植物學虛擬實驗平臺的構(gòu)建及應用

成 丹， 崔 瑾， 王慶亞， 劉琳莉， 錢 猛， 沈振國

(南京農(nóng)業(yè)大學 a.農(nóng)業(yè)生物學國家級虛擬仿真實驗教學中心; b.生命科學學院，江蘇 南京 210095)

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·專題研究——虛擬仿真實驗(30)·

植物學虛擬實驗平臺的構(gòu)建及應用

成 丹a， 崔 瑾a， 王慶亞b， 劉琳莉a， 錢 猛a， 沈振國b

(南京農(nóng)業(yè)大學 a.農(nóng)業(yè)生物學國家級虛擬仿真實驗教學中心; b.生命科學學院，江蘇 南京 210095)

植物學虛擬實驗平臺結(jié)合了虛擬顯微鏡系統(tǒng)、植物識別系統(tǒng)、植物學數(shù)字課程和虛擬仿真實驗4個功能模塊，系統(tǒng)地整合了植物組織解剖、植物類群分類兩部分實驗教學資源。平臺首次將虛擬仿真教學資源應用于植物組織結(jié)構(gòu)觀察和植物分類識別鑒定的實驗教學，各教學資源既相互獨立、自成一體，又能貫穿植物學實驗技術(shù)的整個過程，可根據(jù)實驗要求進行靈活組合，以滿足學生個性化學習方式的需求。通過該平臺的應用，不僅擴充了教學信息容量,提升了教學效率,同時也有利于教學資源的管理和利用,推動了植物學實驗教學模式的改革和創(chuàng)新。從植物學實驗教學中的實際應用出發(fā),具體探討了虛擬實驗平臺的構(gòu)建思路，實現(xiàn)模式及應用效果。

虛擬實驗平臺； 植物學； 虛擬仿真； 實驗教學

0 引 言

植物學是生物學與農(nóng)學各專業(yè)的專業(yè)基礎課，是學好其它專業(yè)課的基礎，植物學實驗教學在生命科學中占有很重要的基礎地位[1-2]。長期以來，植物學實驗教學存在的問題主要表現(xiàn)為，實驗內(nèi)容單一，驗證性實驗多，基本技能得不到提高，由于受到采樣制作的影響，很難獲得完整的發(fā)育過程，又由于受季節(jié)的影響，在分類實驗中觀察不到典型的花。根據(jù)實驗教學過程中存在的問題，有針對性，選擇性的進行虛擬實驗開發(fā)與研制，能切實有效地提高植物學實驗教學效率和教學效果。

近年來，在植物學實驗教學改革方面，不少學者結(jié)合各自學校的教學特點及現(xiàn)狀，主要從植物學實驗室建設、改進教學方法、改革考核方法等方面進行了探討，但這些改革還不能從根本上解決上述問題[3-6]。通過建立虛擬實驗平臺開展虛擬實驗, 運用計算機模擬植物發(fā)育的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化,重要典型的植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)，使學生達到“身臨其境”的效果,提高植物學的實驗教學效果。

1 虛擬實驗平臺的構(gòu)建思路

虛擬實驗平臺的本質(zhì)屬性是實驗教學平臺，平臺建設應遵循“技術(shù)設計為教學設計服務”的原則[7-8]。在具體實踐中，應在充分體現(xiàn)虛擬實驗資源獨特優(yōu)勢的前提下，最大限度利用校園網(wǎng)絡、服務器、傳統(tǒng)儀器設備等現(xiàn)有基礎設施，前瞻性地將分布在不同位置的各類型虛擬實驗資源通過網(wǎng)絡得以共享。平臺的功能應能彌補目前實驗教學中所存在的缺陷，具有網(wǎng)絡教學功能和網(wǎng)上實驗操作功能，具備一定的智能特性。

1.1 目前植物學實驗教學存在的問題

目前植物學實驗教學存在的問題主要表現(xiàn)為，實驗內(nèi)容單一，驗證性實驗多，基本技能得不到提高。傳統(tǒng)的植物學實驗幾乎全為驗證性實驗，通常都是以教師介紹實驗內(nèi)容和方法，然后學生進行實驗以驗證學過的理論知識，嚴重制約了學生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

在實驗材料方面，由于受到季節(jié)的影響，現(xiàn)在的植物根、莖、葉的初生或次生發(fā)育結(jié)構(gòu)切片時期較少，特別是反映發(fā)育的典型珍貴制片更少,這些切片在制作時因植物生長時期難以把握，制作比較困難。例如在花芽分化的實驗中，學生觀察的是油菜花芽分化的制片,因為是總狀花序，花多且處在不同發(fā)育時期，但由于花在花序上排列很不規(guī)則，學生基本上只能觀察到花芽分化5個時期中的2～3個時期，而且典型的剖面極少，在雄蕊和花粉粒發(fā)育結(jié)構(gòu)觀察中也存在類似問題。因?qū)嶒炚n時及實驗條件的限制，目前學生在課堂上只能觀察2張切片，通常觀察不到完整的發(fā)育過程，有時就是2張切片也不典型；再如胚囊和胚的發(fā)育結(jié)構(gòu)觀察實驗，胚囊的發(fā)育有6個時期，而胚的發(fā)育有7個時期，比較復雜，許多的發(fā)育時期因為取材等原因很難在切片中看到，有時即使看到也因為切面位置不正而不典型，不利于這部分重要實驗內(nèi)容的掌握。同樣，受氣候，植物花期等客觀因素的影響，此類問題，在植物分類方面的實驗教學中，更為突出。

1.2 虛擬實驗平臺的功能設計

虛擬實驗平臺應包括如下幾部分功能：

(1) 滿足實驗教學的需要。虛擬實驗平臺建設的最終目標不是為了虛擬而虛擬，而是讓學生通過虛擬實驗對象更快速有效地學習實驗原理、掌握試驗方法，訓練實驗技能，從而提高實驗教學效率和學生的創(chuàng)新實踐能力[9]。

(2) 課堂實驗教學的拓展。課堂的實驗教學畢竟有著時間、地點等多方面的客觀條件的限制，虛擬實驗平臺的建設目的，是能夠建立交互性能良好的虛擬實驗環(huán)境，并且能夠讓學生不受時間和地點的限制對平臺內(nèi)各虛擬實驗室中的設備及對象進行操作，以達到課堂實驗教學的效果。

(3) 實驗教學限制條件的突破。虛擬實驗平臺的建設重點，不僅僅局限于目前實驗條件下的實驗教學的虛擬。例如某些很經(jīng)典的實驗實例，因缺少實驗環(huán)境和實驗手段，在實際的實驗教學課堂上根本無法完成；對于此類經(jīng)典實驗，可以通過建立虛擬實驗來完成，從而提高了實驗效率，節(jié)約了實驗成本。

(4) 實驗資源整合和共享。虛擬實驗平臺面向全校，充分考慮多種技術(shù)的融合，以實現(xiàn)全校虛擬實驗資源的整合，并涵蓋主流的網(wǎng)絡技術(shù)和設備，通過網(wǎng)絡技術(shù)環(huán)境的搭建，實現(xiàn)實驗資源的整合與共享[10]。

2 虛擬實驗平臺的設計

針對目前現(xiàn)有的實驗環(huán)境和實驗手段,建設了植物學虛擬實驗平臺。該平臺主要通過B/S 架構(gòu)進行構(gòu)建，不依托于其它昂貴的外圍設備。該虛擬實驗平臺的所有的虛擬實驗項目，均可以在客戶端的電腦上操作完成。本平臺所需的硬件設備，主要是一臺高性能的網(wǎng)絡服務器及交換機、路由器等網(wǎng)絡設備。

2.1 虛擬實驗平臺的系統(tǒng)架構(gòu)

本虛擬實驗系統(tǒng)，根據(jù)虛擬實驗開發(fā)的技術(shù)平臺的不同，采用了兩種主流的網(wǎng)絡架構(gòu)，B/S 架構(gòu)和B/C架構(gòu)，B/S 架構(gòu)是本系統(tǒng)的主要網(wǎng)絡架構(gòu)。

以目前的技術(shù)看，基于校園網(wǎng)建立 B/S 結(jié)構(gòu)的虛擬實驗室，并通過Internet/Intranet 模式下數(shù)據(jù)庫應用，相對易于把握，成本也是較低的。它是一次性到位的開發(fā)，能實現(xiàn)不同的人員從不同的地點，以不同的接入方式訪問和操作共同的數(shù)據(jù)庫；它能有效地保護數(shù)據(jù)平臺和管理訪問權(quán)限，服務器數(shù)據(jù)庫也很安全。在信息安全方面，本平臺的絕大數(shù)功能只針對校園網(wǎng)用戶開放，且本平臺的大部分瀏覽器端的功能，都通過插件才能得以實現(xiàn)，安全性能相對較高[11]。

虛擬實驗平臺的制作主要由多媒體資源制作與軟件編程兩部分組成。利用Visual Studio、Flash CS3、3D Max、Unity3d等工具構(gòu)建了基于ASP. NET的交互式站點平臺。網(wǎng)站服務器端軟件采用Windows Server 2008、IIS(Internet Information Service)、DotnetFramework4.0及SQ L Server 2008數(shù)據(jù)庫;服務器端硬件采用Dell PowerEdge R720服務器。客戶端可以通過瀏覽器高效、快捷地訪問虛擬實驗平臺。

2.2 虛擬實驗平臺的功能架構(gòu)

為了彌補上述傳統(tǒng)教學模式的不足，構(gòu)建了植物學虛擬仿真實驗平臺(圖1)。平臺首次將虛擬仿真實驗應用于植物組織結(jié)構(gòu)觀察和植物識別鑒定教學。根據(jù)教學的需要，自主獨立開發(fā)了校園植物電子地圖、農(nóng)田雜草識別系統(tǒng)和交互式虛擬仿真實驗，以及主要植物的三維可視化模型，并完成了植物組織結(jié)構(gòu)觀察的虛擬顯微鏡觀察系統(tǒng)建設。使學生在虛擬環(huán)境中感受植物學實驗的真實體驗，學習植物學的基本技能。通過虛擬實驗平臺系統(tǒng)的建立,將其應用于植物學、生命科學導論等植物學相關課程的實驗教學。學生在沒有顯微鏡、解剖鏡和觀察材料時也能自由觀察和實驗,不受時間和空間的限制,滿足學生個性化學習方式的需求,使得學習更加便捷有效，推動了實驗教學模式的改革與創(chuàng)新。

圖1 植物學虛擬仿真實驗教學平臺構(gòu)架

植物學虛擬仿真實驗平臺主要分4個功能模塊：虛擬顯微鏡系統(tǒng)功能模塊、植物識別系統(tǒng)功能模塊、植物學數(shù)字課程功能模塊、虛擬仿真實驗功能模塊。

2.2.1 虛擬顯微鏡系統(tǒng)功能模塊

我們使用Motic數(shù)字切片掃描系統(tǒng)，通過全自動顯微鏡掃描平臺、專業(yè)的攝像頭、智能控制與掃描軟件系統(tǒng)，把玻璃切片進行無縫拼接成整張數(shù)字化切片，在虛擬實驗平臺中，針對形態(tài)解剖學上的實驗教學，建立虛擬顯微鏡系統(tǒng)，真正實現(xiàn)了純數(shù)字化、網(wǎng)絡化的顯微實驗教學[12]。

數(shù)字切片的使用不依賴于顯微鏡,而是利用相應的圖像瀏覽軟件進行觀察,用鼠標操作可以選擇切片任意位置,可進行任意倍率的放大或縮小,模擬顯微鏡觀察模式,不產(chǎn)生圖像信息失真。虛擬顯微鏡系統(tǒng)在計算機上，如同在顯微鏡下，可進行不同倍率觀察，并在一定范圍內(nèi)((1～100)×)，實現(xiàn)倍率變化連續(xù)瀏覽切片，而且，通過計算機與網(wǎng)絡系統(tǒng)，進行數(shù)字切片存儲、管理、觀察、分析、討論等，相對傳統(tǒng)方式，可不受空間與時間限制，使用起來更方便、功能更強大、應用更廣泛[13]。圖2所示為棉花葉切片。

圖2 虛擬顯微鏡下數(shù)字切片(棉花葉橫切)

2.2.2 植物識別系統(tǒng)功能模塊

植物識別系統(tǒng)功能模塊主要包括3個子系統(tǒng)：校園植物電子地圖、虛擬3D系統(tǒng)、雜草鑒定系統(tǒng)。

植物電子地圖是在傳統(tǒng)的電子地圖的基礎上，結(jié)合植物圖片庫的功能。學生可以通過對校園電子地圖的瀏覽，知道本區(qū)域的植物種類，并進而通過植物圖片數(shù)字庫，了解植物的具體特征。學生可利用網(wǎng)絡進行在線瀏覽和學習，了解校園的常見植物。本植物電子地圖，收集了學校常見植物200多種，對于植物分類學的學習，是很好的輔助手段。進入校園植物電子地圖，點擊選擇的區(qū)域，顯示常見植物的名稱和植株彩色圖片，目的是構(gòu)建該植物的原生境整體形象。展示根、莖、葉、花或果實等各部分的形態(tài)特征和局部特征，如葉片表面的毛、花的附屬物等，也是區(qū)分相似類群的重要依據(jù)。文字描述的內(nèi)容包括植物的中文名及拉丁學名、所屬的科和屬、花果期、分布、生境、功能等，達到認識植物的目的。

虛擬3D系統(tǒng)是通過網(wǎng)絡X3D技術(shù)對植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)進行3D仿真，可以真實地再現(xiàn)植物的三維外觀形態(tài)特征(圖3)。通過3D瀏覽器可以全視角的對植物模型進行觀察，使學生能夠立體的觀察植物的形態(tài)，便于植物分類內(nèi)容的學習。進入該模塊虛擬3D系統(tǒng)，可以全視角觀察向日葵、波斯菊、蜀葵、紫玉蘭、山茶、油菜、百合、卡特蘭、桔梗等的3D模型，達到全面掌握雙子葉植物原始科——木蘭科，具有重要經(jīng)濟觀賞和藥用價值的錦葵科、山茶科、蘭科、桔?？埔约爸参锝缱钸M化科——菊科的特征，為學好植物分類打下堅實的基礎。

圖3 虛擬3D模型植物瀏覽-蜀葵

雜草鑒定系統(tǒng)是對于要求查詢的農(nóng)田雜草等農(nóng)業(yè)植物2 000多種，全方位立體呈現(xiàn)植株形態(tài)、花部解剖、局部特征等內(nèi)容，將文字描述直觀化、形象化，完成理論知識向?qū)嵺`的過渡。進入該模塊的雜草鑒定系統(tǒng)，可以按照植物中文名稱及拉丁學名、科屬分類系統(tǒng)或植物營養(yǎng)器官或繁殖器官的特征進行檢索。這些特征對于科、屬、種等不同分類階元的鑒別起著關鍵作用。通過檢索認識農(nóng)田雜草的形態(tài)圖片和文字描述。

2.2.3 植物學數(shù)字課程模塊

本平臺融合了國內(nèi)首門正式應用的數(shù)字課程——“植物學”網(wǎng)絡課程，并作為一個功能模塊在植物學虛擬實驗平臺上運行。為了提高教學效果，拓展教育傳播方式，在植物學數(shù)字課程中引入虛擬仿真實驗教學理念，采用動畫的形式制作了植物形成層的變化、植物細胞的有絲分裂、植物的雙受精等虛擬仿真實驗教學多媒體課件，并成功應用于實驗教學。植物學數(shù)字課程模塊具有強大的自主學習功能，功能板塊包括：課程導讀、課程精講、作業(yè)相關、自主測試、在線答疑、擴展閱讀、虛擬仿真實驗等。

進入植物學數(shù)字課程模塊，學生通過點擊該網(wǎng)頁，在計算機上學習“植物學”，自己掌握學習速度，反復觀看，利于發(fā)現(xiàn)問題、反饋信息，不受時間和空間的限制，比課堂教學具有更大的自由度和靈活性，學生的個性得到充分發(fā)揮。該系統(tǒng)有強大的自主更新功能，用于更新課程內(nèi)容素材。數(shù)字課程通過文字說明(30余萬字)、教師講解、原色圖片資料(6 200余幅)、視頻(95個)、虛擬仿真動畫(35個)等多樣表現(xiàn)形式相結(jié)合進行內(nèi)容展示。附件豐富，包括800余種重要植物、700多道的試題庫和150多道思考題、500多條名詞庫、342個植物網(wǎng)址網(wǎng)頁和80多篇參考資料庫、植物學實驗演示系統(tǒng)等[14]。

2.2.4 虛擬仿真實驗功能模塊

交互式虛擬仿真實驗是基于Flash平臺制作的，主要應用于實驗步驟的可視化演示，并對關鍵步驟進行交互式操作。學生通過此系統(tǒng)，可以了解實驗原理和操作流程，是實驗預習和技能訓練的極好手段，同時也能夠掌握植物發(fā)育的全過程。進入交互式虛擬仿真實驗系統(tǒng)，學生通過點擊操作流程，完成臨時玻片的制作、數(shù)碼互動實驗室的使用、植物莖的次生生長、植物胚囊的發(fā)育過程、植物胚的發(fā)育過程等，以及完成一些在實體實驗中無法完成的實驗項目。

3 虛擬實驗平臺的特色及應用效果

基于計算機和網(wǎng)絡的虛擬實驗平臺，將植物學的形態(tài)解剖和分類學的實驗教學資源，通過軟件運行于純硬件組成的網(wǎng)絡多媒體教學系統(tǒng)之上，保證了網(wǎng)絡教學方式的特色，既貫穿于虛擬實驗教學的全過程，又落實到了每步具體操作中。目前，將虛擬實驗平臺與顯微數(shù)碼互動實驗室相結(jié)合,進一步提高了植物實驗教學效果,促進了植物學實驗教學和考試模式的改革，學生平時在個人電腦或教學網(wǎng)站上,在沒有顯微鏡、解剖鏡和觀察材料時也能自由觀察和實驗,不受實驗時間和空間的限制,滿足學生個性化學習方式的需求,使得學習更加便利有效。同時，對抽象的難以掌握的重要操作過程，如顯微互動數(shù)碼系統(tǒng)、手工切片制作方法以及移液管的使用等，通過仿真實驗加以強化。仿真實驗可以提供形象直觀、內(nèi)容豐富的學習環(huán)境,圖文并茂、動靜結(jié)合、節(jié)奏有序的實驗內(nèi)容,并以聲音、圖像等豐富的表現(xiàn)力幫助學生進行多感官的學習,這樣無疑會增加學生的興趣,調(diào)動他們學習的積極性,促進學生對上述儀器的熟悉和實驗過程的理解。經(jīng)過仿真實驗的練習,操作起來既輕松又胸有成竹,從而提高教學效率。同時,降低了損壞率。

(1) 提高了顯微觀察植物學結(jié)構(gòu)的能力。植物學的學習中有大量的形態(tài)結(jié)構(gòu)觀察，需要使用顯微鏡，因此只能在實驗室中進行，不利于學生對實驗內(nèi)容的課前預習和課后復習，不能充分調(diào)動學生的積極性，部分考核項目主觀性強，不利于對學生實驗操作能力的客觀評價，教學效果和質(zhì)量有限。植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)隨著季節(jié)生長而發(fā)生變化，如莖的次生生長、果實和種子的形成過程，實體實驗僅為靜態(tài)圖片觀察，一張切片中很難觀察變化的立體形態(tài)。學生從中學到大學，沒有實踐基礎，頭腦中沒有立體概念，很難掌握。通過虛擬顯微鏡觀察數(shù)字切片，改變了傳統(tǒng)教學模式，不受空間與時間限制，為老師教學管理、學生學習、考試等，提供了條件，大大提高了學習效果。

(2) 提高了對農(nóng)業(yè)植物學資源的實踐能力。在植物物種資源的分類與鑒定實驗教學中，由于植物種類多、分布廣泛，并隨一年四季變化，即使是可以實地采集的植物，也不容易同時采集到具有根莖葉花果種子的完整的植株，導致觀察材料來源不足，影響整體識別植物能力的提高，使分類的學習十分困難，這已成為農(nóng)業(yè)植物學教學和野外實習中共同關注的問題。虛擬仿真實驗平臺的建立，彌補了傳統(tǒng)教學模式的不足。該實驗平臺借助三維技術(shù)，讓學生跨越時空，身臨其境地漫游于虛擬自然環(huán)境中，全方位觀察植物的立體形態(tài)、鑒別特征及其生長環(huán)境，有效提高鑒別技能。對于珍稀植物，由于標本不易獲得，以往教學過程中只能帶學生去標本館參觀，借以觀察外形，基本不能滿足學生親自動手，觀察內(nèi)部構(gòu)造的需要。通過虛擬仿真實驗，學生可以輕松實現(xiàn)對其深入觀察和學習。

4 結(jié) 語

植物學虛擬實驗平臺的建立，不僅能滿足植物學實驗教學的需要，還能兼顧到相關專業(yè)的使用，有著較好的通用性和較大的覆蓋面。如虛擬顯微鏡系統(tǒng)，不僅應用于植物學形態(tài)解剖學，還可以應用于微生物學，動物學等專業(yè)的切片觀察。植物電子地圖，不僅應用與植物分類學的授課，還給園林專業(yè)提供了很好教學輔助。植物3D仿真模型還被引入了課堂的理論教學之中，使理論教學的教學效果突出。

在植物學實驗教學中，把虛擬與真實實驗有機地整合起來，延伸課堂實驗教學，拓展實驗空間，延長實驗時間，為進行研究性實驗提供更靈活、更便利的條件。但虛擬實驗軟件也有局限性，在學習中要針對實驗項目選擇合適的虛擬實驗軟件，了解虛擬實驗軟件的優(yōu)勢和不足，以便科學地利用虛擬實驗軟件得到真實、可靠的實驗數(shù)據(jù)。通過開展小組探究式學習，改進實驗評價體系，強化了虛擬實驗與真實實驗的整合，有效地促進了研究性實驗的開發(fā)和開展，顯著地提高了學生的實踐能力、創(chuàng)新能力和科學素養(yǎng)[15-16]。

在虛擬實驗平臺建成后的半年時間里，點擊率已經(jīng)突破8萬人次，輻射面也涉及了全校的與植物學有關的專業(yè)。以本項目成果作為主要內(nèi)容的生物學虛擬實驗系統(tǒng)，獲得了2013年江蘇省高等學校優(yōu)秀多媒體教學課件(一類)，農(nóng)業(yè)生物學實驗教學中心也在2014年入選了首批國家級虛擬仿真教學實驗示范中心。

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·名人名言·

在科學上沒有平坦的大道，只有不畏勞苦沿著其崎嶇之路攀登的人，才有希望達到它光輝的頂點。

——馬克思

Construction and Application of Botany Virtual Experiment Platform

CHENGDana,CUIJina,WANGQing-yab,LIULin-lia,QIANMenga,SHENZhen-guob

(a.National Experimental Teaching Center for Virtual Simulation of Agrobiology;b.School of Life Science, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

Virtual experiment platform for botany combines four functional blocks which are virtual microscope system, plant identification systems, botanical digital courses and interactive virtual experiment, and integrates two groups of experimental teaching resources about plant Taxa and plant anatomy systematically. Through the virtual platform, the virtual simulation teaching resources are first applied to the experiment teaching for the observation of plant structure and identification of plant classification. Each teaching resource is independent and can run through the whole process of botany experiment technology. According to the requirements virtual experiments can be flexible combined to meet the students' personalized learning needs. Through the application of the platform, not only the capacity of teaching information is expanded, teaching efficiency is improved, but also the management and use of teaching resources is improved. It promotes the reform and innovation of botany experiment teaching mode. This article from the actual application of the botany experimental teaching, discusses the idea of constructing virtual experiment platform, implementation model and application effect.

virtual experiment platform; botany; virtual simulation; experimental teaching

2015-10-26

國家基礎科學人才培養(yǎng)基金(J1310015)

成 丹(1982-)，男，江蘇南通人，博士，實驗師，研究方向：計算機應用，虛擬仿真。

Tel.:15005181540; E-mail:softcheng@njau.edu.cn

崔 瑾(1974-)，女，江蘇鎮(zhèn)江人，博士，教授，研究方向:植物學。Tel.:025-84396484;E-mail:cuijin@njau.edu.cn

Q 94-33

A

1006-7167(2016)02-0062-05