脖”不是花瓣,而是被称作佛焰苞的总苞片.苞片将肉穗状的花序包围在正中央.肉穗花序可分成三部分:顶端圆锥体由不育雄蕊和花序轴合生的海绵状结构组成,被称为附属器,附属器散发出浓郁而奇异的气味;中间一段米黄色的是雄花序,释放气味次之;基部区域为雌花序.学生可根据以下特征对六种魔芋进行分类(表1).

表1 6种魔芋的分类特征[6-8]

1.2.3 人工授粉

模块三有利于帮助学生身临其境地体验人工授粉的全过程(切除佛焰苞、消毒、收集花粉、干燥、杂交、收集种子)(图4).移动鼠标,先进入温室,根据提示,在当天的天黑之前用经过75%酒精消毒的解剖刀从魔芋雄蕊与雌蕊交界处将魔芋雄蕊切下,转移至实验室,用纸张收集雄蕊散落的花粉,将花粉涂抹于成熟的雌蕊完成杂交授粉.魔芋属于雌雄蕊异熟且雌蕊先熟.自然条件下,魔芋的雌花序和雄花序被佛焰苞包围和保护,当雄花序发育成熟时,花粉自然散落于佛焰苞底部.在魔芋杂交和新品种选育时,佛焰苞严重影响人工授粉操作.在无设施的露天条件下,受风、雨等自然因素的影响,魔芋花粉收集几乎不可能,严重影响魔芋杂交、种子繁育和新品种杂交选育工作.因此,研究和探索魔芋花粉的有效收集方法,有利于克服人工杂交收集花粉困难的问题.本模块共设计10个互动性环节.

图4 模块三操作界面

A-B:切除-消毒,C-D:收集-干燥-授粉,E-F:杂交-种子

1.2.4 病原菌鉴定

魔芋是一种极具开发潜力的高效经济作物,可广泛用于食品、医药、化工、造纸、纺织、石油等行业.随着魔芋种植面积扩大,其病害发生危害程度趋于加重,尤其是软腐病的发生被称为“魔芋癌症”,已成为制约魔芋产业发展的重要障碍因素之一.模块四通过模拟病株收集、培养基制备、菌株分离纯化、病原菌鉴定等实验操作,使学生了解魔芋病原菌相关特性、分类地位和发病过程,为魔芋软腐病的防治提供理论依据.首先在实验室模拟配制PDA固体培养基,从软腐球茎获取并分离纯化病原菌菌株,之后利用培养的菌丝体进行分子生物学和形态学物种鉴定,对于鉴定出的菌株进行回接实验,筛选出能致软腐病的病原菌(图5),最后通过在线测试检验学习成效.本模块共设计12个互动性环节.

图5 模块四操作界面

1.3 在线测试

在完成四个模块的虚拟操作后,系统将对学生实验操作流程进行汇总,帮助学生系统巩固已学知识和实验操作,强化学习效果,学生也可通过用户使用进度,有针对性地回顾和复习薄弱模块及环节.完成测试并提交后,系统将自动生成虚拟仿真实验成绩.

1.4 课后拓展和成绩评定

虚拟仿真实验结束后,学生以小组形式利用文献检索进一步理解六个物种的分类差异、病害防治和保护利用等内容,结合软件实操和个性化拓展,学生通过团队协作完成该实验的实体学习.最后以翻转课堂的方式,由每个小组制作项目PPT,结合现场汇报和答辩情况,师生共同进行投票,完善考核评价.过程性评价是实验教学中不可缺少的重要部分,合理的评价可科学检验学生学习效果,评定教师实验教学质量.成绩评定涵盖课前-课中-课后,体现过程性和多元化评价.(1)实验预习(10%):预习内容包括实验背景、目的和原理,以及魔芋概况等;(2)线上虚拟和实体学习(90%):包括线上测试(10%)、四个模块的线上操作(50%)、新鲜植物体的观察(10%)、实验和研究报告(20%).过程性实验考核弥补了传统实验教学以实验报告为终结性考核成绩的模式,使考核评定更加科学、合理和全面.综合预习成绩、在线测试、实验操作、实验报告、研究报告,融入师生评价和生生评价,既能科学、全面、客观地评价学生的学习成效,又能体现学生的个性化发展[9].

2 虚拟仿真资源建设和应用成效

2.1 丰富教学资源,提升课程建设质量

虚拟仿真综合实验的开展可弥补传统单一验证性实验的不足.魔芋是云南本土特色植物资源,魔芋属系统发育、物种分类、谱系地理和病害防治也是学院科研团队的主攻内容,有多项国家级和省级自然科学基金支持,已取得一系列学术成果.但是受植物生长发育季节和区域影响,很难在固定时间段获得不同魔芋物种的新鲜材料.该虚拟仿真软件可满足在不同教学周期定时定点开展魔芋野外观察、物种鉴定、人工授粉和病原菌鉴定的学习和实操,拓展了实验教学时空,提升了实验教学的创新性和挑战度.

依托学校虚拟仿真实验平台,已自建仿真综合实验项目3个;可供线上形态解剖、检索鉴定的动植物虚拟物种40余种;微视频4部.其中“花的前世今生”在2022年获得全国高校生命科学类微课竞赛一等奖,相关授课内容同时获得2022年云南省教学创新大赛一等奖.

2.2 激发学习兴趣和动力,培养生态文明理念

学生在虚拟仿真环境,可根据自身需求和喜好,多角度地进行重复学习,教学的趣味性、互动性和直观性不仅提升了教学效率,拓展了教学信息量、深度和广度,同时有利于教学资源的合理管理和高效利用,凸显了以学生为主体的教学理念,有力推动了植物生物学实验教学模式的改革和创新[10-12].基于地方特色植物资源进行虚拟仿真软件的开发与研制,有利于根据实验要求进行不同模块的灵活组合,以满足学生个性化学习方式的需求,指导学生认识保护经济植物资源的科学意义,增强人与自然和谐共生的生态文明理念.

2.3 提升学生的创新能力和综合实践能力

虚拟仿真综合实验的建设和应用,使学生能够在短时间内系统掌握魔芋的生物学特性、物种多样性、传粉策略、经济价值和病害防治等知识,有效提升学生的创新、综合实践和研究性学习能力,并促进其科学思维和团队协作能力的培养[13-14].此外,它能有效解决实验实际操作中的不稳定因素,如标本采集困难、部分物种难以找到、天气恶劣导致实验推迟等问题.学生在操作软件时,系统自动记录并实时反馈,给出客观成绩,丰富了评价体系.该项目为虚实结合、线上线下混合式实验教学模式提供载体,可为地方经济发展和植物资源保护、开发和利用培养专业人才.以魔芋为研究对象,教师指导学生多次在全国大学生生命科学竞赛、“挑战杯”竞赛及“三创赛”中获奖,学生的创新能力和综合实践能力得到显著提升.

3 项目开放共享

该虚拟仿真综合项目面向全校生物科学、生物技术、小学教育和化学制药等多个专业开放,项目的用户使用人数已近千人次,学生满意度约93%.项目在经过修改完善后,将对省内外高校免费开放,实现全面资源共享和持续发展.

4 结 语

随着“互联网+”和数字技术的不断发展,虚拟仿真实验教学资源将日趋完善和多样,有效推动生物学及相关学科的教学质量和人才培养质量.魔芋分类鉴定、育种及病原微生物分析综合虚拟仿真实验项目以地方特色经济植物魔芋为研究对象,遵循创新型、科研型和综合型实验建设理念,以学生为主体,不断探索“线上线下、虚实结合”的混合式实验教学模式.该项目既是具有地域标签的个性化实验教学资源,又具有广泛应用性,体现了实验教学的学科前沿性和创新性,提升了学生的创新、研究性学习、综合实践能力和生态文明理念,为地方经济发展和植物资源保护、开发和利用培养专业人才.该虚拟仿真平台仍需要更新和完善已有实验项目,加大新项目的构建和积累,拓展教学内容的深度和广度,进一步提升虚拟仿真教学平台与实体教学的融合,实现更大范围的应用和共享.