植物組培再生虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

農(nóng)春仕，孟國忠，尹佟明，汪貴斌，張遠(yuǎn)蘭

（1.南京林業(yè)大學(xué) 實(shí)驗(yàn)室與基地建設(shè)管理處，江蘇 南京 210037；2.南京林業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代分析測試中心，江蘇 南京 210037；3.南京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，江蘇 南京 210037；4.南京林業(yè)大學(xué) 生物與環(huán)境學(xué)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(xué)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的“金課”建設(shè)，開辟“智能+教育”新途徑是新時代本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要任務(wù)。虛擬仿真技術(shù)是用虛擬系統(tǒng)模仿真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)，也是仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物[1]。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)具有逼真、交互、虛擬等特點(diǎn)，能夠真實(shí)模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的各種場景，使學(xué)校實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)的手段發(fā)生顯著的變化[2-5]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，更加適合新時代大學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣，在教育教學(xué)中發(fā)揮著越來越重要的作用。植物組織培養(yǎng)是高等院校農(nóng)學(xué)、林學(xué)、植物學(xué)、生物科學(xué)、園林植物以及生物技術(shù)等本科專業(yè)必修的實(shí)驗(yàn)科目之一，也是對楊樹進(jìn)行基因工程操作的基礎(chǔ)性平臺。結(jié)合當(dāng)前虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展，我校依托林木遺傳育種實(shí)驗(yàn)室建立的“南林895 楊”高效組培再生體系，按照“能實(shí)不虛、虛實(shí)互補(bǔ)”的原則，構(gòu)建了楊樹良種組培再生虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，為“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下建立與教學(xué)內(nèi)容相符的人性化實(shí)驗(yàn)教學(xué)運(yùn)行模式提供了支撐與保障[6-8]。

1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)背景

植物組織培養(yǎng)是一種對植物的器官、組織、細(xì)胞或原生質(zhì)體等進(jìn)行體外培養(yǎng)的技術(shù)?！澳狭?95 楊”是我校林木遺傳育種學(xué)科選育的優(yōu)良美洲黑楊品種，其良種組培快繁技術(shù)具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢，對于植物組織培養(yǎng)相關(guān)課程的實(shí)踐教學(xué)具有積極示范作用。由于受課時和實(shí)驗(yàn)條件的限制，學(xué)生在傳統(tǒng)的植物組織培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中主要進(jìn)行培養(yǎng)基配制、外植體選擇和接種等接觸性的實(shí)驗(yàn)操作，缺乏對植物組織培養(yǎng)完整動態(tài)過程的感官認(rèn)知。同時，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生主要按照指導(dǎo)教師的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，被動地進(jìn)行培養(yǎng)基配制、外植體加工、接種等固定環(huán)節(jié)的操作，缺乏實(shí)驗(yàn)的自主性，此外，由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果無法追蹤、重復(fù)性差，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果不理想。

利用現(xiàn)代虛擬仿真技術(shù)，可以再現(xiàn)植物組織培養(yǎng)所必需的實(shí)驗(yàn)環(huán)境（包括準(zhǔn)備間、高壓滅菌室、無菌接種間和光照培養(yǎng)間等）、儀器設(shè)備（包括電子天平、PH 計(jì)、微波爐、高壓滅菌鍋和超凈工作臺等）以及組培的完整動態(tài)過程。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以自己設(shè)計(jì)培養(yǎng)基的配方，實(shí)時追蹤該誘導(dǎo)條件下的不定芽、莖伸長生長和不定根發(fā)育的動態(tài)變化及其與最佳激素組合誘導(dǎo)結(jié)果的差異性，從中不僅可以深刻認(rèn)識到激素配比對組培再生效率的重要影響，而且根據(jù)反饋結(jié)果，可以通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)和操作，篩選出適合不同組培誘導(dǎo)階段的最佳激素組合，作為真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的培養(yǎng)條件，達(dá)到虛擬與真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)融合。

2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目特點(diǎn)

2.1 突破植物生長時間限制

傳統(tǒng)植物組織培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)周期長、操作繁瑣、技術(shù)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(shí)驗(yàn)課時少，學(xué)生無法在規(guī)定的學(xué)時內(nèi)認(rèn)知組織培養(yǎng)的動態(tài)過程和關(guān)鍵的影響環(huán)節(jié)。然而，通過虛擬仿真，學(xué)生可以在4 個學(xué)時內(nèi)完成整個實(shí)驗(yàn)操作流程，節(jié)約了時間和成本，提高了感官認(rèn)識。此外，學(xué)生可通過開放端口，隨時登錄系統(tǒng)，進(jìn)行在線實(shí)驗(yàn)操作和自主學(xué)習(xí)，不受預(yù)定實(shí)驗(yàn)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(huán)境條件下才能正常生長，因此植株組織培養(yǎng)從培育基配制、外植體選擇、不定芽誘導(dǎo)、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(jìn)行，整個實(shí)驗(yàn)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(yǎng)的空間限制。此外，植物虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以基于PC 端和移動端而設(shè)計(jì)，學(xué)生不受實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的限制進(jìn)行實(shí)踐操作，突破了空間的限制。從理論上來講，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以無限次重復(fù)進(jìn)行，有效節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本。

2.3 自主化的實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

楊樹良種組培再生虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基于“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念開發(fā)設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了良好的交互性。在線實(shí)驗(yàn)操作過程中，學(xué)生可以根據(jù)系統(tǒng)的提示和自己對植物組織培養(yǎng)基本知識點(diǎn)的理解和把握情況，自主設(shè)計(jì)誘導(dǎo)培養(yǎng)基中的生長素和細(xì)胞分裂素使用濃度、選擇外植體和接種方向等關(guān)鍵參數(shù)。通過自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比，在線分析其中的原因和改進(jìn)措施，可以有效解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生因無法參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，只能被動地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的問題，提高學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的主觀能動性和積極性。此外，學(xué)生也可以通過系統(tǒng)中的交互窗口，及時對實(shí)驗(yàn)中存在的問題與指導(dǎo)教師進(jìn)行交流互動。

3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目平臺框架

學(xué)生通過網(wǎng)頁瀏覽器登錄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，自主選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，系統(tǒng)通過模塊調(diào)用、數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)工況及相關(guān)條件參數(shù)的選擇，并進(jìn)行過程演示，最終得到運(yùn)行結(jié)果，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成。

3.1 平臺網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要求

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過3D 仿真、動畫技術(shù)、WebGL技術(shù)，應(yīng)用Flash、3d Max、Adobe After Effects、Adobe Photoshop 等開發(fā)工具，再現(xiàn)植物組培的全過程。在項(xiàng)目品質(zhì)方面，單場景模型總面數(shù)可達(dá)6 萬左右，貼圖分辨率為1920×1080，每幀渲染次數(shù)為24 次，動作反饋時間為0.1 s，實(shí)時顯示刷新率，分辨率為1920×1080。

3.2 系統(tǒng)模塊與功能

我校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目平臺的功能模塊框架如圖1 所示。根據(jù)功能需要和角色不同，將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目平臺的基本架構(gòu)設(shè)計(jì)為三個權(quán)限不等的功能區(qū)，即學(xué)生功能區(qū)、教師功能區(qū)和管理功能區(qū)。在每個功能區(qū)下設(shè)計(jì)若干執(zhí)行某一特定任務(wù)的工作模塊，并在工作模塊中加載相關(guān)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源數(shù)據(jù)。在學(xué)生功能區(qū)，學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)和測試、實(shí)驗(yàn)中操作練習(xí)、實(shí)驗(yàn)后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告和課后測試等不同環(huán)節(jié)，幫助全面掌握植物組織培養(yǎng)相關(guān)知識。在教師功能區(qū)，任課教師可以通過關(guān)注學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)驗(yàn)全程記錄，全面客觀地評價(jià)學(xué)生對植物組織培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的掌握情況，并對學(xué)生進(jìn)行綜合成績評定，可以有效地克服傳統(tǒng)教學(xué)中僅憑學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行成績評定的不足。在管理員功能區(qū)，管理人員可以對平臺用戶的權(quán)限、數(shù)據(jù)、安全等提供基本管理服務(wù)，保證平臺的安全、有序運(yùn)行。

圖1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目平臺的功能模塊框架

4 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)踐

4.1 實(shí)驗(yàn)原理

1902 年，德國著名植物學(xué)家哈勃蘭特提出植物細(xì)胞全能性的概念。他認(rèn)為由于植物的每個體細(xì)胞都含有該物種全部的遺傳信息，因此均具備發(fā)育成完整植株的潛在能力[12]。目前，該理論已經(jīng)被越來越多的植物組織培養(yǎng)的成功案例所證實(shí)，使之成為指導(dǎo)植物組織培養(yǎng)的基本理論基礎(chǔ)。楊樹良種組培再生虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要涉及基本培養(yǎng)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(yǎng)條件等5 個知識點(diǎn)。其中，基本培養(yǎng)基為離體器官或組織的生長和發(fā)育提供基本的營養(yǎng)，主要由無機(jī)營養(yǎng)物、碳源、維生素、有機(jī)附加物等組成[13]；離體植物材料的細(xì)胞分裂和分化活動主要依賴于培養(yǎng)基中的生長調(diào)節(jié)物質(zhì)及其濃度配比。外植體是指用于離體培養(yǎng)的植物組織、器官或細(xì)胞，其狀態(tài)的好壞直接決定著細(xì)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(jié)、外植體的生理狀態(tài)和發(fā)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(jié)構(gòu)上也存在很大的差異。例如，葉片近軸面和遠(yuǎn)軸面在組織結(jié)構(gòu)上的差異決定了兩者對培養(yǎng)基中營養(yǎng)和生理調(diào)節(jié)物質(zhì)的吸收能力是不同的；環(huán)境條件也會影響到離體植物組織或器官的生長發(fā)育過程，主要包括溫度、溫度和光照等因素。

4.2 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體。因此，學(xué)生能否利用好虛擬資源是完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。對本項(xiàng)目而言，學(xué)生可以通過智能手機(jī)或PC 登錄實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目平臺，熟悉實(shí)驗(yàn)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(yǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

圖2 植物組織培養(yǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)流程

（1）實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備。學(xué)生在系統(tǒng)登錄界面，輸入姓名和學(xué)號后，點(diǎn)擊“確定”，直接進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)操作界面。通過實(shí)驗(yàn)簡介和幫助等模塊，了解項(xiàng)目背景、實(shí)驗(yàn)原理、目的、基本操作以及操作系統(tǒng)使用方法。

（2）虛擬實(shí)驗(yàn)操作。依次點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)操作界面左側(cè)培養(yǎng)基配制（見圖3）、接種材料選擇和葉盤制作、不定芽誘導(dǎo)、莖伸長培養(yǎng)、不定根誘導(dǎo)和煉苗移栽等模塊，根據(jù)系統(tǒng)提示，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置和實(shí)驗(yàn)操作。

（3）撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)操作完成以后，學(xué)生點(diǎn)擊操作界面上方的“實(shí)驗(yàn)報(bào)告”模塊，系統(tǒng)記錄學(xué)生的操作過程，生成實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表。學(xué)生在統(tǒng)計(jì)表格中如實(shí)填寫不定芽和不定根數(shù)量，并計(jì)算不定芽/不定根的誘導(dǎo)率、平均不定芽/不定根數(shù)，最后學(xué)生對比分析自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成數(shù)據(jù)分析后，在線撰寫并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，如圖4 所示。

圖3 培養(yǎng)基配制頁面

（4）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目評價(jià)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告在線提交以后，點(diǎn)擊界面上方的“課后習(xí)題測試”模塊，系統(tǒng)隨機(jī)從數(shù)據(jù)庫中抽取由5～10 道題組成的試卷，學(xué)生在線作答并提交，系統(tǒng)自動打分，并給出正確答案。整個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目考核包括課前預(yù)習(xí)及在線測試、真實(shí)和虛擬實(shí)驗(yàn)中的操作能力、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和綜合能力測試4 個部分，并根據(jù)每項(xiàng)考核指標(biāo)的重要性，分別給予一定的權(quán)重，最后由此計(jì)算出學(xué)生的綜合評定成績。

5 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)特色與成效

5.1 以虛補(bǔ)實(shí)，解決植物組織培養(yǎng)周期長與實(shí)驗(yàn)條件要求高的難題

傳統(tǒng)植物組織培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)所利用的植物材料體積小，抗逆性差，對環(huán)境條件要求嚴(yán)格，需投入大量人力、物力，成本較高。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，學(xué)生能夠在線進(jìn)行培養(yǎng)基配方設(shè)計(jì)、配制、分裝、高壓滅菌、外植體選擇、加工和接種不定芽誘導(dǎo)、壯苗、不定根誘導(dǎo)和煉苗移栽等實(shí)驗(yàn)操作，并實(shí)時追蹤特定誘導(dǎo)條件下的不定芽、莖生長和不定根的發(fā)育變化，有效地解決了因植物組織培養(yǎng)周期過長及課時和空間有限而導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)操作有限和實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以跟蹤的難題，為“植物細(xì)胞工程”“植物基因工程”等實(shí)驗(yàn)的開展提供了有益的在線輔助工作。

5.2 虛實(shí)結(jié)合，提升學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的主觀能動性與創(chuàng)造性

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，學(xué)生可以自己設(shè)計(jì)不同階段誘導(dǎo)培養(yǎng)基中的激素濃度配比，并實(shí)時追蹤與比較該誘導(dǎo)條件下的不定芽、莖伸長生長和不定根發(fā)育與實(shí)驗(yàn)參照之間的差異性。同時，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以無限次重復(fù)進(jìn)行，使學(xué)生能夠在反復(fù)實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在的問題，可以通過重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)和反復(fù)操作，深入理解激素配比對植物組織培養(yǎng)階段性發(fā)育過程的重要性和差異性，提升學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的主觀能動性與創(chuàng)造性。

5.3 資源共享，構(gòu)建學(xué)生自主學(xué)習(xí)與師生互動平臺

通過網(wǎng)絡(luò)平臺，學(xué)生可以隨時隨地進(jìn)行在線實(shí)驗(yàn)操作。如在實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生可以通過系統(tǒng)中的相關(guān)模塊，事先了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理等相關(guān)基本知識。實(shí)驗(yàn)課后，可以通過重復(fù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作，鞏固課堂所學(xué)內(nèi)容。通過這種由“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)—結(jié)果反饋—發(fā)現(xiàn)問題”的過程，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，拓展其知識視野，激發(fā)個人的主觀能動性和創(chuàng)造性。同時，學(xué)生還可以通過在線交流的形式，與教師進(jìn)行一定的互動交流，提升學(xué)習(xí)的針對性和實(shí)效性。通過實(shí)驗(yàn)平臺，任課教師可以清晰地了解學(xué)生對相關(guān)知識的掌握情況，為今后有針對性地開展課堂教學(xué)提供參考信息。

6 結(jié)語

楊樹良種組培再生虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目秉承“虛實(shí)結(jié)合、綠色共享”的理念開發(fā)設(shè)計(jì)，虛擬條件下的植物生長過程是對實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果的動態(tài)模擬，虛擬結(jié)果是基于長期研究過程中積累的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。目前，該項(xiàng)目已獲得2018 年度國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目認(rèn)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(shí)驗(yàn)平臺，為其他生物基礎(chǔ)理論的深入研究提供了必要的方法和手段，拓展了相關(guān)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)知識的深度和廣度，可以有效激勵學(xué)生投入理論知識學(xué)習(xí)和實(shí)踐訓(xùn)練的積極性和想象力，有效解決教學(xué)過程中的沖突、壓力和倦怠等問題，為創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)創(chuàng)造了條件，取得了良好效果。