VR技術(shù)在林木育種學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的探索與實(shí)踐
——以《林木有性雜交》實(shí)驗(yàn)為例

易 敏，賴 猛，胡冬南，劉 娟，靳藏馥，馬際凱

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 江西省森林培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江西特色林木資源培育與利用2011協(xié)同創(chuàng)新中心，江西 南昌 330045）

林木育種學(xué)是運(yùn)用遺傳學(xué)原理，研究林木良種選育與繁殖理論及技術(shù)的科學(xué)，為林學(xué)專業(yè)必修課程[1]。通過(guò)教學(xué)，可以使學(xué)生較全面、系統(tǒng)地掌握林木育種的基本理論技術(shù)，為今后從事林木良種選育研究、資源管理、良種擴(kuò)繁和推廣應(yīng)用等工作奠定基礎(chǔ)[2]。林木育種學(xué)課程包括理論和實(shí)踐兩部分。實(shí)踐包括實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)[3]。但因教學(xué)計(jì)劃的安排，林木育種學(xué)并未安排單獨(dú)的實(shí)習(xí)，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的好壞就直接影響著教學(xué)質(zhì)量。由于課程學(xué)時(shí)的壓縮，林木育種學(xué)的教學(xué)時(shí)長(zhǎng)只有40學(xué)時(shí)，其中24學(xué)時(shí)的理論教學(xué)，16學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，共包含4個(gè)實(shí)驗(yàn)，而林木有性雜交作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心內(nèi)容之一，與實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐緊密相連[4-5]，卻只有4個(gè)學(xué)時(shí)的教學(xué)時(shí)間。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)長(zhǎng)嚴(yán)重不足的情況下，想在有限的時(shí)間內(nèi)完成教學(xué)目標(biāo)，達(dá)到較好的教學(xué)效果，就要求學(xué)生必須掌握牢固的專業(yè)知識(shí)和較強(qiáng)的專業(yè)技能。所以，如何成系統(tǒng)、熟練靈活地綜合運(yùn)用雜交理論進(jìn)行林木有性雜交實(shí)際操作是目前該實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難點(diǎn)。

VR技術(shù)又稱虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual reality，VR），是一種多維化的信息空間處理技術(shù)，可以構(gòu)建出視、聽(tīng)、觸覺(jué)等多方面為一體的仿生現(xiàn)實(shí)環(huán)境，具有沉浸性、交互性、想象性等優(yōu)點(diǎn)[6-7]，已廣泛應(yīng)用于農(nóng)林教育領(lǐng)域，如植物組織培養(yǎng)[8]、森林防火[9]、植物鑒別及病蟲害防治[10]、風(fēng)景園林設(shè)計(jì)[11]等，但在林木育種教學(xué)中未見(jiàn)報(bào)道。本文結(jié)合有性雜交實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀及VR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，探討VR技術(shù)在有性雜交實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用前景。

1 傳統(tǒng)林木有性雜交實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的主要問(wèn)題

林木有性雜交實(shí)驗(yàn)在林木育種學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮了重要作用，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)可增進(jìn)學(xué)生對(duì)雜交理論知識(shí)的理解，同時(shí)也提高學(xué)生的實(shí)踐能力，但由于其自身的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)展仍存在一定的局限性，主要包括以下幾點(diǎn)：

1.1 實(shí)驗(yàn)材料選擇有限，地方特色不突出

有性雜交實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置時(shí)間為4—5月份，此時(shí)開(kāi)花的林木較少，使得開(kāi)展實(shí)驗(yàn)時(shí)材料往往不足，學(xué)生可選擇的材料有限，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)盲目性較大，最終取得的實(shí)驗(yàn)效果不佳。江西是全國(guó)油茶中心產(chǎn)區(qū)，全省各地均有油茶分布。截至目前，全省油茶林總面積已達(dá)到106.53萬(wàn)公頃，年產(chǎn)茶油23.97萬(wàn)t，油茶林面積和產(chǎn)量均居全國(guó)第二位[12]。雜交育種是改良油茶品質(zhì)，培育油茶優(yōu)良品種，加快油茶產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)程的重要途徑。但油茶一般從9月中旬開(kāi)花起到次年2月下旬止，不同品種開(kāi)花時(shí)間有所差異，當(dāng)年9—10月，果實(shí)生理成熟時(shí)進(jìn)行采收[13-14]，與理論教學(xué)時(shí)間不能匹配，實(shí)際教學(xué)中無(wú)法將油茶作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，導(dǎo)致地方特色不突出。

1.2 傳統(tǒng)授課方式難理解

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)以老師為中心，老師在課堂上以文字和圖片的形式通過(guò)多媒體課件等二維結(jié)構(gòu)來(lái)講授實(shí)驗(yàn)操作的原理和步驟，并到室外進(jìn)行實(shí)際操作的演示，隨后學(xué)生再按照老師的操作進(jìn)行模仿。在這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中，缺乏臨場(chǎng)感和交互體驗(yàn)，無(wú)法調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，學(xué)生學(xué)習(xí)被動(dòng)，導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容理解困難，動(dòng)手操作能力不足，難以達(dá)到理想的教學(xué)效果。

1.3 實(shí)際雜交過(guò)程難體驗(yàn)

林木有性雜交過(guò)程復(fù)雜、步驟較多、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，由于教學(xué)時(shí)長(zhǎng)的限制，學(xué)生無(wú)法在有限的4個(gè)課時(shí)內(nèi)全程體驗(yàn)從雜交到收獲種子的有性雜交整個(gè)過(guò)程。到學(xué)期末課程結(jié)束時(shí)，往往觀察不到座果情況，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想。

因此，單純依賴?yán)碚撜n程和真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法滿足教學(xué)效果，必須要采用信息化手段，通過(guò)引入VR技術(shù)，針對(duì)油茶花結(jié)構(gòu)解析、油茶花粉采集、油茶有性雜交過(guò)程、雙受精及油茶果實(shí)發(fā)育等，真實(shí)、生動(dòng)地展示每一雜交步驟的效果?；赩R技術(shù)的林木有性雜交實(shí)驗(yàn)可大大縮短教學(xué)周期，由于不受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地要求和時(shí)間的限制，能夠較好地保證林木有性雜交實(shí)驗(yàn)的完整性。另外，VR教學(xué)能夠與理論課程相結(jié)合，學(xué)生通過(guò)虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，豐富了教學(xué)內(nèi)容和形式，能更加系統(tǒng)、全面地掌握雜交的理論知識(shí)和實(shí)際操作技能，拓展了教學(xué)的深度和廣度，綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力得到提高。

2 VR技術(shù)在林木有性雜交實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的具體應(yīng)用

基于VR技術(shù)的油茶有性雜交技術(shù)緊密結(jié)合林木育種學(xué)的教學(xué)重點(diǎn)和油茶行業(yè)發(fā)展的需求，通過(guò)油茶花結(jié)構(gòu)分析、油茶花粉采集、油茶有性雜交過(guò)程展示、油茶雙受精及果實(shí)發(fā)育過(guò)程等環(huán)節(jié)，真實(shí)、生動(dòng)地展示每一雜交步驟的效果。

在教學(xué)內(nèi)容的安排上，按照林木育種學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)大綱及教學(xué)內(nèi)容，采用線上線下混合式教學(xué)的模式，教學(xué)過(guò)程分為課前預(yù)習(xí)、課堂實(shí)施和課后鞏固3個(gè)階段。由此，鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問(wèn)題的能力，由被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，達(dá)到提高學(xué)生綜合運(yùn)用能力的目的。

2.1 課前預(yù)習(xí)

利用線上網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，搜集雜交相關(guān)視頻、經(jīng)典案例、最新研究成果等向?qū)W生展示有性雜交所取得的成就以及油茶在江西所處的地位，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。

2.2 課堂實(shí)施

利用VR技術(shù)針對(duì)教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行展示，通過(guò)人機(jī)互動(dòng)、場(chǎng)景重現(xiàn)的方式，綜合運(yùn)用相關(guān)的理論知識(shí)，體驗(yàn)和掌握油茶有性雜交各個(gè)環(huán)節(jié)過(guò)程。

2.2.1油茶花結(jié)構(gòu)分析了解油茶花結(jié)構(gòu)是開(kāi)展油茶有性雜交過(guò)程的基礎(chǔ)，但由于課程開(kāi)設(shè)時(shí)間為上半年，而油茶開(kāi)花在下半年，導(dǎo)致學(xué)生實(shí)際接觸油茶花的機(jī)會(huì)較少，對(duì)油茶花結(jié)構(gòu)的認(rèn)知有限。通過(guò)VR技術(shù)構(gòu)建油茶花結(jié)構(gòu)的仿真模型（圖1），并對(duì)油茶花的雌蕊、雄蕊、花瓣和萼片等4個(gè)組成部分進(jìn)行分解和組裝，過(guò)程生動(dòng)有趣、形象逼真，讓同學(xué)們?cè)诓鸱趾徒M合過(guò)程中加深對(duì)油茶花結(jié)構(gòu)的理解，為后續(xù)順利開(kāi)展油茶有性雜交打下基礎(chǔ)。

圖1 油茶花結(jié)構(gòu)VR示意圖

2.2.2油茶花粉采集當(dāng)雜交親本花期不遇時(shí)，收集花粉就成為開(kāi)展有性雜交實(shí)驗(yàn)的必要步驟。以往學(xué)生開(kāi)展室外雜交實(shí)驗(yàn)時(shí)，只能選擇花期一致的材料開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，花粉現(xiàn)采現(xiàn)用，導(dǎo)致可供選擇的親本材料十分有限。另外，花粉采集與生活力測(cè)定是林木育種學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的另一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以往是作為兩個(gè)單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)來(lái)開(kāi)展。通過(guò)VR技術(shù)，將兩個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整合形成關(guān)聯(lián)性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后，可使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加系統(tǒng)、目的性更明確。

2.2.3油茶有性雜交過(guò)程利用道具場(chǎng)景和道具模型形象地展示野外油茶林的環(huán)境，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)頁(yè)面的文字提示，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行去雄、套袋、授粉、去袋等實(shí)驗(yàn)操作，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，掌握正確的操作步驟，從而在真實(shí)的雜交實(shí)驗(yàn)中做到規(guī)范和準(zhǔn)確。

2.2.4雙受精及油茶果實(shí)發(fā)育有性雜交持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，一般要到下半年才能收獲果實(shí)，由于實(shí)驗(yàn)條件和時(shí)長(zhǎng)的限制，學(xué)生很難觀察到油茶的雙受精作用及收獲油茶果實(shí)。通過(guò)VR技術(shù)即可使學(xué)生感受油茶雙受精的整個(gè)過(guò)程，又可利用時(shí)間軸完整展示油茶從雙受精到果實(shí)發(fā)育成熟的動(dòng)態(tài)過(guò)程，縮短了教學(xué)時(shí)長(zhǎng)，提高了學(xué)生的興趣。

2.3 課后鞏固

2.3.1理論鞏固以思維導(dǎo)圖的形式將課程知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)發(fā)布練習(xí)題，并以小游戲的形式對(duì)油茶雜交過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單操作，提高同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣和參與度，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)油茶有性雜交的理解和認(rèn)識(shí)。

2.3.2技能鞏固通過(guò)VR實(shí)驗(yàn)的模擬訓(xùn)練，學(xué)生已經(jīng)十分了解有性雜交的實(shí)驗(yàn)原理及操作過(guò)程，因此，在線下開(kāi)展室外的有性雜交實(shí)驗(yàn)時(shí)，所有的實(shí)驗(yàn)步驟學(xué)生都需要自己再實(shí)際操作一遍，這樣將虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的方式，可明顯降低操作的錯(cuò)誤率，達(dá)到掌握相應(yīng)實(shí)驗(yàn)技能的教學(xué)效果。

3 VR技術(shù)在林木有性雜交實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用成效

3.1 打破時(shí)間和空間的限制，完整展示油茶從開(kāi)花到結(jié)果的全過(guò)程

傳統(tǒng)的林木有性雜交實(shí)驗(yàn)所利用的材料選擇范圍小，對(duì)時(shí)間的要求較高，從開(kāi)花的觀察到雜交果實(shí)的收獲需要6個(gè)月以上的時(shí)間，而受限于教學(xué)時(shí)長(zhǎng)，學(xué)生很難體驗(yàn)到雜交全過(guò)程。通過(guò)VR技術(shù)，學(xué)生能夠在線進(jìn)行油茶花結(jié)構(gòu)的拆解；花粉的采集、儲(chǔ)存；有性雜交過(guò)程，并能體驗(yàn)到雙受精及果實(shí)發(fā)育變化，可以在4個(gè)課時(shí)內(nèi)完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作流程，有效地解決了因有性雜交周期過(guò)長(zhǎng)及課時(shí)限制導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以跟蹤的難題，節(jié)約了時(shí)間和成本，同時(shí)也加深了學(xué)生對(duì)油茶的了解，體現(xiàn)了地方特色。此外，應(yīng)用VR技術(shù)，可以突破時(shí)空的制約，隨時(shí)隨地進(jìn)入學(xué)習(xí)環(huán)境，自主安排學(xué)習(xí)的進(jìn)度[15]。以往在受到不可抗力因素的影響時(shí)（如新冠疫情），林木育種學(xué)的實(shí)驗(yàn)課程只能延期或者自學(xué)，但有了VR技術(shù)以后，線上試驗(yàn)課程也能順利開(kāi)展。

3.2 通過(guò)VR技術(shù)打造身臨其境的虛擬場(chǎng)景，極大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

通過(guò)VR技術(shù)，打造了實(shí)驗(yàn)室、油茶林等虛擬場(chǎng)景，給學(xué)生帶來(lái)了沉浸式體驗(yàn)，仿佛置身于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室和油茶林中，學(xué)生可以按照自身意愿從多個(gè)角度對(duì)有性雜交過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的觀察，從視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多感官進(jìn)行全身心的體驗(yàn)，使情境體驗(yàn)與互動(dòng)在課程學(xué)習(xí)過(guò)程中的比重加大，極大的提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.3 通過(guò)人機(jī)互動(dòng)，真實(shí)體驗(yàn)操作過(guò)程，加深對(duì)雜交技術(shù)的理解程度

VR技術(shù)操作簡(jiǎn)單，易于掌握，學(xué)生可通過(guò)佩戴VR頭盔，可通過(guò)手柄碰觸選擇實(shí)驗(yàn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)[16]。通過(guò)VR技術(shù)可對(duì)有性雜交具體過(guò)程進(jìn)行模擬，實(shí)驗(yàn)可以無(wú)限重復(fù)進(jìn)行，學(xué)生通過(guò)反復(fù)的操作可以判斷實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是否合理，同時(shí)也可加深對(duì)雜交技術(shù)的理解和操作的熟練度，提高學(xué)生在實(shí)際有性雜交實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的成功率。