植物物種鑒別實驗虛擬仿真資源的構建與應用

張 彪, 潘志明, 魏萬紅, 黃金林, 杜 坤

(1. 揚州大學 生物科學與技術學院, 江蘇 揚州 225009； 2. 揚州大學 實驗室與設備管理處,江蘇 揚州,225009)

揚州大學生物科學與技術實驗教學中心是國家級實驗教學示范中心和國家級虛擬仿真實驗教學中心,自1999年起對生物玻片標本與實體標本進行數字化和虛擬仿真資源建設。實驗教學中心始終堅持以實用資源建設為導向,聚焦科學技術的發展并改革實驗教學方法、加強實驗教學資源建設,關注生物學相關學科的發展并更新實驗教學內容,注重信息技術與生物學實驗教學的融合與應用,提出了“積為教用、虛為實用、虛實互補、提升實效”的虛擬仿真實驗教學資源建設與應用思路,積累了一批數字切片、虛擬標本、微(課)視頻、2D/3D場景動畫等虛擬仿真實驗教學資源。這些資源既為MOOC、微課、翻轉課堂等新形態生物學實驗教學提供了素材,也為在“互聯網+”背景下構建與教學內容相符的個性化實驗教學運行模式(例如在“植物物種鑒別”實驗中采用的“學中游、游中學”教學模式)提供了支撐與保障。

1 植物物種鑒別實驗虛擬仿真資源建設的必要性

“植物物種鑒別”實驗教學具有直觀性、開放性、綜合性、創造性特征[1]。由于其核心教學要素——供試植物標本受季節、地域、植物器官生長的漸次性和周期性等多因素的限制,在選擇時既豐富、有時又缺乏,既方便獲取、又潛在安全風險,而物種鑒別工具書(如《植物志》等)在野外實習中雖方便鑒別、但不便攜帶。

隨著移動互聯網技術的快速發展,采用虛擬現實技術構建虛擬仿真實驗環境和實驗對象等虛擬仿真資源[2-4],不但低風險、低成本、使用及維護方便,還能夠依托網絡、數據庫和網絡終端設備實現實體實驗教學中不能、不易或不能完全開展的實驗內容[5]。為此,我們應用Unity3D虛擬現實技術、顯微-數碼成像技術、電子地圖技術，構建了植物生長環境與標本采集3D虛擬桌面式場景及3D動畫、不同物種全生育期典型形態結構組成特征2D虛擬標本、電子檢索表等虛擬仿真資源,并借助數據庫、網絡通信技術實現虛擬仿真資源在“植物物種鑒別”實驗教學過程中的應用。

虛擬仿真資源的建設降低了在野外特殊地理環境下學生采集標本的潛在安全風險,克服了紙質工具書攜帶不便的問題,解決了1次定時定點實驗不能完整采集標本的問題[6],建立起系統學習(基于實驗室課堂)和碎片式學習(基于網絡和植物生長場所)虛實結合的實驗教學方式[7-8],拓展“植物物種鑒別”實驗教學時空、創建有利于學生自主學習的實驗教學情境[9]。

2 植物物種鑒別實驗在線教學平臺的構建

2.1 平臺的基本架構

要使植物物種鑒別實驗虛擬仿真資源在“互聯網+”背景下得到有效應用,并彌補單一實體實驗存在的不足,首要問題是虛擬仿真資源在網絡空間的存儲、輸出、應用、管理與安全性。為此,首先將植物物種鑒別實驗在線教學平臺的基本架構設計為權限不等的3個功能區,即學生功能區、教師功能區和管理員功能區[10]；再在每個功能區下設計若干執行某一特定任務的工作模塊,并在工作模塊中加載相關的虛擬仿真實驗教學資源數據,最終實現該平臺在PC、平板電腦、智能手機等網絡終端設備上的順暢運行。平臺的架構如圖1所示。

圖1 植物物種鑒別實驗在線教學平臺的基本架構

2.2 平臺中的資源類型

植物物種鑒別實驗在線教學平臺上的虛擬仿真實驗教學資源包括兩部分：(1)植物標本野外觀察與采集3D虛擬桌面式場景動畫；(2)植物標本解剖、描述與鑒別圖文數據庫。

(1) 3D虛擬桌面式場景動畫。采用Unity3D、Maya等軟件工具,將野外生境、植物的自然分布、不同類型植物(草本、喬木、灌木、水生等)標本的采集與解剖方法制作成3D虛擬桌面式場景及3D動畫(見圖2)。利用該資源,用戶可在線實現對野外植物標本觀察與采集的虛擬仿真訓練。

圖2 植物標本野外觀察與采集3D虛擬桌面式場景動畫示例

(2) 圖文數據庫。采用顯微-數碼、電子地圖、Microsoft SQL等軟件工具,構建植物器官名詞術語、解剖描述、各類解剖圖譜、檢索表等圖文數據庫,并通過JavaScript語言實現用戶對所采集植物標本的在線比對、解剖、鑒別,以及對植物生活史特征和應用價值的了解(見圖3)。

圖3 植物標本解剖、描述與鑒別圖文數據庫示例

2.3 平臺實現的功能

用戶可利用PC、平板電腦、智能手機等網絡終端設備,通過Web或微信入口進行身份認證后登錄平臺相應的功能區。

用戶通過植物物種鑒別實驗在線教學平臺訪問其中的3D虛擬桌面式場景動畫,既可學習不同地理環境下的植物野外調查與標本采集方法,還可鳥瞰和360°觀察高大植物體,更能降低在特定環境下采集標本的潛在風險。訪問圖文數據庫,即可在線完成對描述植物形態結構特征的名稱術語的觀摩學習、在線完成虛擬標本解剖描述和檢索鑒別規范化操作流程的仿真學習、在線檢索實體植物標本、在線撰寫植物物種鑒別報告并提交報告、在線查看教師對實驗報告的批改結果。平臺支持師生和生生在線交流討論,具有實驗教學數據在線存檔與管理等功能。

3 虛實結合實驗教學運行模式的構建

通過植物物種鑒別實驗在線教學平臺中3D場景式動畫、植物名詞術語、解剖描述、物種介紹圖文數據庫以及植物檢索文本數據庫等虛擬仿真實驗教學資源的在線應用,以野外實習地、校園、田園、公園為植物鑒別實驗場所,以智能手機、PC等網絡終端設備為載體,以虛實結合的方式進行實驗,不僅確保了“植物物種鑒別”的實驗目標確定—實驗項目準備—實驗項目實施—實驗報告撰寫與提交—實驗結果交流討論—實驗報告的評閱與審批等實驗全過程的連續性,而且可以按照教學計劃定時、定點地實施(實施流程見圖4)。

圖4 植物物種檢索鑒別實驗“虛實結合”的教學實施流程

植物物種鑒別實驗在線教學平臺較好地解決了植物生長的季節性、地域性以及器官形成的漸次性對實驗教學的影響,從而保證“植物分類學實驗”“植物學野外教學實習”等課程能夠隨時得到實驗供試材料,可以定時、定點地安排課程實驗,降低了實驗和實習教學成本,拓展了實驗教學的時空,形成了“游中學、學中游”的實驗教學新模式,提高了實驗教學效果。

4 虛擬仿真資源建設的成效

4.1 提升了教師的虛擬仿真資源制作水平

在現有的植物物種鑒別實驗在線教學平臺中,虛擬仿真資源主要包括3D場景式動畫1套；供學生在線解剖、描述、檢索、鑒別用的虛擬物種50余種；供學生在線觀摩、比對學習用的虛擬標本1 000余套；供學生在線檢索鑒別用檢索表4套(包含蕨類植物、裸子植物、被子植物分科檢索表以及被子植物部分屬、種檢索表)；微(課)視頻5部。其中“植物物種野外觀察與標本采集虛擬仿真實驗”獲國家版權局頒發的計算機軟件著作權證書；“花的解剖與花程式的書寫”在2016年全國高校生命科學類微課競賽中獲二等獎；植物物種鑒別實驗在線教學平臺獲2016年高等學校虛擬仿真實驗教學資源建設成果二等獎。

4.2 提高了學生對植物物種鑒別實驗的興趣

學生可以通過PC和平板電腦、智能手機等移動終端設備訪問在線教學平臺,在欣賞自然界美景時完成對植物物種的檢索和鑒別。這種教學方式既拓展了實驗教學的時空,又提升了學生對物種檢索鑒別實驗的學習興趣；不但實現了信息技術與傳統實驗教學的融合,還為構建“游中學、學中游”的教學模式提供了載體與支撐。當學生能夠在校園、田園、公園為朋友、家人講出各種植物的名稱、特性和用途時,也會充滿自信心和成就感。

4.3 增強了學生的創新能力

通過植物物種鑒別實驗虛擬仿真資源的構建,通過系統學習(基于實驗室課堂)與碎片式學習(基于網絡和植物生長場所)虛實結合的實驗教學方式的應用,既實現了實驗教學虛擬環境和真實環境的融合,又提升了學生的觀察能力、動手能力、創新實踐能力和深度思考問題的能力[11]。我院學生連續9屆在全國大學生“挑戰杯”競賽中獲獎。

5 結語

植物物種鑒別實驗虛擬仿真資源及“游中學、學中游”實驗教學模式的構建,既順應了“互聯網+”背景下人們獲取知識途徑的變化,又規避了定時、定點實體實驗教學的弊端,可以完整地獲取植物標本并一次完成實驗項目的全部內容。

盡管已在平臺中加載了1 000余份虛擬植物標本,能夠基本滿足全校的實驗教學需求,但因植物種類繁多以及植物各器官易受地域、季節、環境變化等因素的影響,仍需通過“虛擬標本”的構建與積累,進一步豐富平臺中的虛擬仿真資源,實現其在更大范圍內的應用與共享。