生物學野外實習虛擬仿真實訓系統構建與應用

成 丹, 崔 瑾, 魯燕舞, 包浩然, 陸 巍, 張 煒, 沈振國

(1. 南京農業(yè)大學 農業(yè)生物學國家級虛擬仿真實驗教學中心, 江蘇 南京 210095；2. 南京農業(yè)大學 生命科學學院, 江蘇 南京 210095)

生物學野外實習虛擬仿真實訓系統構建與應用

成 丹1, 崔 瑾1, 魯燕舞1, 包浩然1, 陸 巍1, 張 煒2, 沈振國2

(1. 南京農業(yè)大學 農業(yè)生物學國家級虛擬仿真實驗教學中心, 江蘇 南京 210095；2. 南京農業(yè)大學 生命科學學院, 江蘇 南京 210095)

南京農業(yè)大學農業(yè)生物學虛擬仿真實驗教學中心從生物學野外實習教學的實際應用出發(fā),主導構建了天目山生物學野外實習虛擬仿真實訓系統。該文探討了系統的構建思路、實現模式及應用效果。該系統充分發(fā)揮了現代信息技術的作用,將虛擬仿真技術與實驗教學有機融合,化解了傳統野外實習的困難,有助于擴充教學信息容量、顯著提高野外實習效率,同時也推動了生物學野外實習教學模式的改革和創(chuàng)新。

生物學； 野外實習； 虛擬仿真

天目山生物學野外實習基地位于浙江省天目山,其地理位置獨特、自然環(huán)境優(yōu)越,具有生物多樣性,是華東地區(qū)高校生物學基礎科學研究與教學人才培養(yǎng)的重要基地。該基地不僅能幫助學生實地認識、驗證和鞏固課堂知識,而且有利于培養(yǎng)和鍛煉學生的動手能力和分析問題、解決問題的能力[1]。然而,生物學野外實習模式存在諸多的困境,例如野外實習經驗豐富的帶隊教師不足、難以實現“一對一”指導、野外實習教學保障體系構建不完善、實習成果共享性差、采集標本不利于環(huán)境保護等[2]。

南京農業(yè)大學農業(yè)生物學虛擬仿真實驗教學中心是2014年教育部首批建設的國家級虛擬仿真實驗教學中心。在教育部“科學規(guī)劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續(xù)發(fā)展”建設思想指導下,中心按照虛實結合、相互補充、能實不虛的建設原則,設計和制作了天目山野外實習虛擬仿真實訓系統,使實習不受時間和空間的限制,有助于提高實習效率和質量,填補國內生物學野外實習虛擬仿真實訓系統研發(fā)的空白[3]。

1 野外實習虛擬仿真實訓系統的構建思路

虛擬仿真實訓系統是一個實驗教學平臺。平臺的建設遵循“技術設計為教學設計服務”的原則[4-5],充分體現虛擬實驗資源獨特的優(yōu)勢,最大限度地利用現代信息技術彌補生物學野外實習的不足,具有網絡教學功能和網上實訓功能,實現資源共享并具有一定的智能特性。

天目山野外實習虛擬仿真實訓系統分為PC版和移動版。PC版利用電腦的優(yōu)化硬件配置,構建大型虛擬三維野外實習場景,讓學生獲得沉浸式虛擬實習環(huán)境,完成實習前后的主動學習；移動版利用智能終端GPS定位功能,在實習過程中快速導航并查找目標植物,與教師實時互動交流,及時查詢數據庫并獲得資料,提高實習效果。

1.1 生物學野外實習存在問題

野外實習作為生物學專業(yè)課程教學過程中的重要實踐性環(huán)節(jié),是學生復習、鞏固、驗證理論知識,聯系實際的重要環(huán)節(jié)[6]。實踐性教學環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的關鍵,而實習則是實踐性教學環(huán)節(jié)的重要組成部分[7]。通過實習可以加深理解解剖學、形態(tài)學以及分類學的原理和方法,并使抽象的原理具體化,達到知識的融會貫通,學習到書本以外的知識,使學生充分地認識生物多樣性,擴展視野,在培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識、提高其綜合素質方面具有重要作用。

目前生物學野外實習存在的問題主要表現為:(1)實驗內容單一,只定位在生物種類的辨認、標本的采集與制作的層次上；(2)缺少分類學基礎扎實、野外實習經驗豐富的帶隊教師；(3)實習過程中由于學生多,師生互動交流困難,難以實現“一對一”指導；(4)采集標本與環(huán)境保護相沖突。另外,學生缺少有關環(huán)境的綜合知識,有時成為走馬觀花式的實習,近似于郊游[8]。

1.2 生物學野外實習虛擬仿真實訓系統的功能

虛擬仿真實訓系統應包括4項基本功能。

(1) 滿足生物學野外實習教學的需要。建設虛擬仿真實訓系統的目的,是讓學生通過虛擬實習更快速、有效地學習實驗原理、掌握實驗方法、訓練實驗技能,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存在時間、地點等多方面條件的限制,虛擬仿真實訓系統要能夠建立交互性良好的生物學野外實習虛擬環(huán)境,并且能夠讓學生不受時間和地點的限制地認知實習內容,以達到拓展課堂實驗教學的效果。

(3) 突破實驗教學條件的限制。虛擬仿真實訓系統的建設不局限于目前條件的實驗教學的虛擬。某些生態(tài)學的野外實習因缺少必要的實驗設備和實驗手段而無法完成。對于此類實驗,可以通過建立虛擬仿真實驗來完成,從而提高實驗效率,節(jié)約實驗成本。

(4) 實驗資源整合和共享。虛擬仿真實訓系統面向社會,應該充分考慮多種技術的融合,以實現高校虛擬仿真實驗教學資源的整合。這種整合應涵蓋主流的網絡技術和設備,通過網絡技術環(huán)境的搭建,實現實驗資源的共享[10]。

2 虛擬仿真實訓系統的架構

天目山生物學野外實習虛擬仿真實訓系統主要采用B/S和B/C兩種主流架構,其中B/S架構是本系統的主要網絡架構。系統不依托于其他昂貴的外圍設備。該系統的所有的虛擬仿真實驗項目,均可以在客戶端的電腦或手機、平板電腦等移動設備上操作完成。系統所需的硬件設備,主要是高性能的網絡服務器和交換機、路由器等網絡設備。

以目前的技術看,基于校園網建立B/S結構的虛擬仿真實訓系統,并通過Internet/Intranet模式下數據庫的應用,相對易于把握,成本也是較低的。它是一次性到位的開發(fā),能實現不同的人員在不同的地點、以不同的接入方式訪問和操作共同的數據庫。它能有效地保護數據平臺和管理訪問權限,服務器數據庫也很安全。在信息安全方面,平臺的絕大多數功能只針對校園網用戶開放,且系統核心功能需要通過專門插件才能實現,因此安全性能較高[11]。

虛擬仿真實訓系統的開發(fā)主要是多媒體資源制作和軟件編程兩部分工作。利用Visual Studio、Flash、3ds Max、Unity 3d等工具構建了基于ASP .NET的交互式站點平臺。網站服務器端軟件采用Windows Server 2008、IIS(Internet Information Service)、DotnetFramework4.0及SQ L Server 2008數據庫；服務器端硬件采用Dell PowerEdge R720服務器?？蛻舳丝梢酝ㄟ^瀏覽器及App,高效、快捷地訪問虛擬仿真實訓系統。

天目山野外實習虛擬仿真實訓系統的PC版以沉浸式虛擬場景為主場景,結合實際實習場景及真實的動植物圖片,構建出虛實結合的仿真實訓平臺,其主要系統構架包括:(1)360°實景全景環(huán)視；(2)沉浸式虛擬三維實習場景；(3)虛擬三維動植物標本館；(4)天目山主要動植物查詢系統；(5)師生互動交流平臺。PC版系統設計構架圖如圖1所示。

移動版以實時互動為主要特點,結合天目山動植物數據庫及地理信息數據庫,構建出便捷的野外實習移動平臺,其主要功能構架包括:(1)實習報告生成系統；(2)植物地理信息實時定位及GPS導航查找；(3)天目山主要動植物查詢系統及天目山植物地理信息數據庫；(4)師生實時互動答疑。移動版系統設計構架圖如圖2所示。

圖1 PC版系統設計架構圖

圖2 移動版系統設計架構圖

3 虛擬實驗平臺的功能架構

生物學野外實習虛擬仿真實訓系統包括天目山三維地理信息系統、天目山動植物分類檢索系統、天目山虛擬生物標本庫、野外實習導航系統等4個功能模塊,將虛擬仿真實驗應用于生物學野外實習教學。

3.1 天目山三維地理信息系統

天目山三維地理信息系統包括天目山GIS三維地形圖、沉浸式三維虛擬野外實習場景和360°全景3個子系統。

天目山GIS三維地形圖如圖3所示,它是通過GIS系統自帶的遙感圖像分析工具、森林資源規(guī)劃設計調查成果編制工具、三維景觀建模工具等工具軟件,以真實衛(wèi)星遙感天目山景區(qū)地圖信息制作出的三維地圖,在圖上標有虛擬野外實習入山路徑。學生可以進行科學規(guī)劃,按平均海拔高度構建虛擬植物群落和進山路線，自由選擇實習場景,相關場景均有注明。

圖3 虛擬天目山三維地形圖

除了構建天目山三維地形圖外,針對每個實習場景還以真實林間小景為參考,制作方法是采用無人機現場拍攝并在3ds Max軟件中建模,在Unity3D軟件中構建單個虛擬三維山間場景(見圖4)。為了更好地表現場景,增強身臨其境之感受,對一些有特色的場景進行實景環(huán)拍,構建出360°漫游場景(見圖5)。

圖4 虛擬三維山間場景

圖5 360°漫游場景

3.2 天目山動植物分類檢索系統

天目山動植物分類檢索系統結合Web和數據庫技術,以動植物(科級)的形態(tài)特征建庫,使用二叉式檢索原理在客戶端進行動植物分類信息的查詢與未知種類的鑒定。系統利用計算機數據結構中二叉樹結構[12]的分支節(jié)點搜索技術進行動植物分科檢索。動植物特征表中包含天目山動植物分類檢索表中動植物性狀的文字描述,同時以“科名稱”為關鍵字段關聯圖片數據庫,為鑒定結果提供豐富的植物特征圖片。

學生可利用電腦或手機進行在線瀏覽和學習,通過天目山動植物分類檢索系統查詢天目山的動植物分類檢索信息,通過圖片數據庫了解動植物的具體特征。本系統收集了天目山28個科、500多種動植物資料,對于學生學習動植物分類學有很好的輔助作用。

3.3 天目山虛擬生物標本庫

對動植物的形態(tài)結構進行3D仿真,構建了天目山虛擬生物標本庫?；谔炷可揭巴鈱嵙暯虒W的重點,對學生野外實習涉及的重點動植物進行了三維重建,可以真實地再現動植物的三維外觀形態(tài)特征,使學生能夠通過瀏覽器全視角對動植物的形態(tài)進行觀察,便于生物學野外實習內容的學習。標本庫還將三維重建后的植物放到采集地與GPS信息對應的三維虛擬野外實習場景中,使物種與實際分布地理數據信息一致。植物外觀的三維重建示例見圖6。

圖6 植物信息及三維重建植物示例

3.4 野外實習導航系統

野外實習導航系統是基于手機GPS導航系統設計的。參加野外實習的學生根據教師給出的實習線路,結合手機的GPS功能,可以方便、快捷地進行野外植物的查找,也可判斷當前自己的位置與某野外植物之間的距離。所生成的雷達圖方便學生在野外查找植物,做到有的放矢,從而提高實習效率。

4 虛擬仿真實訓系統的特色及應用效果

生物學野外實習虛擬仿真實訓系統運行于計算機和網絡多媒體教學系統之上,突出了運用信息技術的教學特色。天目山野外實習虛擬仿真實訓系統在研發(fā)建設過程中不斷改進與創(chuàng)新,形成了自己的特色。

(1) 功能互補,虛實結合。具有沉浸式虛擬三維實習場景、實景360°觀察、天目山動植物數據庫查詢系統、GPS導航定位及植物查找、師生互動交流平臺。虛擬場景與真實場景互補,有助于激發(fā)學生的學習興趣,提高實習效果。

(2) 多平臺互動,實用性強。開發(fā)了天目山野外實習虛擬仿真實訓系統的PC版和移動版。PC版構建了大型虛擬三維野外實習場景,融合了最新的虛擬現實數據頭盔技術。學生可以通過佩戴虛擬現實數據頭盔獲得如身臨其境的沉浸式學習體驗。在實習出發(fā)前,學生可以在教師指導下用PC版虛擬仿真實訓系統,明確實習要求及內容、漫游天目山野外實習路線,盡快熟悉環(huán)境、了解物種分布情況。在實習過程中,師生運用手機移動端進行“一對一”的互動交流、快速定位目標植物以及記錄信息、訪問數據庫等。

(3) 激發(fā)學生對于科學研究的興趣,提高實踐能力。運用虛擬仿真技術,可以逼真地模擬天目山實習過程中的事物和環(huán)境,使學生有親臨其境的感覺,提高對于未知生物現象的探索興趣，發(fā)揮科學研究的主動性。此外,虛擬仿真系統具有較強的交互性,有利于使用者根據實習內容思考和參與,通過輸入關鍵檢索信息或圖像進行人機互動,開展探究式實習。這種實習模式能夠顯著提高學生對于傳統生物分類學探究的興趣、提高學生的實踐動手能力。

(4) 共享性好,輻射面廣。學生通過拍照、上傳文件,可與其他學生分享學習成果和心得,所生成的實習報告進入數據庫之后,既補充了數據庫內容,又可供其他學生參考,而且手機版和PC版平臺數據共享。

(5) 緩解自然保護和實習采集之間的矛盾。標本的采集和制作是野外實習的基本技能訓練。天目山作為華東高校學生野外實習的主要場所,在實習中免不了要采集和制作標本。而隨著野外實習的學生增多,標本采集對天目山自然保護區(qū)的生態(tài)保護和保持生物多樣性將造成一定的影響。天目山野外實習虛擬仿真系統的應用可使學生通過三維重建植物來觀察植物,減少標本的采集,更有利于保護生態(tài)和生物多樣性。

5 結語

野外實習是生物類專業(yè)本科生必修的實踐教學課程[13]。在野外實習的實踐教學中,把虛擬仿真實驗與真實實驗有機地整合起來,能延伸課堂實驗教學、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。但虛擬仿真實驗也有它的局限性,在建設中要針對實驗項目選擇合適的虛擬實驗軟件、科學地利用虛擬實驗軟件。另外,通過開展小組探究式學習、改進實驗評價體系、強化虛擬仿真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),顯著地提高了學生的實踐能力、創(chuàng)新能力和科學素養(yǎng)。

生物學野外實習虛擬仿真實訓系統設置有多個創(chuàng)新、實用的功能模塊。然而,生物學野外實習虛擬仿真系統的使用也要避免學生的過度依賴。虛擬仿真不能替代實際對野外生物的觀察和操作,兩者應優(yōu)勢互補、揚長避短,方能提高實習效果。

目前,南京農業(yè)大學農業(yè)生物學虛擬仿真實驗教學中心已與華東地區(qū)多所高校簽訂了天目山生物學野外實習虛擬仿真實訓系統共享使用協議,這也是該系統建設的重要成果之一。

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Construction and application of virtual simulation training system in biological field practice

Cheng Dan1, Cui Jin1, Lu Yanwu1, Bao Haoran1, Lu Wei1, Zhang Wei2, Shen Zhenguo2

(1. National Experimental Teaching Center for Virtual Simulation of Agrobiology, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 2. School of Life Science, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

Based on the actual application in the biological field practice, Nanjing Agricultural University Virtual Simulation Experimental Teaching Center led to construct the virtual simulation training system in Tianmu Mountain biological field practice. This paper discusses the idea of constructing virtual experiment platform, implementation mode and application effect. This system makes full use of modern information technology, organic integrate simulation technology with experimental teaching, and gets the breakthrough of the weak points of traditional filed practice. Through the application of the platform, it can not only expand the capacity of teaching information, improve teaching efficiency, but also promote the reform and innovation of biological field practice teaching mode.

biology; field practice; virtual simulation

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.032

2016-06-16

南京農業(yè)大學校級教改重點項目(2015Z001)

成丹(1982—),男,江蘇南通,博士,實驗師,主要研究方向為計算機應用、虛擬仿真

E-mail：softcheng@njau.edu.cn

崔瑾(1974—),女,江蘇鎮(zhèn)江,博士,教授,主要研究方向植物學、教育管理.

E-mail：cuijin@njau.edu.cn

TP391.9；Q94-33

: B

: 1002-4956(2016)12-0128-04