植物組培再生虛擬仿真實驗的設計與應用

農春仕，孟國忠，尹佟明，汪貴斌，張遠蘭

（1.南京林業大學 實驗室與基地建設管理處，江蘇 南京 210037；2.南京林業大學 現代分析測試中心，江蘇 南京 210037；3.南京林業大學 林學院，江蘇 南京 210037；4.南京林業大學 生物與環境學院，江蘇 南京 210037）

2018 年6 月，教育部陳寶生部長在新時代全國高等學校本科教育工作會上提出了“金課”概念。如何抓好虛擬仿真實驗項目的“金課”建設，開辟“智能+教育”新途徑是新時代本科實驗教學的重要任務。虛擬仿真技術是用虛擬系統模仿真實系統的技術，也是仿真技術與虛擬現實技術相結合的產物[1]。隨著計算機仿真技術和信息技術的快速發展，虛擬仿真技術具有逼真、交互、虛擬等特點，能夠真實模擬實驗教學中的各種場景，使學校實驗、實踐教學的手段發生顯著的變化[2-5]。虛擬仿真實驗項目是學科專業與信息技術深度融合的產物，更加適合新時代大學生的學習習慣，在教育教學中發揮著越來越重要的作用。植物組織培養是高等院校農學、林學、植物學、生物科學、園林植物以及生物技術等本科專業必修的實驗科目之一，也是對楊樹進行基因工程操作的基礎性平臺。結合當前虛擬仿真技術的快速發展，我校依托林木遺傳育種實驗室建立的“南林895 楊”高效組培再生體系，按照“能實不虛、虛實互補”的原則，構建了楊樹良種組培再生虛擬仿真實驗平臺，為“互聯網+”背景下建立與教學內容相符的人性化實驗教學運行模式提供了支撐與保障[6-8]。

1 實驗項目建設背景

植物組織培養是一種對植物的器官、組織、細胞或原生質體等進行體外培養的技術。“南林895 楊”是我校林木遺傳育種學科選育的優良美洲黑楊品種，其良種組培快繁技術具有較強的技術優勢，對于植物組織培養相關課程的實踐教學具有積極示范作用。由于受課時和實驗條件的限制，學生在傳統的植物組織培養實驗中主要進行培養基配制、外植體選擇和接種等接觸性的實驗操作，缺乏對植物組織培養完整動態過程的感官認知。同時，在傳統實驗教學中，學生主要按照指導教師的實驗設計，被動地進行培養基配制、外植體加工、接種等固定環節的操作，缺乏實驗的自主性，此外，由于實驗結果無法追蹤、重復性差，導致實驗效果不理想。

利用現代虛擬仿真技術，可以再現植物組織培養所必需的實驗環境（包括準備間、高壓滅菌室、無菌接種間和光照培養間等）、儀器設備（包括電子天平、PH 計、微波爐、高壓滅菌鍋和超凈工作臺等）以及組培的完整動態過程。通過虛擬仿真實驗，學生可以自己設計培養基的配方，實時追蹤該誘導條件下的不定芽、莖伸長生長和不定根發育的動態變化及其與最佳激素組合誘導結果的差異性，從中不僅可以深刻認識到激素配比對組培再生效率的重要影響，而且根據反饋結果，可以通過反復實驗優化設計和操作，篩選出適合不同組培誘導階段的最佳激素組合，作為真實實驗中的培養條件，達到虛擬與真實實驗教學的有機融合。

2 實驗項目特點

2.1 突破植物生長時間限制

傳統植物組織培養實驗周期長、操作繁瑣、技術要求高[9-11]，從葉片開始到大量再生植株移栽需要6個月以上的時間。而實驗課時少，學生無法在規定的學時內認知組織培養的動態過程和關鍵的影響環節。然而，通過虛擬仿真，學生可以在4 個學時內完成整個實驗操作流程，節約了時間和成本，提高了感官認識。此外，學生可通過開放端口，隨時登錄系統，進行在線實驗操作和自主學習，不受預定實驗課程安排的限制。

2.2 突破植物生長空間限制

由于植物需要在滿足一定的環境條件下才能正常生長，因此植株組織培養從培育基配制、外植體選擇、不定芽誘導、不定芽伸長、生根都需要在維持一定溫度、濕度、光照和潔凈度的組培室中進行，整個實驗過程需要投入大量人力和物力來維持。而通過虛擬仿真，有效克服了植物組織培養的空間限制。此外，植物虛擬仿真實驗可以基于PC 端和移動端而設計，學生不受實驗地點的限制進行實踐操作，突破了空間的限制。從理論上來講，虛擬仿真實驗可以無限次重復進行，有效節約實驗成本。

2.3 自主化的實驗參數設計

楊樹良種組培再生虛擬仿真實驗基于“以學生為中心”的教學理念開發設計，體現了良好的交互性。在線實驗操作過程中，學生可以根據系統的提示和自己對植物組織培養基本知識點的理解和把握情況，自主設計誘導培養基中的生長素和細胞分裂素使用濃度、選擇外植體和接種方向等關鍵參數。通過自主設計的實驗結果與標準實驗進行對比，在線分析其中的原因和改進措施，可以有效解決傳統實驗教學中學生因無法參與實驗設計，只能被動地進行實驗操作的問題，提高學生在實驗中的主觀能動性和積極性。此外，學生也可以通過系統中的交互窗口，及時對實驗中存在的問題與指導教師進行交流互動。

3 實驗項目平臺框架

學生通過網頁瀏覽器登錄虛擬仿真實驗平臺，自主選擇實驗項目，系統通過模塊調用、數據交互，實現學生對實驗工況及相關條件參數的選擇，并進行過程演示，最終得到運行結果，并對實驗結果進行對比分析，完成實驗報告生成。

3.1 平臺網絡技術要求

虛擬仿真實驗通過3D 仿真、動畫技術、WebGL技術，應用Flash、3d Max、Adobe After Effects、Adobe Photoshop 等開發工具，再現植物組培的全過程。在項目品質方面，單場景模型總面數可達6 萬左右，貼圖分辨率為1920×1080，每幀渲染次數為24 次，動作反饋時間為0.1 s，實時顯示刷新率，分辨率為1920×1080。

3.2 系統模塊與功能

我校虛擬仿真實驗項目平臺的功能模塊框架如圖1 所示。根據功能需要和角色不同，將實驗項目平臺的基本架構設計為三個權限不等的功能區，即學生功能區、教師功能區和管理功能區。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。在學生功能區，學生可以實現從實驗前預習和測試、實驗中操作練習、實驗后完成實驗報告和課后測試等不同環節，幫助全面掌握植物組織培養相關知識。在教師功能區，任課教師可以通過關注學生在網絡上實驗全程記錄，全面客觀地評價學生對植物組織培養實驗的掌握情況，并對學生進行綜合成績評定，可以有效地克服傳統教學中僅憑學生在實驗中的表現和實驗報告進行成績評定的不足。在管理員功能區，管理人員可以對平臺用戶的權限、數據、安全等提供基本管理服務，保證平臺的安全、有序運行。

圖1 實驗項目平臺的功能模塊框架

4 實驗項目實踐

4.1 實驗原理

1902 年，德國著名植物學家哈勃蘭特提出植物細胞全能性的概念。他認為由于植物的每個體細胞都含有該物種全部的遺傳信息，因此均具備發育成完整植株的潛在能力[12]。目前，該理論已經被越來越多的植物組織培養的成功案例所證實，使之成為指導植物組織培養的基本理論基礎。楊樹良種組培再生虛擬仿真實驗主要涉及基本培養基、激素濃度配比、外植體選擇、外植體接種方式以及外在培養條件等5 個知識點。其中，基本培養基為離體器官或組織的生長和發育提供基本的營養，主要由無機營養物、碳源、維生素、有機附加物等組成[13]；離體植物材料的細胞分裂和分化活動主要依賴于培養基中的生長調節物質及其濃度配比。外植體是指用于離體培養的植物組織、器官或細胞，其狀態的好壞直接決定著細胞的分裂和分化能力。在外植體的選擇過程中，需要綜合考慮基因型、外植體的來源、取材季節、外植體的生理狀態和發育年齡以及外植體的大小等因素；就外植體接種方式而言，植物不同部位的組織和器官由于行使的功能不同，在結構上也存在很大的差異。例如，葉片近軸面和遠軸面在組織結構上的差異決定了兩者對培養基中營養和生理調節物質的吸收能力是不同的；環境條件也會影響到離體植物組織或器官的生長發育過程，主要包括溫度、溫度和光照等因素。

4.2 實驗方法與步驟

在虛擬仿真實驗中，學生是學習的主體。因此，學生能否利用好虛擬資源是完成虛擬仿真實驗的關鍵。對本項目而言，學生可以通過智能手機或PC 登錄實驗項目平臺，熟悉實驗背景、目的，完成課前測試，并按照圖2 所示流程開展植物組織培養虛擬仿真實驗。

圖2 植物組織培養虛擬仿真實驗流程

（1）實驗前準備。學生在系統登錄界面，輸入姓名和學號后，點擊“確定”，直接進入到實驗操作界面。通過實驗簡介和幫助等模塊，了解項目背景、實驗原理、目的、基本操作以及操作系統使用方法。

（2）虛擬實驗操作。依次點擊實驗操作界面左側培養基配制（見圖3）、接種材料選擇和葉盤制作、不定芽誘導、莖伸長培養、不定根誘導和煉苗移栽等模塊，根據系統提示，進行相關參數設置和實驗操作。

（3）撰寫實驗報告。實驗操作完成以后，學生點擊操作界面上方的“實驗報告”模塊，系統記錄學生的操作過程，生成實驗結果統計表。學生在統計表格中如實填寫不定芽和不定根數量，并計算不定芽/不定根的誘導率、平均不定芽/不定根數，最后學生對比分析自主實驗設計結果與標準實驗結果，完成數據分析后，在線撰寫并提交實驗報告，如圖4 所示。

圖3 培養基配制頁面

（4）實驗項目評價。實驗報告在線提交以后，點擊界面上方的“課后習題測試”模塊，系統隨機從數據庫中抽取由5～10 道題組成的試卷，學生在線作答并提交，系統自動打分，并給出正確答案。整個實驗項目考核包括課前預習及在線測試、真實和虛擬實驗中的操作能力、實驗報告和綜合能力測試4 個部分，并根據每項考核指標的重要性，分別給予一定的權重，最后由此計算出學生的綜合評定成績。

5 實驗項目建設特色與成效

5.1 以虛補實，解決植物組織培養周期長與實驗條件要求高的難題

傳統植物組織培養實驗所利用的植物材料體積小，抗逆性差，對環境條件要求嚴格，需投入大量人力、物力，成本較高。通過虛擬仿真實驗平臺，學生能夠在線進行培養基配方設計、配制、分裝、高壓滅菌、外植體選擇、加工和接種不定芽誘導、壯苗、不定根誘導和煉苗移栽等實驗操作，并實時追蹤特定誘導條件下的不定芽、莖生長和不定根的發育變化，有效地解決了因植物組織培養周期過長及課時和空間有限而導致的實驗操作有限和實驗結果難以跟蹤的難題，為“植物細胞工程”“植物基因工程”等實驗的開展提供了有益的在線輔助工作。

5.2 虛實結合，提升學生參與實驗的主觀能動性與創造性

在虛擬仿真實驗平臺，學生可以自己設計不同階段誘導培養基中的激素濃度配比，并實時追蹤與比較該誘導條件下的不定芽、莖伸長生長和不定根發育與實驗參照之間的差異性。同時，虛擬仿真實驗可以無限次重復進行，使學生能夠在反復實驗過程中發現實驗設計存在的問題，可以通過重新設計實驗參數和反復操作，深入理解激素配比對植物組織培養階段性發育過程的重要性和差異性，提升學生參與實驗的主觀能動性與創造性。

5.3 資源共享，構建學生自主學習與師生互動平臺

通過網絡平臺，學生可以隨時隨地進行在線實驗操作。如在實驗前，學生可以通過系統中的相關模塊，事先了解實驗目的、原理等相關基本知識。實驗課后，可以通過重復實驗設計和操作，鞏固課堂所學內容。通過這種由“實驗設計—結果反饋—發現問題”的過程，培養學生科學的實驗方法，拓展其知識視野，激發個人的主觀能動性和創造性。同時，學生還可以通過在線交流的形式，與教師進行一定的互動交流，提升學習的針對性和實效性。通過實驗平臺，任課教師可以清晰地了解學生對相關知識的掌握情況，為今后有針對性地開展課堂教學提供參考信息。

6 結語

楊樹良種組培再生虛擬仿真實驗項目秉承“虛實結合、綠色共享”的理念開發設計，虛擬條件下的植物生長過程是對實際實驗結果的動態模擬，虛擬結果是基于長期研究過程中積累的大量實驗數據。目前，該項目已獲得2018 年度國家虛擬仿真實驗教學項目認定，截至2019 年10 月，已有14 540 人次使用該平臺。通過虛擬仿真實驗平臺，為其他生物基礎理論的深入研究提供了必要的方法和手段，拓展了相關專業學生學習知識的深度和廣度，可以有效激勵學生投入理論知識學習和實踐訓練的積極性和想象力，有效解決教學過程中的沖突、壓力和倦怠等問題，為創新型人才的培養創造了條件，取得了良好效果。