虛擬現(xiàn)實技術(shù)在《藥用植物學(xué)》實驗教學(xué)中的探索應(yīng)用

李 捷 邱鵬程 畢琳琳 周宣暄 湯海峰

解放軍空軍軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)系中藥與天然藥物學(xué)教研室，陜西西安 710032

虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）是指利用圖形資源和操作系統(tǒng)重建一個虛擬環(huán)境，將相關(guān)反饋信息融入模擬環(huán)境，使用戶和操作系統(tǒng)之間進(jìn)行互動的計算機技術(shù)，能帶給用戶以環(huán)境沉浸感[1]，特別適用于一些抽象理論和技術(shù)的學(xué)習(xí)和模擬實驗。虛擬教學(xué)實驗平臺是將虛擬現(xiàn)實運用到教學(xué)和實驗中的一種新型教學(xué)方式。解放軍空軍軍醫(yī)大學(xué)（我校）在實施建設(shè)國際一流醫(yī)學(xué)院校和發(fā)展教育訓(xùn)練計劃的過程中嘗試性地將虛擬仿真運用到《藥用植物學(xué)》實驗教學(xué)中，建立了藥用植物學(xué)虛擬教學(xué)實驗平臺，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)對藥用植物的生長環(huán)境、鑒別特征、采收加工等場景開展真實模擬，通過沉浸式、高交互的實驗過程，提升學(xué)生對藥用植物學(xué)的理解和應(yīng)用能力。現(xiàn)將傳統(tǒng)教學(xué)現(xiàn)狀和“藥用植物學(xué)虛擬教學(xué)實驗平臺”試用效果進(jìn)行調(diào)查分析，為進(jìn)一步提高《藥用植物學(xué)》教學(xué)質(zhì)量提供參考。

1 藥用植物學(xué)實踐教學(xué)開展現(xiàn)狀

《藥用植物學(xué)》是利用植物學(xué)的知識與方法，來研究藥用植物的一門科學(xué)，包括植物的組織形態(tài)、生理功能、分類鑒定、資源開發(fā)與合理利用等內(nèi)容，是中藥學(xué)和藥學(xué)中一門理論性、實踐性很強的專業(yè)基礎(chǔ)課[2]。

藥用植物學(xué)的學(xué)習(xí)必須密切聯(lián)系實踐，通過全面仔細(xì)的觀察，增強對植物組織形態(tài)、結(jié)構(gòu)特點和生長環(huán)境的認(rèn)識。據(jù)調(diào)研，多數(shù)的院校在藥用植物學(xué)實踐教學(xué)中通過觀察蠟葉標(biāo)本、浸泡標(biāo)本和植物圖譜等方式增強學(xué)生對藥用植物的認(rèn)識。有的增加了戶外見習(xí)環(huán)節(jié)，但是由于時間、季節(jié)和地理分布的局限，也只能觀察到部分植物，或者某種植物的某些器官，很難做到全面細(xì)致。所開設(shè)的實驗課基本以驗證性實驗為主，不能充分激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性。

2 引入虛擬實驗室在《藥用植物學(xué)》實踐教學(xué)中的優(yōu)勢

2.1 形象直觀、更容易理解

虛擬實驗室引導(dǎo)學(xué)生通過全面立體的視覺直接感受事物，同時可伴隨手動操作和創(chuàng)造性思維活動學(xué)習(xí)知識，其效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的理論課講解和標(biāo)本觀察。

如在藥用植物學(xué)教學(xué)過程中，果實的形成和構(gòu)造是歷屆學(xué)生都認(rèn)為很抽象、很枯燥的內(nèi)容?；ń?jīng)傳粉受精后，各部分開始變化，花萼、花冠常脫落，雄蕊、雌蕊的柱頭先后枯萎，胚珠發(fā)育形成種子，子房逐漸膨大而發(fā)育成果實，形成真果；有些植物除子房外，花的其他部分形成的果實為假果。這一過程本身對于剛接觸植物學(xué)的學(xué)生來說就很抽象，還要求學(xué)生對花的組成與形態(tài)非常熟悉。然而，花由花梗、花托、雌蕊群、雄蕊群、花萼和花冠6部分組成；花冠又有10種常見的類型和6種卷疊方式；雄蕊群的花絲和花藥又有6種不同的著生方式和7種類型；組成雌蕊群的子房、花柱和柱頭，按子房的著生位置不同，有子房上位、子房下位和子房中下位3種；胎座的類型又分為邊緣臺座、側(cè)膜胎座、中軸胎座、特里中央胎座、基生胎座和頂生胎座6種；胚珠也有直生胚珠、橫生胚珠、彎生胚珠和倒生胚珠4種，這些也是植物學(xué)分類的主要依據(jù)?；ǖ那ё税賾B(tài)讓人賞心悅目，但是學(xué)起來真的不容易，雖然借助插圖和示意圖能幫助理解，但其作用也是杯水車薪。

然而，虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)了將子房發(fā)育成果實的過程和胚珠發(fā)育成種子的過程以動畫形式展現(xiàn)，最后再通過對花進(jìn)行解剖。這樣不僅提高了學(xué)生實驗的目的性和操作性，更重要的是讓學(xué)生通過視覺、聽覺、感官等多方面感知，對花和果實的組織結(jié)構(gòu)和形態(tài)有了更深刻的理解，大大提高了學(xué)習(xí)效率。

2.2 打破了時間和空間的限制，大大擴展了課堂范圍

不少學(xué)校設(shè)置了戶外見習(xí)環(huán)節(jié)，但是由于時間和空間的限制，只能看到當(dāng)季當(dāng)?shù)氐囊恍┲参铮荒芸吹街参锏娜~、花、果實、種子等全部器官，很難對植物有全面的了解。而虛擬藥用植物實驗室可以不受時間和空間的約束，學(xué)生可以隨時隨地上網(wǎng)瀏覽參觀學(xué)習(xí)各種季節(jié)和各個地域的植物。并且虛擬藥用植物實驗室設(shè)置了藥用植物園模塊，里面包含了全國各地的藥用植物資源，有效的打破了空間的限制。

2.3 增強了相關(guān)學(xué)科間的聯(lián)系

藥用植物學(xué)作為藥學(xué)和中藥學(xué)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，與后續(xù)的專業(yè)課生藥學(xué)、中藥學(xué)、中藥鑒定學(xué)、天然藥物化學(xué)、中藥質(zhì)量學(xué)、藥用植物生態(tài)學(xué)、中藥栽培學(xué)、分子生物學(xué)、遺傳學(xué)等具有密切的聯(lián)系。在授課時，對教員的知識面和學(xué)科間的交叉融合有很高的要求，更重要的是學(xué)時有限，教員必須保證在教授完本學(xué)科教學(xué)大綱規(guī)定的教學(xué)任務(wù)后，才能做相應(yīng)的拓展，因此往往捉襟見肘，顧此失彼。然而，虛擬實驗室的引入，可以使學(xué)生的學(xué)習(xí)時間不受教學(xué)大綱的限制，隨時隨地進(jìn)行拓展學(xué)習(xí)。在知識的串聯(lián)和交叉融匯方面，虛擬實驗室可以做到將藥用植物學(xué)和生藥學(xué)、中藥鑒定、藥用植物生態(tài)學(xué)及中藥栽培等多門課有機融合。

如在藥用植物學(xué)虛擬實驗室首頁通過搜索欄找到想要了解的植物，點開圖庫，可以看到該植物的“根、莖、葉、花、果實、種子、生長環(huán)境和知識鏈接”8個標(biāo)簽，分別點開每個標(biāo)簽可以看到相應(yīng)的文字講解和圖片內(nèi)容，非常形象直觀。其中生長環(huán)境一欄，介紹了該植物的野生環(huán)境（海拔、溫濕度、喜光或喜陰等）、目前人工馴養(yǎng)、組織培養(yǎng)情況等；在知識鏈接一欄，鏈接了該藥用植物的中藥名稱、拉丁名、藥用部位、功能主治、常用配伍、現(xiàn)代藥理研究等內(nèi)容。除此之外，在專業(yè)延伸部分，補充了與該藥用植物相關(guān)的生藥學(xué)和中藥鑒定學(xué)內(nèi)容、中藥材飲片識別、真?zhèn)纹返蔫b別及中藥炮制方法等。這樣每一種藥用植物都能得以縱向和橫向的延伸，以植物為線索，將相關(guān)專業(yè)知識得以有機融合，使學(xué)生對本學(xué)科的專業(yè)知識體系有更完整的認(rèn)識。

3 本?！端幱弥参飳W(xué)》網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)平臺建設(shè)的設(shè)計思路

3.1 平臺的模塊設(shè)置

本校的藥用植物學(xué)虛擬實驗室是在廣泛吸取了國內(nèi)多個國家級虛擬實驗室的基礎(chǔ)上，結(jié)合本校課程設(shè)置的特點和需求，以及對秦巴山區(qū)藥用植物資源研究進(jìn)行改進(jìn)而建設(shè)的。該系統(tǒng)由學(xué)生使用的前臺系統(tǒng)和教師操作的后臺系統(tǒng)組成，包括植物圖庫、藥植現(xiàn)場采集、藥用植物解剖、野外實習(xí)指導(dǎo)、相關(guān)知識拓展和用戶自學(xué)測評六個模塊。學(xué)生可以通過前臺學(xué)習(xí)系統(tǒng)在平臺中完成藥用植物的理論學(xué)習(xí)、預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)、知識拓展、野外實習(xí)、學(xué)習(xí)討論和考試。教師可通過后臺設(shè)置系統(tǒng)添加班級、學(xué)生和教師信息，增加植物種類和對內(nèi)容進(jìn)行編輯，添加管理題庫、設(shè)置題目類型和權(quán)重，設(shè)置試卷生成規(guī)則、設(shè)置考試時間和自動閱卷生成考試成績?！端幱弥参飳W(xué)》網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)平臺主要模塊內(nèi)容簡圖見圖1。

圖1 《藥用植物學(xué)》網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)平臺主要模塊內(nèi)容簡圖

3.2 平臺的功能分區(qū)介紹

整個系統(tǒng)同時又按功能進(jìn)行分區(qū)，分為全國藥用植物資源、秦巴山區(qū)藥用植物資源、“太白七藥”藥用植物資源、蠟葉植物標(biāo)本庫、藥用植物檢索數(shù)據(jù)庫、藥用植物對應(yīng)的生藥檢索數(shù)據(jù)庫。全國藥用植物資源主要包括我國不同經(jīng)度、緯度、不同海拔的代表性藥用植物，分別介紹了植物的基源信息和生長環(huán)境；秦巴山區(qū)藥用植物資源主要介紹秦嶺大巴山及其毗鄰地區(qū)主產(chǎn)的藥用植物，包括甘肅、四川、陜西、重慶、河南、湖北六省市主產(chǎn)的道地藥材，其主要目的是為陜產(chǎn)道地藥材的教學(xué)和普及提供平臺；“太白七藥”是指太白草藥中以“七”命名的藥，具有極高的醫(yī)療價值，是珍貴的民族文化遺產(chǎn)。由于太白七藥以前多為民間應(yīng)用，存在大量“同名異物”和“異物同名”的現(xiàn)象，在使用過程中常常容易混淆而影響藥效，因此“太白七藥”藥用植物資源模塊在支持教學(xué)的同時，可以對“太白七藥”研究起到正本溯源的作用；蠟葉植物標(biāo)本庫展現(xiàn)常用的和代表性藥用植物的各器官部位的蠟葉標(biāo)本以及文字和語音講解；藥用植物檢索以《中國植物志》電子版為數(shù)據(jù)庫，可以根據(jù)拉丁名檢索對應(yīng)的藥用植物，或根據(jù)植物名稱檢索所屬科屬種信息、拉丁名、植物鑒別要點、產(chǎn)地以及功效等。

4 《藥用植物學(xué)》網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)平臺試用效果調(diào)查分析

4.1 調(diào)查問卷設(shè)計

將本平臺對在校藥學(xué)系學(xué)員公開試用，并作問卷調(diào)查（表1）。主要調(diào)查內(nèi)容涉及《藥用植物學(xué)》網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)平臺的內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)方式、可接受度、學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效果等方面。

表1 《藥用植物學(xué)》網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)平臺試用調(diào)查問卷及結(jié)果[n（%），n=70]

4.2 調(diào)查結(jié)果反饋及分析

試用者中70名學(xué)員參與問卷調(diào)查，問卷回收率為100%，經(jīng)SPSS數(shù)據(jù)分析信度系數(shù)（Cronbach's ɑ）為0.81。調(diào)查結(jié)果表明，學(xué)員認(rèn)為虛擬教學(xué)模式非常必要，對提高學(xué)習(xí)成績和實踐能力都很有幫助。而且多數(shù)的學(xué)員對相關(guān)知識拓展感興趣，其次是藥用植物圖庫和野外實習(xí)指導(dǎo)，可見網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)平臺能很好的彌補傳統(tǒng)線下講授教學(xué)中學(xué)時有限、學(xué)員感官認(rèn)知缺乏、實地見習(xí)受限等不足，也滿足了學(xué)員學(xué)習(xí)中的個性化需求。特別是對于陸軍學(xué)員野外生存，辨識可食用植物和有毒植物很有幫助。

同時也有學(xué)員認(rèn)為平臺展示的植物種類偏少（55%），學(xué)科間聯(lián)系還不夠緊密（32%）?？梢妼W(xué)員的學(xué)習(xí)興趣非常濃厚，期待通過平臺學(xué)到更多的專業(yè)知識。對此我校后期會通過后臺設(shè)置系統(tǒng)不斷完善學(xué)習(xí)平臺，增加內(nèi)容和植物種類。通過建設(shè)《生藥學(xué)》和《中藥學(xué)》網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)平臺，對相關(guān)知識進(jìn)行鏈接和融合，增強學(xué)科間的有機聯(lián)系。調(diào)查顯示多數(shù)學(xué)員對平臺的設(shè)計和使用效果滿意。

隨著信息化和人工智能的發(fā)展，利用計算機、網(wǎng)絡(luò)為手段進(jìn)行現(xiàn)代化教學(xué)已成為高校教學(xué)的主流。以計算機網(wǎng)絡(luò)結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)的教學(xué)探索已在儀器分析[3]、醫(yī)學(xué)[4-7]、建筑[8]、化學(xué)[9-10]、分子生物[11-12]等方面取得了良好的成效。在多種學(xué)科的實驗教學(xué)中也取得了顯著優(yōu)于傳統(tǒng)實驗的教學(xué)效果[13]。2020年各大中小學(xué)、企業(yè)等面臨停工停產(chǎn)，國家各個行業(yè)都面臨的前所未有的挑戰(zhàn)。為了響應(yīng)教育部“停課不停學(xué)”的號召，各種網(wǎng)課和APP應(yīng)運而生。我校主推了“超星網(wǎng)絡(luò)教育平臺—學(xué)習(xí)通”開展線上理論課的教學(xué)[14]，但多數(shù)實驗和實踐教學(xué)由于空間的局限，受到很大影響。而實踐教學(xué)作為高等教育的重要環(huán)節(jié)，是我國教育部對于歷次教學(xué)改革再三強調(diào)的問題。實踐教學(xué)對提高學(xué)生動手實踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性和創(chuàng)造力起著不可替代的作用。甚至為提升我國職業(yè)教育質(zhì)量，教育部近日明確規(guī)定職業(yè)教育和專業(yè)性人才的培養(yǎng)過程中，實踐性教學(xué)學(xué)時數(shù)原則上占總學(xué)時數(shù)50%以上[15]。實踐教學(xué)不僅對傳統(tǒng)理論教學(xué)和講座信息容量進(jìn)行擴充，提升了教學(xué)效率，同時師生在實踐教學(xué)和操作過程中能對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和改良，甚至發(fā)現(xiàn)新的實驗現(xiàn)象進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和創(chuàng)新能力。

本《藥用植物學(xué)》虛擬教學(xué)實驗平臺的使用有利于增強本專業(yè)學(xué)生理論學(xué)習(xí)與實踐的聯(lián)系，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為本科生開展課外科研提供思路和興趣點；同時也可普及相關(guān)專業(yè)學(xué)生的中藥以及藥用植物學(xué)常識，增強學(xué)科之間的聯(lián)系和各專業(yè)之間的融會貫通，是一種兼專業(yè)與科普、融教學(xué)與科研為一體的新型靈活、接受度高、值得推廣的教學(xué)模式，是《藥用植物學(xué)》實驗教學(xué)改革的一個創(chuàng)新實踐。