大豆生長發育光周期響應虛擬仿真實驗的開發與應用

汪夢旭, 胡 原,2, 李 兵,2, 楊萬年

(1. 華中師范大學 生命科學學院, 湖北 武漢 430079；2. 華中師范大學 國家級生物學虛擬仿真實驗教學中心, 湖北 武漢 430079)

大豆生長發育光周期響應虛擬仿真實驗的開發與應用

汪夢旭1, 胡 原1,2, 李 兵1,2, 楊萬年1

(1. 華中師范大學 生命科學學院, 湖北 武漢 430079；2. 華中師范大學 國家級生物學虛擬仿真實驗教學中心, 湖北 武漢 430079)

為解決“大豆生長發育光周期響應”實驗周期長的問題,將該實驗轉化為可突破時間與空間限制的虛擬仿真實驗。在闡明實驗原理、實驗目的及實驗步驟的基礎上,介紹了該虛擬仿真實驗的功能與效果及其建設方法。學生通過虛擬仿真實驗能夠理解光周期在植物生長發育中的調控功能,并提高生物實驗素養。該文還討論了虛擬仿真實驗存在的優勢與不足,并提出了教學建議。

光周期； 虛擬仿真； 大豆生長實驗； 實驗教學

生物學是自然科學中的一門基礎學科,實驗教學是生物學教學不可缺少的一部分。通過實驗能豐富、活躍學生的科學思維,培養學生分析與綜合的能力及創造性思維能力。大量事實證明,在實驗中驗證過的理論知識,學生理解得比較透徹、記得更加牢固,也能在需要時靈活應用[1]。

光周期在植物花期中的調控功能是植物學課程教學中的重點和難點,也是植物學的研究熱點。雖然這一知識點在植物學與植物生理學課程教學中都會安排一定時間講解,但是由于植物對光周期響應持續的時間較長,難以在普通課堂實驗教學中完成。

虛擬仿真實驗是隨著現代計算機技術的進步和發展而產生的一種實驗模式,它主要借助于仿真、虛擬現實、多媒體等信息技術,在計算機上營造一種可以輔助、部分替代或全部替代傳統實驗的虛擬實驗環境[2]。它在時間與空間上對教學系統進行了擴展,克服了傳統教學中的時空障礙[3-4]。利用Flash和Unity3D技術將“大豆生長發育的光周期響應”實驗轉換成虛擬仿真實驗，可以有效彌補傳統實驗教學中的不足。

1 實驗簡介

光周期是調控植物生長與發育的重要環境因素之一,特別是很多植物的開花需要特定光周期的誘導,因而在開花生理上將植物分為短日照植物、長日照植物、日中性植物。對光周期敏感的植物開花需要一定的臨界日長。臨界日長是指晝夜周期中誘導短日照植物開花所必需的最長日照或誘導長日照植物開花所必需的最短日照[5]。因此,短日照植物在長日照條件不開花(或者開花被極端延遲),導致植物長期處于營養生長階段,而長日照植物在短日照條件下也不能開花[6]。

本實驗需要利用自然環境(室外)光周期的季節性變化來探究大豆生長發育的光周期響應。主要探究3個問題:

(1) 通過實驗研究說明大豆在光周期誘導開花方面屬于哪種類型的植物,即長日、短日、日中性植物；

(2) 不同月份種下的大豆開花時在莖、葉的形態、大小方面有無差別；

(3) 不同月份種下的大豆在開花時,花的結構方面有無差別。

“大豆生長發育的光周期響應”實驗步驟如下:

(1) 用盆栽的方法播種大豆,用記號筆標記播種日期,每盆先播種10粒種子,子葉展開后選留生長一致的幼苗3株；

(2) 每隔1個月播種一次大豆并觀察和記錄大豆植株生長發育狀況,例如大豆子葉出土、原始真葉長出、復葉長出、胚芽發育成莖和葉、幼葉不斷長大、子葉慢慢消失、葉腋內長出分枝幼芽,總結不同時期大豆植株的特點；

(3) 等待大豆植株開花,觀察并測量結果,分析數據,得出結論[7]。

2 實驗功能與效果

“大豆生長發育光周期響應”虛擬仿真實驗利用Flash和Unity3D技術構建大豆播種過程動畫、大豆植株生長發育過程動畫、數據測量過程動畫以及大豆花解剖過程動畫等虛擬仿真資源。學生通過網絡終端設備自主操作虛擬仿真實驗,熟悉實驗過程、了解大豆植株各結構的特點、學習測量方法、觀察大豆花部各器官典型結構特征；在虛擬仿真實驗中設置了交互式習題,幫助學生鞏固知識點。

在開始實驗之前,學生可先點擊查看“實驗目的”和“實驗原理”,然后再進入虛擬仿真實驗操作,實驗界面如圖1所示。虛擬仿真實驗分為播種、測量和解剖3個模塊,學生可以自主選擇模塊進行虛擬實驗操作。每個模塊都有Tips、操作提示和任務(計分)3個欄目,并且可以選擇回顧之前的操作或繼續下一步操作。

圖1 “大豆生長發育的光周期響應”虛擬仿真實驗界面

(1) 播種。在“播種”模塊,學生需要拖動或點擊“灑水壺”“記號筆”“花盆”“小鏟子”和“大豆”，模擬大豆播種過程。播種之后,動畫播放大豆生長過程。在這個過程中,“Tips”將介紹大豆的生長狀況、大豆植株的結構特征和大豆的結構細節。此外,虛擬仿真實驗還會以選擇題形式呈現任務,幫助學生鞏固重要知識點。實驗結果為不同月份種下的大豆在同一個時間段陸續開花,學生需要結合所學知識自主分析得出大豆在光周期誘導開花方面屬于哪種類型的植物。在“播種”這一模塊中,學生不僅可以通過虛擬實驗操作學習大豆的播種方法,而且可以直觀體驗大豆生長發育的整個過程、細致觀察大豆植株的結構特征,了解大豆植株在開花之前的營養生長狀態。

(2) 測量。為了探究不同月份種下的大豆開花時莖的差別,可以通過計算主莖長和主莖節間數目、測量主莖的周長等方法進行實驗。在“測量”模塊,軟件界面會顯示測量部位、測量工具和測量方法。在實驗操作過程中,學生需要思考為何要選擇該種測量方法以及如何進行正確地測量。學生需要模擬數據的記錄和處理的過程,并以表格形式提交實驗數據。表格中呈現的數據是實體實驗測得的真實數據,學生需要對最后呈現的數據進行自主分析并得出結論。學生通過虛擬仿真實驗的模擬測量和數據分析,不僅可以加深對課堂上所學的理論知識的理解,而且可以培養對植物生長的觀察能力和分析能力,培養實事求是、嚴肅認真的科學態度以及良好的實驗素養[1]。

(3) 解剖。為了探究不同月份種下的大豆開花時花的結構方面有無差別,可對大豆花進行解剖實驗。在“解剖”模塊,要求學生先回顧解剖花應遵循的原則(順序),然后通過虛擬仿真實驗操作及動畫演示學習大豆花的解剖步驟及方法。之后,呈現大豆花在顯微鏡下的解剖圖,并在解剖圖中標明大豆花各部分的結構名稱。最后,學生根據虛擬仿真實驗撰寫實驗報告,思考需要探究的問題。學生通過虛擬仿真實驗模擬大豆花的解剖過程,不僅學習了大豆花的結構,而且可以認識到不同月份播種下的大豆植株在花結構上無明顯差異。

“大豆生長發育的光周期響應”虛擬仿真實驗屬于低成本但耗時長的實驗項目,利用虛擬仿真實驗資源,學生對植物光周期響應的理解更加準確。大豆為短日照植物,但作為栽培品種,有不同程度敏感性的品種存在,且不同緯度的光周期對同一品種的植株性狀有影響。這些差異能夠幫助學生理解這一現象的絕對性與相對性[8]。而且,通過對大豆全生育期的形成態與結構解剖觀察,學生能夠提高解決實際生產問題的能力(例如對大豆生長發育時期的鑒定等)。最重要的是,該虛擬仿真實驗可以起到科學訓練的作用。例如,最簡單的測定葉長等形成學研究就需要確定測量標準，學生需要全面思考,找出最科學且能實際操作的標準。

綜上,將“大豆生長大于的光周期響應”探究實驗轉化為虛擬仿真實驗,能較好地解決需長時間實時觀察大豆植株生長過程以致實驗教學安排難、甚至無法安排等問題,彌補了傳統教學的不足。

3 虛擬仿真實驗建設方法

“大豆生長發育的光周期響應”虛擬仿真實驗資源的建設可以分為前、中、后3個時期。

前期建設主要是選定合適的建設項目和撰寫項目申請書。項目申請書要說明項目意義、項目內容、實施計劃及考察指標等。項目申請通過之后開展實體實驗,收集虛擬仿真資源建設所需的素材。

在建設過程中,利用文字、照片、視頻等詳細記錄實驗操作的每一個步驟及植株的生長狀態、結構細節。在項目實施的同時,撰寫虛擬仿真實驗軟件的腳本。腳本主要是該虛擬仿真實驗的情景設計,包括場景設計、交互設計、反饋設計、導航設計等內容[9]。

實驗建設后期,對所有的素材進行整理,同腳本一起發送給軟件制作公司開始制作虛擬仿真實驗軟件。軟件制作的過程是一個不斷交流反饋與修改完善的過程,這個過程需要學校領導、教師和學生的共同參與,給出不同的修改意見,將修改意見清晰明確地反饋給制作公司,協作完成虛擬仿真實驗教學資源的建設。

“大豆生長發育光周期響應”虛擬仿真實驗教學資源建設流程圖如圖2所示[10]。

圖2 大豆生長發育光周期響應虛擬仿真實驗教學資源建設流程圖

4 討論

學生可以根據需要選擇“大豆生長發育光周期響應”虛擬仿真實驗的任意模塊進行學習,滿足自主化、個性化學習需求。該虛擬仿真實驗在對學生的基本實驗操作和實驗技能進行訓練的同時,將許多植物學知識點融入虛擬仿真實驗中,既有較強的交互性,又豐富了學習內容。虛擬仿真實驗界面美觀、畫面生動、色彩鮮艷、沉浸感強,在虛擬仿真實驗中設置有形成性評價,可以提高學生的學習興趣。

美國視聽教育專家愛德加·戴爾的“經驗之塔”理論認為：人類的認知途徑和規律是從“做的經驗”到“觀察的經驗”再到“抽象的經驗”,只有遵循這種從簡單到復雜、從形象到抽象,形象和抽象相結合的認知規律,才能達到最佳的學習效果。學生利用“大豆生長發育光周期響應”虛擬仿真實驗進行學習得到的是“觀察的經驗”,不能完全真地實反映現實情況,難以達到最佳的學習效果[11]。因此,虛擬仿真實驗不能完全替代實體實驗[12]。對于因實驗周期長而無法在普通實驗課程中開展的簡單實驗,教師應鼓勵學生在課余時間進行自主實踐,從而達到“虛實結合”的目的,提升學習效果。

References)

[1] 程敏熙,趙芝孟,顏巧瑩.簡論高等學校理論教學與實驗教學的關系[J].實驗技術與管理,2001,18(2):187-188.

[2] 廖維華,郭新宇,溫維亮,等.作物栽培虛擬仿真實驗教學系統的設計與實現[J].實驗技術與管理,2016,33(11):150-152.

[3] 王建平.論虛擬實驗在基本操作型實踐性教學環節中的優勢[J].長沙航空職業技術學院學報,2006,6(2):26-27.

[4] 黃榮懷,鄭蘭琴,程薇.虛擬實驗及其學習者可信度認知[J].開放教育研究,2012,18(6):9-15.

[5] 潘瑞熾.植物生理學[M].北京:高等教育出版社,2004.

[6] 簡波.光周期相關基因在大豆成花誘導與開花逆轉中的表達[D].蘭州:蘭州大學,2008.

[7] 劉旭,張翠麗,遲春明.園林生態學實驗與實踐[M].成都:西南交通大學出版社,2015.

[8] 歐紅梅,孫以美.光周期對大豆生長發育的影響[J].安徽農業科學,2000,28(5):587-588.

[9] 王佳婧.虛擬實驗開發與應用研究[J].軟件導刊,2013,12(8):191-192.

[10] 戴玉婷.學習型虛擬實驗資源的設計與實踐研究:以高中物理為例[D].成都:四川師范大學,2016.

[11] 王濟軍,魏雪峰.虛擬實驗的“熱”現狀與“冷”思考[J].中國電化教育,2011(4):126-129.

[12] 沈亦紅.論物理虛擬實驗與真實實驗的互補作用[J].中國電化教育,2004(7):42-44.

Development and application of virtual simulation experiment on photoperiodic response of soybean growth and development

Wang Mengxu1, Hu Yuan1,2, Li Bing1,2, Yang Wannian1

(1. College of Life Sciences, Central China Normal University, Wuhan 430079, China; 2. The National Biology Virtual Simulation Experimental Teaching Center, Central China Normal University, Wuhan 430079, China)

In order to solve the problem of the long cycle for the Photoperiodic Response of Soybean Growth and Development experiment, this experiment is transformed into a virtual simulation experiment which can break the time and space limitations. On the basis of elaborating the principle, purpose and procedure of the experiment, the function and effect of the virtual experiment and its construction method are introduced. Through the virtual simulation experiment, students can understand the regulative function of the photoperiod in the plant growth and development, which improves the students’ biological experimental literacy. This paper also discusses the advantages and disadvantages of the virtual experiment and puts forward some teaching suggestions.

photoperiod; virtual simulation; soybean growth experiment; experimental teaching

2017-06-16

2016年度華中師范大學中央高校基本科研業務費專項資金項目(科研成果轉化實驗教學內容類)

汪夢旭(1993—),女,浙江臺州,碩士研究生,研究方向為生物學教學

E-mail：542100209@qq.com

楊萬年(1968—),男,湖北長陽,博士,教授,碩士生導師,主要研究方向為植物學.

E-mail：yangwn@mail.ccnu.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.034

Q944.3

A

1002-4956(2017)12-0142-04