被子植物營養(yǎng)器官建成虛擬仿真實驗的構建與應用

杜 坤, 郭賓會, 傅媛媛, 駱 樂, 張 彪, 魏萬紅

(1.揚州大學 生命科學基礎實驗教學中心，揚州 225009； 2.揚州大學 實生物科學與技術學院，揚州 225009；3.揚州大學 實驗室與設備管理處，揚州 225009)

植物學實驗是一門十分重要的專業(yè)基礎課程，也是相關專業(yè)學生大學一年級所接觸到的第一門實驗課，對培養(yǎng)學生良好的學習習慣、科學嚴謹?shù)膶W習態(tài)度具有重要作用[1-4]。被子植物營養(yǎng)器官的發(fā)育是植物學實驗中的重點和難點，它要求學生掌握被子植物根、莖、葉營養(yǎng)器官的內外部形態(tài)結構特征及其發(fā)育過程[5]。在傳統(tǒng)的實驗教學中，這部分內容通常分2～3個實驗項目開設，且在實施的過程中存在以下幾個問題：(1)植物生長發(fā)育過程動態(tài)且連續(xù)，僅通過少量玻片標本的觀察很難對發(fā)育過程有全面的把握；(2)顯微結構觀察需要借助顯微鏡，實驗的預習、復習和考核不易開展[3,6]；(3)玻片標本只能展示平面結構(橫切或縱切)，空間結構特征難以展現(xiàn)；(4)石蠟制片操作流程復雜、耗時長，在有限的學時下通常只能開展視頻示教[7]。這些問題嚴重影響了實驗教學效果，制約學生對被子植物營養(yǎng)器官建成相關知識和技能的有效掌握。

“互聯(lián)網+”的發(fā)展，在給人們生活方式帶來變革的同時，也為高校實驗教學改革提供了新的載體[8-12]。為此，揚州大學生命科學基礎實驗教學中心自主研發(fā)了被子植物營養(yǎng)器官建成虛擬仿真實驗(http://zwqgjc.yzu.edu.cn/)，并通過構建和實施“虛實融合”的實驗教學模式，打破了時間和空間的限制，克服了傳統(tǒng)實驗教學的缺點，豐富了實驗教學內容，提高了學生的學習興趣和學習效果。

1 被子植物營養(yǎng)器官建成虛擬仿真實驗構建

本著“能實不虛、提升實效”的原則，圍繞被子植物營養(yǎng)器官發(fā)育教學中存在的上述問題，運用3D、VR和數(shù)據(jù)庫等技術，制作了“被子植物營養(yǎng)器官建成虛擬仿真實驗”系統(tǒng)，其功能架構如圖1所示。用戶可通過PC或智能終端設備訪問系統(tǒng)，在進行身份識別后(系統(tǒng)有數(shù)據(jù)庫支撐，可記錄學習軌跡和實驗成績等數(shù)據(jù))，會引導用戶進入不同的功能區(qū)開展學習，系統(tǒng)PC端的主界面如圖2所示。

圖1 被子植物營養(yǎng)器官建成虛擬仿真實驗系統(tǒng)架構圖Figure 1 The system architecture of the virtual simulation experiment for the development of angiosperm vegetative organs

圖2 被子植物營養(yǎng)器官建成虛擬仿真實驗系統(tǒng)主界面Figure 2 The main page of the virtual simulation experiment for thedevelopmant of angiosperm vegetative organs

1.1 石蠟制片模塊

將石蠟制片流程制作成3D虛擬仿真實驗(圖3)，供學生隨時隨地開展在線練習，重點訓練學生對整個石蠟制片基本流程及其所涉及設備、耗材等操作的掌握。整個流程包括：取材→固定→抽氣→脫水→透明→包埋→切片→烤片→染色→封片→干燥保存等步驟。同時，根據(jù)學生的認知規(guī)律，將這部分內容以易至難分為3個子模塊，分別是觀摩制片、虛擬制片和自主制片。三者的區(qū)別在于觀摩制片不需要用戶干預，線性的展示石蠟制片過程；虛擬制片需要互動操作，在提示下通過使用鼠標(或VR設備、數(shù)據(jù)手套)點擊不同的實驗元素進行虛擬操作，操作不正確時系統(tǒng)會給出提示；自主制片是在沒有提示的情況下讓學生自主操作。

圖3 石蠟制片3D流程Figure 3 3D virtual simulation experiment for paraffin section

1.2 透視結構模塊

以被子植物代表植物陸地棉(GossypiumhirsutumL.)為供試材料，根據(jù)陸地棉不同生長發(fā)育時期的結構特征，制作了“種子萌發(fā)期、子葉期、三葉期和八葉期”的3D仿真棉株，每個時期都包含了外部結構和內部結構。用戶可點擊右側菜單中的欄目，分別調出棉花營養(yǎng)器官不同發(fā)育階段各組成系統(tǒng)的3D模型，并通過鼠標點擊、拖動和縮放操作實現(xiàn)對陸地棉根、莖、葉的各器官形態(tài)結構、組成特征及其在體內的相對位置分布等內容的學習。

在“種子萌發(fā)期”3D模型中，包含陸地棉種子的種皮、種孔和胚的形態(tài)結構等內容[圖4(a)和(b)]。在“子葉期”3D仿真棉株中，包含植株的根系、下胚軸、子葉、頂芽等營養(yǎng)器官的外部形態(tài)結構；根的初生結構、下胚軸和子葉柄的解剖結構；皮組織系統(tǒng)、基本組織系統(tǒng)、維管組織系統(tǒng)等內容,見圖4(c)和(d)。在“三葉期”3D仿真棉株中，包含根系、胚軸、子葉、頂芽、葉的外部形態(tài)結構；莖的初生結構、莖的解剖結構；葉的維管組織系統(tǒng)等內容,見圖4(e)和(f)。在“八葉期”3D仿真棉株中，包含根系、葉、芽、莖的外部形態(tài)結構；根的次生結構、莖的次生結構；根的次生維管組織系統(tǒng)等內容,見圖4(g)和(h)。通過對上述內容的虛擬仿真學習，學生不僅有效掌握陸地棉不同發(fā)育時期營養(yǎng)器官各系統(tǒng)的外部形態(tài)結構、細胞組成特征等內容，更重要的是還可以對陸地棉皮系統(tǒng)、基本組織系統(tǒng)和維管組織系統(tǒng)在植株體內的位置、空間分布，以及它們之間是如何連接等內容有一個較好的認知。

(a)和(b) 種子萌發(fā)期; (c)和(d) 子葉期; (e)和(f) 三葉期； (g)和(h) 八葉期。圖4 透視結構模塊 Figure 4 The functional module of perspective construction

1.3 數(shù)字切片模塊

為了客觀真實地展現(xiàn)被子植物不同物種、不同發(fā)育時期營養(yǎng)器官的典型顯微結構，選取包含這些典型結構的玻片標本，使用全自動顯微鏡在400倍放大倍率下進行數(shù)字化全幅掃描，形成了數(shù)字切片模塊(目前含20余物種，140余張切片)。數(shù)字切片模塊又包含觀摩學習和自主學習2個子功能，觀摩學習是對已標注知識點和結構名稱的數(shù)字切片進行在線學習，而自主學習可以讓用戶進行結構的自主標注。

本模塊界面左側為切片和知識點選擇區(qū)，右側主要為數(shù)字切片顯示區(qū)域(圖5)。此外，右下角還可以顯示數(shù)字切片的縮略圖以及當前區(qū)域所在的位置，右上角為工具區(qū)域，包含縮放和標尺等工具。用戶可依次選取器官組織(如細胞、組織、根、莖、葉等)、切片(如棉花莖橫切、煙草葉片橫切等)和知識點，即可調出某張切片，進行所選知識點結構特征的學習。同時我們使用了分區(qū)域加載技術，以解決因切片資源數(shù)據(jù)大(每張切片為80～200 MByte)而導致的數(shù)據(jù)加載慢及手機端流量消耗多的問題。

(a)煙草葉片橫切; (b)棉花莖橫切; (c)左側功能區(qū)。圖5 數(shù)字切片模塊Figure 5 The functional module of digital section

1.4 生理功能模塊

植物的不同組織、器官的形態(tài)結構特征與其生理功能的發(fā)揮密切相關。理解這些組織器官特定的生理過程有助于對其結構特征的掌握，而這部分內容在傳統(tǒng)實驗教學中是無法觀察的。為此，開發(fā)了“種子萌發(fā)、植物體內養(yǎng)分輸導、根莖過渡、維管形成層的發(fā)生”等3D生理動畫(圖6)，形象生動地再現(xiàn)了種子萌發(fā)過程，根莖維管組織的連接變化，根莖初生結構向次生結構的轉化，營養(yǎng)物質在體內的轉運等系統(tǒng)結構變化與生理功能的實現(xiàn)過程，加深了學生對被子植物器官建成動態(tài)變化、結構與功能協(xié)同作用的理解。

圖6 生理功能模塊Figure 6 The functional module of physiological function

1.5 器官復位模塊

器官復位模塊是讓用戶依次選取各組織器官組成“元件”的3D模型，并按一定的順序排放，直至拼裝成一個完整組織器官的過程。設置此模塊的目的是為了進一步加深學生對被子植物維管組織系統(tǒng)，以及表皮、皮層、中柱系統(tǒng)在根、莖、葉中的空間分布及相互位置關系上的理解與掌握。此模塊包含了根、莖的初生結構和次生結構的虛擬仿真復位。具體操作：首先點擊右側的欄目，選取你需要復位的器官組織模型，如“根的初生結構”，隨即會在左側物品欄中顯示組成根的初生結構的各細胞組織的3D模型；然后，按一定的順序調用物品欄中的3D模型，并將其放置、拼接到植物體原有的位置上，直至完成所有“零件”的拼裝(圖7)。如果“零件”選取錯誤或位置擺放錯誤，系統(tǒng)會出現(xiàn)錯誤提示，以引導用戶正確操作。

圖7 器官復位模塊Figure 7 The functional module of organ restoration

1.6 虛擬考核模塊

本模塊分為“結構特征考核、制片技術考核和器官復位考核”3個部分。學生可點擊相應的子欄目，完成對石蠟制片規(guī)范性操作流程，器官和細胞組織結構的識別及其在體內的空間分布位置，以及典型顯微結構的考核。結構特征考核采用“填圖題”形式，學生只要在組織器官3D模型或數(shù)字切片對應的空格內填入相應的知識點名稱即可完成考核；制片技術考核采用虛擬流程考核形式，在石蠟制片技術虛擬仿真流程中的關鍵點設置了部分選擇題，學生只需根據(jù)提示選擇相應的答案即可；器官復位考核則需要學生一次性按序完成對應組織器官3D模型的拼裝。上述考核均為系統(tǒng)自動判卷，并記錄成績。

除了上述主要的功能模塊，本項目中還包含器具與材料、其他輔助資源(文本、圖片、視頻、2D動畫等)、實驗報告、交流討論等模塊，以確保項目的完整實施。

2 “虛實融合”實驗教學模式的構建

為發(fā)揮這些優(yōu)質虛擬仿真教學資源的優(yōu)勢，提高實驗的學習效果，我們將虛擬資源和實體資源相結合，按照實驗前、中、后3個階段，分別在線上和線下開展的教學內容具體化、標準化，形成了“虛實融合”的實驗教學新模式(圖8)。

圖8 “虛實融合”實驗教學模式Figure 8 The experimental teaching mode of integration of reality and virtual simulation

實體實驗之前，學生通過在線開展石蠟制片3D虛擬仿真操作了解制片的規(guī)范化操作流程，通過透視結構、器官復位和數(shù)字切片模塊的自主學習，初步了解被子植物營養(yǎng)器官結構組成、空間位置分布和顯微結構特征。這些線上的預習環(huán)節(jié)可使學生在實驗前對實驗內容產生一定的感性認識，在開展實體實驗時就可減少對原理、方法等內容的講解，提升了實驗學時的利用效率[3]。同時，學生可隨時將實體實驗結果與虛擬實驗結果進行對比，分析兩者的差異及其產生的原因，以查找不足之處；還可利用大量的數(shù)字切片資源，對不同生境下被子植物營養(yǎng)器官建成的差異開展探究性學習，提高學生綜合運用所學知識的能力。實驗后，利用虛擬仿真資源開展自主復習，加深對實驗內容的理解，還可開展實驗方法、實驗結果等內容的在線交流，實驗報告在線提交等?！疤搶嵢诤稀钡膶嶒灲虒W模式實現(xiàn)了實驗教學內容的擴展，學生參與實驗熱情的提升和實驗學時的高效利用。

3 覆蓋實驗全流程的形成性實驗考核體系的構建

為有效檢測學生對實驗內容的掌握情況，克服實驗考核實施難，成績評定過度依賴實驗報告等問題[13]，我們優(yōu)化了實驗考核內容和考核形式，形成了覆蓋實驗全過程的形成性實驗考核體系(表1)?？己藘热葜饕簩嶒灥臏蕚淝闆r、基本技能的掌握情況、實驗操作的規(guī)范性、對待實驗的態(tài)度、知識的綜合運用情況、實驗數(shù)據(jù)的整理和分析能力等。實驗考核的方式主要有實體實驗操作、虛擬考核、線上題庫考核和實驗報告等。

表1 覆蓋實驗全流程的形成性實驗考核體系Table 1 The formative experiment evaluation system covering the whole experiment process

綜上所述，為解決傳統(tǒng)植物學實體實驗教學中存在的問題，我們構建了“被子植物營養(yǎng)器官建成虛擬仿真實驗”教學系統(tǒng)，并開展“虛實融合”的實驗教學。經過3年的實踐，不僅有效拓展了實驗教學時空，豐富了實驗教學內容，還提高了學生學習的積極性和實驗參與度，提升了實驗教學效果，學生實驗技能掌握情況提高近10%，同時為學生開展自主學習提供了條件。本項目被遴選為國家級虛擬仿真實驗教學項目，通過“實驗空間”(ilab-x)面向社會免費開放，并得到一致好評。