《藥用植物學(xué)》虛擬仿真實(shí)驗(yàn)構(gòu)建與應(yīng)用探索

嚴(yán)福林，王 波，王悅云，江維克，孫慶文，魏升華，楊武德

(貴州中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院，貴州 貴陽550025)

《藥用植物學(xué)》是中藥學(xué)、中藥資源與開發(fā)、中草藥栽培與鑒定等相關(guān)專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。與《中藥鑒定學(xué)》《藥用植物栽培學(xué)》《中藥材產(chǎn)地加工學(xué)》《中藥化學(xué)》等專業(yè)課及實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐密切聯(lián)系，是從源頭保障中藥材“安全、有效、穩(wěn)定、可控”的理論基礎(chǔ)[1]，該課程教學(xué)效果的良好與否對后續(xù)專業(yè)課程的教學(xué)質(zhì)量具有直接聯(lián)系。

虛擬仿真是基于計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)、人工智能等相互融合而發(fā)展起來的模擬應(yīng)用技術(shù)[2]。近年來，隨著信息技術(shù)發(fā)展，在諸多學(xué)科中將虛擬仿真技術(shù)與現(xiàn)代教育進(jìn)行了有機(jī)融合。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于其教學(xué)方式不受時(shí)間、空間影響，具有直觀化、趣味性、個性化、智能化、泛在化等實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)，為教育現(xiàn)代化提供了強(qiáng)有力的解決方案，正在深刻影響教育形態(tài)和教育方式的發(fā)展變化，受到了國家教育、科技、衛(wèi)生等部委的高度重視，并作出了重要指示和部署，且對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)與應(yīng)用提出了全面要求[3]。

本研究從實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)出發(fā)，為培養(yǎng)適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展對人才培養(yǎng)的新要求，緊緊圍繞“以學(xué)生為中心、培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與技能、提高藥用植物學(xué)教學(xué)質(zhì)量”的教學(xué)目標(biāo)，對《藥用植物學(xué)》實(shí)驗(yàn)課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降臉?gòu)建進(jìn)行初步探索，擬解決實(shí)驗(yàn)材料難以準(zhǔn)備，學(xué)時(shí)壓縮造成的實(shí)驗(yàn)時(shí)長較短，實(shí)驗(yàn)不可重復(fù)，學(xué)習(xí)時(shí)空限制等矛盾。為藥用植物學(xué)線上線下教學(xué)相結(jié)合的個性化、智能化實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式布局，提高教育教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)人才技能等提供參考。

1 《藥用植物學(xué)》課程及其實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問題及虛擬仿真教學(xué)構(gòu)建的意義

《藥用植物學(xué)》是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科，該課程要求師生具有扎實(shí)的專業(yè)術(shù)語和理論基礎(chǔ)與植物的觀察和解剖能力。由于《藥用植物學(xué)》課程既包含植物分類學(xué)的內(nèi)容，亦有中藥學(xué)、化學(xué)等知識，概念多、理解和記憶困難等特殊性，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)包括了實(shí)驗(yàn)室、近郊實(shí)訓(xùn)、課余觀察等內(nèi)容，是該課程獨(dú)具特色而非常重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，亦是將理論知識與實(shí)踐緊密聯(lián)系，鞏固課題理論知識，提升教學(xué)效果的重要措施。實(shí)驗(yàn)材料種類豐富度、器官信息的完整性、與課程進(jìn)度契合度等是有效完成教學(xué)任務(wù)的重要基礎(chǔ)，然而在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)課程中，由于采集時(shí)節(jié)、采集人專業(yè)素養(yǎng)、地理區(qū)域、采集措施與保存條件等因素往往“事與愿違”，難以獲得與理論課程進(jìn)度相適應(yīng)的實(shí)驗(yàn)材料并及時(shí)地開展相應(yīng)的解剖觀察學(xué)習(xí)，而使得實(shí)驗(yàn)效果大打折扣。

近年來，入校學(xué)生均為90后，00后學(xué)生已陸續(xù)進(jìn)入高校，由于生活節(jié)奏的變化和信息、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)、手機(jī)的發(fā)展，他們的生活、學(xué)習(xí)、娛樂等大部分時(shí)間都在計(jì)算機(jī)、手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代媒體上，諸多學(xué)生對實(shí)際生活和自然中的事物知之甚少。據(jù)近年《藥用植物學(xué)》課程學(xué)情調(diào)查發(fā)現(xiàn)，對“小麥、水稻、韭菜”等基本植物都“傻傻分不清”的學(xué)生大有人在。應(yīng)用傳統(tǒng)的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)都難以激發(fā)學(xué)生興趣，教學(xué)質(zhì)量不高。

此外，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，一些章節(jié)，例如植物的繁殖器官——花是對植物進(jìn)行鑒定的極為重要的依據(jù)，該部分的解剖與描述正確與否直接關(guān)系到鑒定的準(zhǔn)確度。然而該章節(jié)內(nèi)容豐富、信息量大、概念多，且較為抽象。應(yīng)用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，通常難以找到相應(yīng)的試驗(yàn)材料，實(shí)驗(yàn)周期長、效率低，一次課程3個學(xué)時(shí)難以完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教學(xué)效果不佳，且不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新思維能力。

將虛擬仿真技術(shù)與藥用植物學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，以“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”為原則，構(gòu)建相應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可有效解決實(shí)驗(yàn)材料受時(shí)節(jié)、理論教學(xué)進(jìn)度、地理因素、保存條件、實(shí)驗(yàn)過程不可逆、周期長等問題，有效改善藥用植物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊，且增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)操作過程的生動性與趣味性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，以提高教學(xué)效果。其次，不僅可以指導(dǎo)學(xué)生把零散的知識系統(tǒng)化，而且能引導(dǎo)學(xué)生在識同辨異過程中勤于思考，理解理論課中的知識點(diǎn)，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量與學(xué)生的實(shí)踐能力，有利于學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

2 藥用植物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建

2.1 思路構(gòu)建

立足教材，以教學(xué)大綱為基礎(chǔ)，配合中藥類專業(yè)課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，總體包括“尋藥、采藥、識藥、鑒定、標(biāo)本制作”等內(nèi)容。提供三大類功能：一是面向?qū)W生實(shí)習(xí)實(shí)踐的仿真實(shí)訓(xùn)，使學(xué)生獲得較為直觀、形象的中藥材基源植物的生長生態(tài)環(huán)境概況、生長發(fā)育規(guī)律、藥材形成等知識；二是通過虛擬仿真，模擬藥用植物標(biāo)本的采集、制作過程、注意事項(xiàng)等，使學(xué)生突破時(shí)間與空間局限，理論聯(lián)系實(shí)際，加強(qiáng)對此部分的理解；三是面向?qū)I(yè)設(shè)備與課程設(shè)計(jì)的教學(xué)要求，提供多視角、多層面、多參數(shù)模擬的360°自由查看、拆解、放大等功能，并在具體的過程中實(shí)現(xiàn)交互，使學(xué)生獲得超越于平面教材的生動、形象、直觀的方式服務(wù)于教學(xué)工作，以便使學(xué)生更為直觀地對藥用植物的整體特征進(jìn)行學(xué)習(xí)，進(jìn)而對所在植物科屬特征的進(jìn)一步加強(qiáng)理解。

目前，我校已初步建成藥用植物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，主要面向全校中藥學(xué)、藥學(xué)、中藥制藥、中草藥栽培與鑒定、中藥資源與開發(fā)等專業(yè)的本科生開放，設(shè)立了基礎(chǔ)型和綜合型的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，目前已建設(shè)包括桔梗、黃芩、白芷、前胡、黃精、百合、頭花蓼、何首烏等25種13個科的藥用植物的生態(tài)環(huán)境模擬、標(biāo)本采集模擬、植物形態(tài)特征展示、解剖操作模擬、標(biāo)本制作、鑒定模擬等環(huán)節(jié)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型。

2.2 操作流程設(shè)計(jì)與技術(shù)要求

2.2.1 課程內(nèi)容與操作流程 ①學(xué)習(xí)目標(biāo)選擇：根據(jù)實(shí)驗(yàn)課程需求，在學(xué)習(xí)菜單欄中已放入相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與藥用植物，學(xué)習(xí)者需在學(xué)校開始時(shí)選擇相應(yīng)要學(xué)習(xí)內(nèi)容與藥用植物種類，進(jìn)入下一個操作環(huán)節(jié)。②生態(tài)環(huán)境模擬：本部分為“尋藥”過程，目的在于使學(xué)習(xí)者了解相應(yīng)的藥用植物生長環(huán)境(氣候、土壤、海拔、坡向、植被類型、伴生植物等)。通過相應(yīng)的虛擬仿真制作，對某個藥用植物的生態(tài)環(huán)境及植物調(diào)查、采集環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬，具體內(nèi)容為，調(diào)查人員到野外，進(jìn)行資源調(diào)查、生長環(huán)境特點(diǎn)、居群情況介紹、環(huán)境信息記錄、采集等。③標(biāo)本采集模擬：發(fā)現(xiàn)植物居群后，模擬標(biāo)本的采集過程，填寫調(diào)查記錄本，用相應(yīng)的工具(鐵鍬、枝剪)對開花或結(jié)果植株進(jìn)行采集。④植物形態(tài)特征展示：對植物的全株各器官(根、莖、葉、花、果實(shí))進(jìn)行形態(tài)展示，并作相應(yīng)的特征描述介紹，拓展介紹科植物特征。此部分要求各器官均可拆分，點(diǎn)擊到某部分，可以相應(yīng)地放大，360°旋轉(zhuǎn)展示。⑤解剖模擬：主要對植物的花及果實(shí)形態(tài)進(jìn)行模擬解剖，并作相應(yīng)描述與介紹，以便展示花部及果實(shí)的結(jié)構(gòu)及各構(gòu)造特征。⑥標(biāo)本制作模擬：模擬桔梗標(biāo)本的壓制(將修剪過的植物標(biāo)本用吸水紙壓制干燥)——消毒(將干燥的標(biāo)本，放與升汞酒精溶液中2～3 min，進(jìn)行消毒，標(biāo)注中毒注意事項(xiàng))——裝訂(將消毒后干燥的標(biāo)本用標(biāo)準(zhǔn)臺板紙，應(yīng)用棉線進(jìn)行裝訂)——標(biāo)本展示(將裝訂好的標(biāo)本進(jìn)行采集標(biāo)簽，鑒定標(biāo)簽的完善，并進(jìn)行展示)。⑦小結(jié)，考核：應(yīng)用至少5個題目，對所選擇的藥用植物的生態(tài)習(xí)性、植物形態(tài)、科屬特征等內(nèi)容進(jìn)行考核檢驗(yàn)。

2.2.2 軟件仿真培訓(xùn)系統(tǒng)規(guī)格 ①軟件規(guī)格：多用戶協(xié)同安裝版;②系列軟件包括的內(nèi)容：通用教師站；通過局域網(wǎng)連接可安裝的多臺學(xué)員操作站;③學(xué)員站可供學(xué)員進(jìn)行仿真操作練習(xí)，在演示模式下學(xué)員可以系統(tǒng)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識，在考核模式下學(xué)員可單獨(dú)練習(xí)操作并對自己操作的成績進(jìn)行實(shí)時(shí)考核;④具有智能操作指導(dǎo)及智能評價(jià)系統(tǒng)，能生成并導(dǎo)出或打印答題卡。

2.2.3 軟件仿真培訓(xùn)系統(tǒng)功能 ①啟動及初始化限制：學(xué)員機(jī)可單獨(dú)啟動，教師機(jī)遠(yuǎn)程啟動學(xué)員機(jī)。②考核記錄：軟件能夠?qū)W(xué)生的答案進(jìn)行記錄，并保存至本地便于查閱。③實(shí)驗(yàn)演示：學(xué)習(xí)模式下可以快速學(xué)習(xí)瀏覽所有基礎(chǔ)理論知識，并且可以選擇性地選取中藥材種類進(jìn)行學(xué)習(xí)。現(xiàn)場展示軟件系統(tǒng)功能，演示3D藥用植物進(jìn)行360°查看，也可對任意組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行360°查看。查看和語音講解：藥用植物介紹、中藥屬性、功能、地理分布、各器官形態(tài)特征、鑒定要點(diǎn)等。④實(shí)驗(yàn)操作：在考核模式下，系統(tǒng)隨機(jī)選取十個藥用植物組成一套試卷，學(xué)生觀察3D藥用植物模型，計(jì)時(shí)考試，在答題區(qū)進(jìn)行答題。考核模式交卷后，可提交一份完整的答題卡。⑤知識點(diǎn)系統(tǒng)：在軟件中包含基礎(chǔ)理論介紹，主要為實(shí)驗(yàn)的相關(guān)背景知識及理論知識，包括藥用植物形態(tài)特征、生長環(huán)境、地理分布、中藥屬性、功效等，學(xué)員可以在操作軟件的過程中，隨時(shí)打開查看。具有語音講解功能。現(xiàn)場演示手動和自動拆解藥用植物的功能，應(yīng)有文字提示。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用

藥用植物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，完善了藥用植物學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，加強(qiáng)了課程相關(guān)內(nèi)容、概念與自然環(huán)境、現(xiàn)實(shí)、實(shí)踐、操作技能的聯(lián)系，體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的實(shí)踐教學(xué)理念，提供了靈活的實(shí)驗(yàn)方式。課前，學(xué)生可以單獨(dú)完成相應(yīng)章節(jié)內(nèi)容的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，掌握相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)儀器的基本使用方法，也可以通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容進(jìn)行課堂理論知識的預(yù)習(xí)，熟悉實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)原理，為課程學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。課后，學(xué)生還可通過虛擬操作系統(tǒng)復(fù)習(xí)和鞏固理論知識及實(shí)驗(yàn)技能，有疑問時(shí)可以及時(shí)在平臺上與教師、同學(xué)進(jìn)行討論和答疑活動，有利于自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[4-5]?？梢姡幱弥参飳W(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺能夠滿足不同深層次的個體化學(xué)習(xí)需求，不僅可以改進(jìn)藥用植物學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，還可用于學(xué)生競賽，優(yōu)化整合教學(xué)資源，加深了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解與認(rèn)識。對促進(jìn)中藥學(xué)相關(guān)專業(yè)課程的教育與訓(xùn)練模式的改革、提高訓(xùn)練效率和質(zhì)量有著重要意義。

4 結(jié)語

將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式有機(jī)結(jié)合，虛中有實(shí)、實(shí)中有虛，相互補(bǔ)充[6]，以學(xué)生為中心、以提高教學(xué)效果為目的，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，為培養(yǎng)學(xué)習(xí)思考與動手能力、促進(jìn)藥用植物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路與方法的改革，為創(chuàng)新型、應(yīng)用型中醫(yī)藥人才的培養(yǎng)提供新的方案。