珍稀植物傳粉與保護(hù)虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目的構(gòu)建與應(yīng)用

張金菊， 孫士國， 周 權(quán)， 龔思穎， 熊英澤， 李 兵

（華中師范大學(xué)a.生命科學(xué)學(xué)院；b.生物學(xué)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心；c.湖北省生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，武漢430079）

0 引 言

植物學(xué)是研究植物細(xì)胞組織形態(tài)特征及其生理功能、植物營養(yǎng)及繁殖器官形態(tài)結(jié)構(gòu)與發(fā)育以及植物界主要分類群系統(tǒng)演化的一門學(xué)科，是大學(xué)生物類專業(yè)以及植物生產(chǎn)類專業(yè)學(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課［1］。在植物學(xué)有關(guān)植物繁殖的教學(xué)中，學(xué)生更多的是了解繁殖器官的組織形態(tài)，對(duì)植物繁殖中重要生物學(xué)過程（如傳粉過程）缺乏了解。植物的傳粉是植物獲得后代以及種群擴(kuò)張的保證，是植物生活史過程中重要的事件。由于傳粉觀察需要在野外進(jìn)行，特別是一些珍稀瀕危的植物的傳粉過程更為獨(dú)特，經(jīng)常遇到材料和觀察對(duì)象難以獲取的情況，使得珍稀植物傳粉生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯得尤為困難。虛擬仿真是解決實(shí)驗(yàn)條件不具備或極端環(huán)境等問題的有效手段。2019 年“教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)實(shí)施意見”中指出，從2019年到2021 年，完成1 500 門左右國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程認(rèn)定［2］。2017、2018 年教育部批準(zhǔn)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目403 項(xiàng)，其中生物科學(xué)類項(xiàng)目35 項(xiàng)，占比8.68%［3-4］。

蘭科植物種類豐富，形態(tài)美觀，極具觀賞價(jià)值，大部分蘭科植物被列為瀕危物種，是物種保護(hù)中的“旗艦”類群［5］。蘭科植物具有獨(dú)特的傳粉特征，種子往往需要在特定的共生真菌環(huán)境下才能生長為成年植株。從達(dá)爾文發(fā)表《物種起源》以來，蘭科植物的傳粉和保護(hù)一直受到全世界植物學(xué)家的廣泛關(guān)注。生物學(xué)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心［6-7］，以蘭科植物為例，開發(fā)了蘭科植物傳粉與保護(hù)虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目。該項(xiàng)目促使學(xué)生了解以蘭科植物為代表的珍稀瀕危植物的形態(tài)特征、傳粉對(duì)策與生物多樣性保護(hù)策略，為今后學(xué)習(xí)珍稀植物資源、植物保護(hù)與管理等課程打好基礎(chǔ)，提高學(xué)生對(duì)珍稀瀕危植物保護(hù)意義的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)環(huán)境友好、生態(tài)文明理念。

1 蘭科植物傳粉與保護(hù)虛擬仿真項(xiàng)目構(gòu)建與應(yīng)用

1.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)

以珍稀瀕危的蘭科植物為例，通過采集其原生生境、植物的形態(tài)（包括花部構(gòu)成、根莖和葉子形態(tài)、開花過程等），野外生存狀態(tài)和生活史（種子庫、原地保護(hù)、遷地保護(hù)、資源開發(fā)與利用、種質(zhì)回歸等）等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及圖片、視頻等資料，采用unity3D、三維數(shù)字采集還原、超景深顯微攝影、全景攝影、無人機(jī)航拍、測(cè)繪數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、計(jì)算機(jī)仿真等技術(shù)，將具有代表性蘭科植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、傳粉與生殖策略、瀕危機(jī)制與保護(hù)措施等方面進(jìn)行虛擬仿真，構(gòu)建了蘭科植物傳粉與保護(hù)虛擬仿真項(xiàng)目。

項(xiàng)目方法主要包含蘭科植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)觀察、不同屬植物之間的分析比較、分類檢索、生境的鳥瞰和地面觀察、傳粉方式和傳粉過程模擬、保護(hù)管理措施瀏覽以及在線測(cè)試等內(nèi)容。該項(xiàng)目包括形態(tài)結(jié)構(gòu)、生境選擇、傳粉策略、保護(hù)管理4 個(gè)模塊，28 個(gè)交互性步驟。此外，還有隨堂小知識(shí)和在線測(cè)試對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體的項(xiàng)目框架如圖1 所示。

圖1 蘭科植物傳粉與保護(hù)虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目構(gòu)架

1.1.1 蘭科植物形態(tài)結(jié)構(gòu)

任意選取5 種珍稀瀕危蘭科植物虛擬標(biāo)本，用鼠標(biāo)拖曳即可進(jìn)行整體觀察、旋轉(zhuǎn)查看、拖曳縮放、分拆復(fù)原等虛擬操作，學(xué)生可對(duì)蘭科植物的花、莖、葉和種子等器官進(jìn)行形態(tài)與結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)，了解蘭科植物的形態(tài)特點(diǎn)和演化地位。如圖2 所示，本模塊設(shè)計(jì)5 個(gè)交互性步驟。

圖2 杏黃兜蘭花結(jié)構(gòu)解剖虛擬仿真截圖

與其他被子植物花形態(tài)結(jié)構(gòu)比較：選取8 種被子植物的花器官與蘭科植物進(jìn)行比較觀察，通過拖曳縮放、分拆拼合，逐層剝離、結(jié)構(gòu)解剖以及不同植物之間的切換等操作，幫助學(xué)生理解、掌握蘭科植物幾種代表屬的分類依據(jù)和識(shí)別要點(diǎn)。本模塊設(shè)計(jì)有8 個(gè)交互性步驟。例如，圖3 為玉蘭花解剖結(jié)構(gòu)，可以幫助學(xué)生了解蘭花和其他具有相似形態(tài)特征植物的區(qū)別。

圖3 玉蘭花結(jié)構(gòu)觀察與解剖虛擬仿真截圖

1.1.2 蘭科植物生境選擇

為幫助學(xué)生了解蘭科植物的主要生境，將幾種瀕危蘭科植物生長在高海拔亞熱帶區(qū)域，定位到我國云南省。該區(qū)域有大量蘭科植物分布標(biāo)識(shí)，點(diǎn)擊標(biāo)識(shí)熱點(diǎn)進(jìn)入到對(duì)應(yīng)的宏觀生長環(huán)境，鳥瞰蘭科植物原生生境，分析植被、坡度、濕度等環(huán)境因子的影響，再進(jìn)入與航拍點(diǎn)對(duì)應(yīng)的7 個(gè)地面觀察點(diǎn)，了解不同蘭科植物生存條件，如土壤類型、植被郁閉程度、依附植物或共生植物、生長方式等，如圖4 所示。本模塊設(shè)計(jì)7 個(gè)交互性步驟。

1.1.3 蘭科植物傳粉策略

進(jìn)入原生生境還原場(chǎng)景，用戶化身為傳粉昆蟲，使用鼠標(biāo)和鍵盤的WASD按鍵進(jìn)行方向操作，空格與C鍵進(jìn)行升降操作，控制傳粉昆蟲在幾種蘭花中尋找食物、配偶或者巢穴等，展示泛化食源欺騙、性欺騙、產(chǎn)卵地欺騙、長喙昆蟲等傳粉方式，傳粉昆蟲進(jìn)入蘭科植物的花朵“陷阱”之后，按蘭花設(shè)計(jì)的逃逸路線攜帶花粉塊爬出，然后飛到另一朵蘭花，并將花粉塊移送到該花柱頭上，如出現(xiàn)逃逸失敗或昆蟲在不同種類的蘭花訪問時(shí)，則判定傳粉失敗，系統(tǒng)仍然作為有效成績記錄，如圖5 所示。本模塊設(shè)計(jì)4 個(gè)交互性步驟。

圖4 杏黃兜蘭等高濕度亞熱帶生境虛擬仿真截圖

圖5 傳粉者找到杏黃兜蘭仿真截圖

1.1.4 蘭科植物原位保護(hù)和遷地保護(hù)

點(diǎn)擊蘭科植物原位保護(hù)選項(xiàng)，瀏覽蘭科植物自然保護(hù)區(qū)的保護(hù)措施、管理方法和效果對(duì)比分析。本模塊設(shè)計(jì)1 個(gè)交互性步驟。點(diǎn)擊蘭科植物遷地保護(hù)選項(xiàng)，瀏覽代表性蘭科植物遷地保護(hù)的案例，了解遷地保護(hù)的一般步驟和實(shí)施方法，如圖6 所示。本模塊設(shè)計(jì)1 個(gè)交互性步驟。

圖6 原位保護(hù)虛擬仿真截圖

1.1.5 隨堂小知識(shí)

點(diǎn)擊隨堂小知識(shí)選項(xiàng)，系統(tǒng)將自動(dòng)對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行歸納總結(jié)，既可復(fù)習(xí)鞏固知識(shí)點(diǎn)，強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果，也可記錄用戶使用進(jìn)度。本模塊設(shè)計(jì)1 個(gè)交互性步驟。

1.1.6 在線測(cè)試

仿真實(shí)驗(yàn)完成后，學(xué)生在線進(jìn)行答題，將隨機(jī)從題庫中抽取單選題和多選題進(jìn)行回答，系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)定成績。本模塊設(shè)計(jì)1 個(gè)交互性步驟。

1.2 項(xiàng)目建設(shè)實(shí)施效果

由于蘭科植物分布區(qū)域的限制、花期的不可遇和珍稀瀕危等因素的限制，傳統(tǒng)蘭科植物實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要以講授為主，輔以圖片、標(biāo)本等資料，教學(xué)的直觀性、互動(dòng)性和趣味性不夠，教學(xué)效果不理想。該項(xiàng)目通過對(duì)蘭科植物形態(tài)結(jié)構(gòu)、傳粉對(duì)策、資源保護(hù)等核心要素進(jìn)行仿真，突破了珍稀植物實(shí)驗(yàn)材料、原生生境和時(shí)空等因素的限制，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)的直觀化和互動(dòng)性，拓展了植物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程關(guān)于植物分類、形態(tài)適應(yīng)、傳粉策略和資源與保護(hù)等教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度，使原來無法完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容成為可能，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)過程從以教師為主體的講授型向以學(xué)生為主體的轉(zhuǎn)變。

1.3 項(xiàng)目開放共享

目前，蘭科植物傳粉與保護(hù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目面向全校多個(gè)專業(yè)開放，包括生物科學(xué)、生物技術(shù)、化學(xué)-生物交叉培養(yǎng)班、化學(xué)等。截至2019 年，蘭科植物傳粉與保護(hù)仿真項(xiàng)目的用戶使用量達(dá)到1 300 人次，學(xué)生的滿意度為91.23%。此外，該項(xiàng)目已對(duì)省內(nèi)外多所高校免費(fèi)共享應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)兄弟院校的資源共享、共同發(fā)展。

2 植物虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)與應(yīng)用思考

在傳統(tǒng)的植物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)有限、很多植物學(xué)實(shí)驗(yàn)無法開展，開展植物學(xué)仿真項(xiàng)目的建設(shè)勢(shì)在必行。作為實(shí)體實(shí)驗(yàn)的一種補(bǔ)充，虛擬仿真在全世界得到很大發(fā)展。目前國內(nèi)有關(guān)植物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目還比較少，主要建設(shè)有國家級(jí)虛擬仿真項(xiàng)目，例如2017 年度示范性虛擬仿真項(xiàng)目有，“不同生態(tài)區(qū)生物學(xué)野外實(shí)習(xí)”“生物學(xué)野外實(shí)習(xí)虛擬仿真”、“珍稀保護(hù)藥用生物資源研究與應(yīng)用的綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目”“光合作用光能的吸收、轉(zhuǎn)化及不同類型植物的光合測(cè)定與應(yīng)用的虛擬仿真”等，2018 年度國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目有“秦嶺生物學(xué)野外實(shí)踐教育虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目”“漳江口紅樹林植物學(xué)實(shí)習(xí)虛擬仿真項(xiàng)目”“秦嶺火地塘植物學(xué)綜合仿真實(shí)訓(xùn)”“細(xì)胞動(dòng)態(tài)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)-被子植物雙受精”等［3-4］；此外，還有一些省級(jí)或者校級(jí)植物學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目［8-10］，但是總體而言相比于國外，我國在生物學(xué)虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)上還有較大差距。

在實(shí)體教學(xué)的基礎(chǔ)上，通過虛實(shí)結(jié)合，在很大程度上能夠激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率［11-15］。在目前植物學(xué)實(shí)驗(yàn)大綱的植物傳粉觀察實(shí)驗(yàn)中，大部分高校由于課時(shí)限制以及野外環(huán)境的復(fù)雜性，傳粉實(shí)驗(yàn)沒有開展或者深度不夠，特別是對(duì)于珍稀瀕危植物的傳粉實(shí)驗(yàn)較為缺乏。利用現(xiàn)代信息技術(shù)，將室外實(shí)驗(yàn)可視化，學(xué)生可以近距離了解植物的傳粉狀況，極大地促進(jìn)了植物傳粉實(shí)驗(yàn)的開展。對(duì)于其他一些植物學(xué)實(shí)驗(yàn)，例如冷凍切片以及石蠟切片等植物學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)也可以參考本文的方法，構(gòu)建相應(yīng)的虛擬仿真項(xiàng)目，提升本科植物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，為國家培養(yǎng)更多的生物學(xué)人才。

3 結(jié) 語

隨著5G 技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，必將得到快速發(fā)展，為提升相關(guān)學(xué)科的教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)做貢獻(xiàn)。蘭科植物傳粉和保護(hù)虛擬仿真項(xiàng)目具有較強(qiáng)的學(xué)科前沿性和教學(xué)應(yīng)用性，既提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的水平和層次，又加深了學(xué)生對(duì)生命科學(xué)前沿性技術(shù)的掌握，也提升了學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。