虚拟仿真实验教学一流课程持续改进

张金菊， 孙士国， 龚思颖， 胡 原， 田志夕， 李 兵

（华中师范大学a.生命科学学院；b.生物学国家级虚拟仿真实验教学中心；c.湖北省生物学实验教学示范中心，武汉 430079）

0 引 言

进入21 世纪，以信息技术发展为牵引的新技术革命加速演进。从互联网到大数据、云计算、物联网，虚拟仿真技术、人工智能等，科技进步日新月异。为适应信息化条件下知识获取方式和传授方式、教和学关系等发生革命性变化的要求，深化信息技术与教育教学深度融合，2018 年教育部决定开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作。2019 年教育部颁布《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》，提出到2021 年，完成1 500 门左右国家虚拟仿真实验教学一流课程认定，形成专业布局合理、教学效果优良、开放共享有效的高等教育信息化实验教学体系［1］。截至目前已有1 200 个项目被认定为虚拟仿真实验教学一流课程［2-5］。虚拟仿真实验，一方面可以解决由于时空限制、高危或极端环境条件、珍稀动植物不可采集等学生难以全程参与的难题［6］；另一方面，虚拟仿真技术具有沉浸性、交互性和逼真性等特点，有利于激发学生学习的积极性和主动性，提升教学质量［7-8］。

生命科学学院建设的国家级虚拟仿真实验教学一流课程《兰科植物传粉与保护虚拟仿真实验项目》，于2018 年上线运行，2019 年在国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台（ilab-x.com）开放使用，开设线上实验课程4 学期，注册学员2 097 人，仿真实验内容总浏览量达到40 078 人次。该课程将珍稀兰科植物的形态结构、生境选择、传粉策略和保护管理等核心要素进行虚拟仿真。设置基础理论及核心操作引导，在线帮助和讨论环节，学习的沉浸感、交互性和趣味性强，激发了学生学习兴趣，解决了珍稀濒危植物不易获得、时空因素限制等教学瓶颈问题。

随着学科知识和信息技术的快速发展，现有项目逐渐出现一些有待解决的问题。如新的学科知识有待补充、原有课程模拟自然生境逼真度不够高且数量不足以及教学评价体系有待完善等问题。本文依据国家级虚拟仿真实验课程的应用实践与学生反馈，按照“两性一度”即“高阶性、创新性、挑战度”的“金课”标准，教学内容不断融入新的兰科植物学科知识，拓展实验内容的广度和深度，增加课程挑战度。改进和更新兰科植物传粉与保护虚拟仿真实验项目教学资源，更好地服务于本科生实验教学和创新人才培养。

1 兰科植物传粉与保护虚拟仿真实验项目持续改进

以国家虚拟仿真实验课程兰科植物传粉与保护虚拟仿真实验项目为对象，主要从知识内涵、评价体系、信息技术更新3 方面内容进行优化和改进。

1.1 兰科植物科学知识的补充，丰富教学内容的广度和深度

兰科植物传粉与保护虚拟仿真实验项目包括形态结构、生境选择、传粉策略和保护管理4 个实验模块，现对其中3 个模块的内容进行了补充。

（1）兰科植物形态结构知识的补充。形态结构模块通过虚拟仿真技术，将实验课堂和理论课堂无法接触到的珍稀濒危植物的生活习性直观化、可视化。为让学生更好地理解兰科植物的形态结构与传粉策略的对应关系、植物的形态结构与功能相统一、动植物协同适应与进化的基本原理，改进后的项目增加含无苞杓兰（Cypripedium bardolphianum）、西藏杓兰（Cypripedium tibeticum）以及黄花杓兰（Cypripedium flavum）在内的3 种兰科珍稀濒危植物。这3 种花部特征不同的杓兰属植物，代表3 种不同的传粉方式。无苞杓兰是中国特有的、国家一级保护兰科植物，其花的结构无苞片存在，隶属于兰科杓兰属无苞组［9］。通过对其独特的花部特征的研究表明，该种植物是由蝇类传粉的（见图1），通过拟态掉落的成熟果实来吸引其特化的传粉者—蝇类［10］。西藏杓兰为国家一级保护兰科植物，其唇瓣较大，隶属于兰科杓兰属杓兰组大花亚组［9］，熊蜂蜂王是其有效的传粉昆虫。黄花杓兰也是中国特有的、国家一级保护植物，隶属于兰科杓兰属杓兰组钝瓣组［9］，其由蜂类和蝇类共同传粉［10］。

改进的项目为3 种新增的数字建模标本提供可关闭的三维动态标签，对每个部件进行知识点标注；同时为数字模型提供便捷的观察方法，包括逐层隐藏、任意角度旋转，特定部件放大、视觉距离调整等功能。例如图2、3 形象地展示了西藏杓兰花部形态结构，能够对每个植物部件单独分开处理，呈现花的花粉块、合蕊柱、子房、花瓣、花萼等结构。新增包含无苞杓兰等3种植物作为兰科代表性珍稀濒危物种，①可以让学生身临其境地观察分析这3 种珍稀濒危兰科植物的形态特征、分类、生境、传粉和保护策略等；②能促进理论联系实际和示范，致力于学生自主学习和创新能力的培养；并通过知识拓展，了解珍稀濒危植物保护的意义，增强生物多样性的保护意识。

图2 西藏杓兰形态结构虚拟仿真（花部形态整体观）

图3 西藏杓兰形态结构虚拟仿真（花部形态局部观）

同时，为加强学生对兰科植物特点的理解，促进对其他科属植物特征的掌握，在形态结构部分构建了兰科植物与其他科花结构比较模块，新增了隶属于木兰科、豆科、石竹科、茄科、葫芦科、唇形科、杜鹃花科、蓝果树科、车前科等9 个科的植物，这些植物均为实景拍摄，真实还原了植物原本的形态特征，克服了腊叶标本容易褪色、无法立体观察等缺点。使用者可以通过拖拽对花部结构进行解剖，更好地掌握不同科植物的形态特征。尤其是隶属于蓝果树科的珙桐，为国家一级保护物种，野外生境难以获得、花期难遇；通过虚拟仿真实验，可以近距离解剖观察这种野外难以观花的植物的基本特征。

（2）兰科植物生境选择知识的补充。生存环境的差异，导致不同区域兰科植物种类组成和数量存在显著差异。本项目中几种濒危兰科植物生长在高海拔亚热带的区域，对兰科植物的生境如土壤类型、植被郁闭程度、依附植物或共生植物、生长方式等的对比分析，有利于了解不同兰科植物的生境特点和致濒机制。

原项目生境选择部分包含杏黄兜兰（Paphiopedilum armeniacum）、暖地杓兰（Cypripedium subtropicum）、粉叶玉凤花（Habenaria glaucifolia）等9种兰科植物的10 个不同生境，模仿自然生境数量不足［见图4（a）］。通过野外实景拍摄，改进后的项目重新构建了包括丽江杓兰（Cypripedium lichiangense）、西藏杓兰、黄花杓兰、无苞杓兰等几种濒危兰科植物野外生境［见图4（b）］，可以直接观察的兰科植物生境点增加到15 个。同时不断进行信息技术探索，增加虚拟实验的仿真度，学习者通过实验操作能够实时与空中点全景生境切换、身临其境体验兰科植物的生境特征，增强教学效果。通过对兰科植物野外生境的特点、人为干扰程度的大小和具体致濒机制的分析，能更好了解珍稀濒危兰科植物的保护与管理策略。

图4 重新构建后的物种生境与原项目物种生境的对比

（3）兰科植物传粉策略知识的补充。传粉昆虫与虫媒传粉植物之间的相互适应是驱动这两大类群多样化的重要动力，为更好地理解兰科植物的传粉知识，在原有传粉策略模块新增了传粉知识点的介绍；同时，在原有传粉引导模式的基础上新增了野外生境虚拟仿真模式。原传粉引导模式下传粉者与兰花是一一对应的，传粉过程中只有特定的传粉者和目标花的出现，且有光标指引，操作过程中不容易出现传粉失败的情况［见图5（a）］。而虚拟仿真模式模拟的是野外自然生境，该生境模式下植物物种是自然分布的，传粉昆虫除了遇到目标物种也会受到其他开花物种的影响，增加了传粉昆虫精确传粉的挑战性。这些新增知识点无疑对学生知识技能的掌握程度提出了更高的要求［见图5（b）］，增强了项目的互动性和挑战度。

图5 传粉策略

1.2 建立差异化的课程考核评价体系

在虚拟仿真实验系统后台，可清楚地掌握学生的学习时间、学习次数和学习成绩等情况。目前，虚拟仿真实验项目相关的考核主要包括虚拟操作考核和线上考试评价两部分。虚拟操作评价利用计算机技术，对学生的操作结果进行评价；线上考核评价利用人工智能技术完成，学生完成在线试卷，获得卷面分数。目前，大多数学生成绩差异化不明显，难以体现个人水平差异，因此有必要建立更加科学合理的课程考核评价体系。对原有考核评价体系进行了完善：①虚拟操作评价部分，建立虚拟操作的赋分规则，利用计算机技术全程跟踪学生实验动作，依据扣分规则对每一模块的操作给出操作过程成绩，增加操作过程部分的区分度；线上考核评价利用人工智能完成；最后，各项成绩通过加权计算，获得虚拟仿真实验线上总评成绩。②增加线下考核部分，丰富实验课程考核因素，将实验报告、小组科研论文撰写情况等纳入成绩考核。通过细化虚拟操作、线上考核和线下考核相结合的方式，对学生学习效果进行全过程评价。

1.3 信息技术更新与不断完善

由于信息技术的不断发展，项目原有的生境实景展示的逼真度和交互性有待提升。高清渲染管线（HDRP）技术的快速发展为实景教学提供了一种新的表现方式；本项目应用全景摄影、无人机航拍、图像拼接与高清渲染管线等技术，地面全景拍摄采用水平视野360°全视角和垂直视野360°全视角的全景视频采集，还原实地实景原貌；地面生境DEM数字高程模型，采用无人机航拍、地面近距离拍摄等方案实地实景采集而成，能够真实还原生境中全局鸟瞰、地面观察、局部细节等不同级别的数字三维生境，体现生境原貌、地表植被、坡度、海拔差异等相关信息。实景展示和交互操作，能够实时与空中点全景生境切换、身临其境体验兰科植物的生境特征，增强教学效果（见图6）。

图6 重新构建后的物种生境鸟瞰图

此外，由于我国高校在建设虚拟仿真项目方面，没有统一的技术标准和规范，导致存在部分浏览器不兼容问题。为降低用户端设备配置要求，解决浏览器兼容性问题，保证程序运行流畅、提高资源利用率，该项目在ilab-x.com平台上免费共享时，增加平行云在线学习方式，用户只需注册后登录，无须下载即可进行在线学习。通过信息技术不断完善，更好地推动优质课程资源开放共享。

2 虚拟仿真实验课程改进成效

主要从知识内涵、评价体系、信息技术三个方面对原有内容进行优化和改进，改进后的虚拟仿真实验教学项目应用于本科教学和开放共享等方面，已在资源共享和人才培养方面收到良好效果。

2.1 改进后的兰科植物传粉与保护虚拟仿真实验项目应用于本科实验教学

通过国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台，兰科植物传粉与保护项目对国内高校的生物科学、生物技术、生态学等专业本科生免费开放，目前该内容总浏览量4 万余次，做实验人数2 000 余人。兰科植物传粉科学知识和信息技术更新方面的应用效果，采用调查问卷的方式进行评价。利用问卷星，在课堂学习期间对2019 级194 名生物科学专业同学进行了在线问卷调查，共发放194 份问卷，收回194 份，收回率为100%，采用SPSS对相关数据进行分析和归纳。结果98.5%的同学认为改进后的虚拟实验视频、动画清晰明了，生动有趣。约99.5%的同学认为本实验项目资源丰富、完备。有97.4%的同学认为虚拟实验真实性强、还原度高，对本次虚拟实验建设感到满意。约99.5%的同学认为通过虚实结合，对本次实验所涉及知识点掌握更牢固了，96.9%的师范生愿意将虚拟实验运用到以后的教学中。由此可见，改进后的项目仿真度高、交互性强，不仅提高了师范生的学科水平，也提升了信息化素养和解决复杂问题的综合能力。

学生虚拟仿真实验的操作得分情况，作为课程评价体系的评价依据。2020 ～2022 年连续3 年对生物科学专业学生虚拟仿真实验的学习情况进行了评价，参与评价的学生人数分别为183 人、205 人和208 人。其中2020、2021 年直接采用线上评价的方式进行，学生操作实验的过程中结合知识点的讲解完成在线测试，同时根据学生的操作结果综合给出卷面分数。鉴于大多数学生成绩差异化不明显，难以体现个人水平差异的情况，2022 年建立了虚拟操作的赋分规则，利用计算机技术全程跟踪学生实验动作，同时增加了线下考核方式。线下考核通过学生完成小论文的方式进行，虚拟操作考核和线下考核各占50%。结果表明2020 ～2022 年3 年间学生的成绩存在极显著差异，其中2020 年有87.7%的学生成绩集中在85 分以上，2021 年89.9%的学生成绩集中在85 分以上，2022 年80.8%的学生成绩处于85 分以上，高分率明显降低（见图7）。完善后的评价体系更能体现学生的真实学习情况，便于有针对性地进行学习指导，提高学习效率。

图7 2020 ～2022年学生成绩

2.2 改进后的兰科植物传粉与保护虚拟仿真实验项目应用于开放共享

除通过国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台开放外，还通过不同途径进行推广，增加公众的关注度。通过教育部“国培计划”“公费师范生教育硕士培养”教育实习等为中学教学服务，引领中学生物学教学改革。如2022 年7 月，“全国科学教育暑期学校”中小学教师培训期间，兰科植物传粉与保护虚拟仿真实验教学培训项目，得到受训学员高度认同。通过学术交流、科技周、科普日向社会开放共享，增加公众的关注度和认可度。如2022 年9 月，湖北省“全国科普日”活动启动仪式上，参与启动仪式的社会公众体验了该虚拟仿真实验项目。此外，2021 ～2022 年接待西南师范大学、宁夏大学、南阳师范学院、青海民族大学、海南琼州师范学院，赣南师范大学，武汉市武汉长江新城管理委员会等20 多所兄弟高校领导老师来访交流，有效促进了虚拟仿真资源建设的交流、合作与共享。

3 结 语

以国家虚拟仿真实验教学课程共享平台为依托，利用课程开放性、共享性的特点，将新的学科前沿和科学研究融入教学，有利于创新人才的培养，解决了以往实验教学与科学研究联系不紧密、课程教学时间和空间有限等现实问题［11-14］。通过对原有项目知识结构的补充、评价方式的完善、信息技术的改进，极大地增强了学生使用国家级虚拟仿真实验项目的沉浸感和挑战度，充分调动了学生参与实验的积极性和主动性。同时，基于大数据开展的学情分析和学习过程跟踪，促进了因材施教和个性化发展。

3 年来，植物学教学团队将兰科植物传粉与保护虚拟仿真实验项目应用于实验教学，进行教学改革。教学团队完成湖北省教学研究项目2 项，撰写专著（虚拟仿真实验教学课程建设指南）1 部，发表虚拟仿真实验教改论文4 篇，“虚实结合的实验教学推进生物学卓越人才培养研究与实践”2022 年荣获第九届湖北省高等学校教学成果奖二等奖。实验课程的持续改进，可为其他相关虚拟仿真实验课程教学革新提供借鉴，各实验项目协同提升，与时俱进地服务好高校实验教学和创新人才培养。