韓利紅,田雪蓮,高 永,張延安,郭麗紅,劉 潮
(曲靖師范學(xué)院 生物資源與食品工程學(xué)院,云南 曲靖 655001)
在《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》頒布的十年間,教育信息化發(fā)展迅速,取得了一系列重要成果,《中國(guó)教育現(xiàn)代化2035》《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》等政策進(jìn)一步推動(dòng)了教育教學(xué)與數(shù)字技術(shù)的深度融合,虛擬仿真正是數(shù)字化教育高質(zhì)量發(fā)展的重要基石[1-2].生物科學(xué)和技術(shù)的研究新成果不斷涌現(xiàn),展現(xiàn)出巨大應(yīng)用前景.傳統(tǒng)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)以單一驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主,不能滿足數(shù)字新時(shí)代人才培養(yǎng)的高標(biāo)準(zhǔn),亟待將科研項(xiàng)目和成果轉(zhuǎn)化為綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)[3].本研究以云南高原特色植物魔芋為研究對(duì)象,將植物學(xué)領(lǐng)域重要的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和教師科研課題融入到綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中,使學(xué)術(shù)研究前沿與本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)相長(zhǎng),樹立科教融合培育人才的理念,將高校豐富的科研資源有效轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源,努力培養(yǎng)創(chuàng)新型人才.
植物生物學(xué)是生物學(xué)相關(guān)專業(yè)第一門集理論、實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐為一體的核心基礎(chǔ)課程,旨在使學(xué)生認(rèn)識(shí)植物基本結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)發(fā)育規(guī)律,樹立最基本的生命觀念和科學(xué)思維[4].在植物分類學(xué)教學(xué)中,筆者所在教學(xué)團(tuán)隊(duì)基于中國(guó)本土尤其地方特色植物多樣性,全方位重構(gòu)、深化和拓展教學(xué)內(nèi)容,滿足學(xué)生對(duì)當(dāng)?shù)爻R娭参锏恼J(rèn)識(shí)和了解,體現(xiàn)社會(huì)熱點(diǎn)和焦點(diǎn),注重理論聯(lián)系實(shí)踐[5].該虛擬仿真項(xiàng)目選擇經(jīng)濟(jì)價(jià)值和科學(xué)意義比較高的本土特色植物魔芋為研究對(duì)象,借助軟件將各種實(shí)驗(yàn)教學(xué)要素轉(zhuǎn)化為操作程序,遵循創(chuàng)新型、科研型和綜合型實(shí)驗(yàn)建設(shè)理念,以大實(shí)驗(yàn)的模式使學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)掌握魔芋的生物學(xué)特性、物種多樣性、傳粉策略、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和病害防治等,旨在提升學(xué)生創(chuàng)新、研究性學(xué)習(xí)和綜合實(shí)踐能力及生態(tài)文明意識(shí).
魔芋隸屬天南星科(Araceae)魔芋屬(Amorphophallus)多年生宿根草本植物,是極具開發(fā)潛力的經(jīng)濟(jì)作物和種質(zhì)資源,在食品、醫(yī)藥和工業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮重要應(yīng)用價(jià)值,有待對(duì)其物種資源開展保護(hù)、開發(fā)和利用工作.魔芋在全世界約170余種,云南因其獨(dú)特的地理環(huán)境和氣候條件,分布有魔芋10余種,我校魔芋研究團(tuán)隊(duì)收集了大量魔芋種質(zhì)資源,成功在溫室栽培,并開展了魔芋譜系遺傳和病原菌相關(guān)研究,已取得一系列成果[6-8].魔芋作為云南本土特色植物資源,很適合作為植物生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)材料.但是受季節(jié)影響,在植物分類實(shí)驗(yàn)中,很難在固定時(shí)間段獲得不同魔芋物種的新鮮材料.該虛擬仿真軟件的開發(fā)與研制,可滿足在不同教學(xué)周期開展魔芋分類鑒定、人工授粉和病原菌實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)和實(shí)操,有利于根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行不同模塊的靈活組合,以滿足個(gè)性化學(xué)習(xí)方式的需求.野生植物保存著豐富的遺傳資源和基因多樣性,將中國(guó)本土特色植物資源融入植物生物學(xué)實(shí)驗(yàn),可向?qū)W生傳達(dá)保護(hù)自然、人與自然和諧相處的發(fā)展理念,為建設(shè)生態(tài)文明和美麗中國(guó)培養(yǎng)接班人.
該實(shí)驗(yàn)以六種魔芋為研究對(duì)象,分別為花魔芋(Amorphophalluskonjac)、滇魔芋(A.yunnanensis)、西盟魔芋(A.krausei)、白魔芋(A.albus)、東亞魔芋(A.kiusianus)和東京魔芋(A.tonkinensis),通過野外調(diào)查記錄以上物種的原生生境和植物形態(tài)(葉、莖、花序、果實(shí)、種子)等,并將代表性健康植株移栽至溫室.根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、圖片和實(shí)驗(yàn)操作視頻,利用Unity3D、全景攝影、三維數(shù)字采集還原和計(jì)算機(jī)仿真等技術(shù),構(gòu)建魔芋分類鑒定、育種及病原微生物分析綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn).仿真教學(xué)平臺(tái)的架構(gòu)由權(quán)限不等的三個(gè)功能區(qū)組成,分別為學(xué)生功能區(qū)、教師功能區(qū)和管理員功能區(qū);每一功能區(qū)下設(shè)置不同模塊,以完成相應(yīng)任務(wù)(圖1).實(shí)驗(yàn)包括野外觀察、魔芋鑒定、人工授粉、病原菌鑒定四個(gè)模塊和38個(gè)人機(jī)交互環(huán)節(jié),可在臺(tái)式計(jì)算機(jī)、平板電腦或智能手機(jī)等網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備運(yùn)行.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容綜合了植物學(xué)、微生物學(xué)、生物育種學(xué)和教師科研課題等重要學(xué)科內(nèi)容,兼具代表性、拓展性和前沿性.
圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目功能模塊構(gòu)架
用戶登錄賬戶和密碼,通過訪問虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),可全方位鳥瞰魔芋生境,身臨其境地在林中搜尋不同種類魔芋,降低野外出差采樣的風(fēng)險(xiǎn);還能在線規(guī)范解剖不同魔芋的佛焰花序,完成對(duì)關(guān)鍵植物分類術(shù)語的學(xué)習(xí)和實(shí)踐,完成在線測(cè)試,并在線撰寫和提交電子實(shí)驗(yàn)報(bào)告.教師能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控和指導(dǎo)學(xué)生的操作,針對(duì)實(shí)驗(yàn)中集中出現(xiàn)的問題,師生和生生可開展線上討論.
以學(xué)生為主體,基于實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、線上虛擬、實(shí)體學(xué)習(xí)、課后拓展、過程性評(píng)價(jià)和教學(xué)反思的完整教學(xué)周期,為虛實(shí)結(jié)合、線上線下混合式教學(xué)提供載體(圖2).
圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容框架和流程
1.2.1 課前實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)
課前,教師通過學(xué)習(xí)通或雨課堂等智慧工具布置實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)任務(wù),學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)背景、目的和原理以及知識(shí)拓展,了解魔芋屬簡(jiǎn)介、魔芋分類特征、六個(gè)物種介紹、應(yīng)用價(jià)值、病害防治及保護(hù)利用等,為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)和操作提供理論基礎(chǔ).
1.2.2 野外觀察和魔芋鑒定
模塊一和模塊二模擬了野外魔芋采集和花序拆分以及在線測(cè)試等環(huán)節(jié)(圖3),使學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)認(rèn)識(shí)魔芋的生境和分類特征,并能成功辨別6種魔芋(花魔芋、滇魔芋、西盟魔芋、白魔芋、東亞魔芋和東京魔芋).進(jìn)入魔芋原生生境的虛擬還原場(chǎng)景,操作人化身為林中動(dòng)畫人物,利用鼠標(biāo)和鍵盤快捷鍵(WASD)在林中行走,通過各個(gè)空間方位搜索,在規(guī)定時(shí)間內(nèi)找到魔芋植株,幫助學(xué)生了解和熟悉其生境類型(圖3A-C),該模塊設(shè)計(jì)6個(gè)交互性環(huán)節(jié).魔芋喜陰,
圖3 模塊一和模塊二操作界面
常分布于蔭蔽、潮濕、土壤肥沃的生境條件下,如山谷坡地、溪流兩側(cè)、路沿林緣等;在我國(guó),魔芋主要分布在西南地區(qū),要求學(xué)生在野外和溫室內(nèi),仔細(xì)觀察不同種類魔芋的生境,拍照記錄植被類型、植物種類和形態(tài)結(jié)構(gòu).魔芋為多年生草本,獨(dú)生一葉,綠色,常有褐色或白色等斑塊,部分種(白魔芋、西盟魔芋)葉柄基部斑點(diǎn)不明顯;葉片3裂.魔芋與一把傘南星等天南星科植物形態(tài)較相近,判別標(biāo)準(zhǔn)是葉片分裂形態(tài)不同,且魔芋生長(zhǎng)周期只生一葉,“花葉不見面”(一個(gè)生長(zhǎng)期只開花或只長(zhǎng)葉,不同時(shí)開花生葉).不同魔芋的葉片形態(tài)差異較小,且種內(nèi)葉柄等形態(tài)不穩(wěn)定,不能作為判定魔芋種類的主要依據(jù).
利用鼠標(biāo)和鍵盤快捷鍵對(duì)花序進(jìn)行整體觀察,通過縮放、旋轉(zhuǎn)、拆分、組合、復(fù)原、六種魔芋的切換等虛擬操作,幫助學(xué)生熟練辨認(rèn)花部組成結(jié)構(gòu),理解魔芋屬不同物種間的識(shí)別要點(diǎn)和分類依據(jù)(圖3D-F),該模塊設(shè)計(jì)8個(gè)交互性環(huán)節(jié).花形態(tài)是魔芋分類的主要依據(jù),魔芋各個(gè)種的開花時(shí)間各異,一般從3月初到6月底不等.魔芋花序柄頂端具有天南星科最顯著的特征——佛焰花序.花序外圍的那一圈“圍脖”不是花瓣,而是被稱作佛焰苞的總苞片.苞片將肉穗狀的花序包圍在正中央.肉穗花序可分成三部分:頂端圓錐體由不育雄蕊和花序軸合生的海綿狀結(jié)構(gòu)組成,被稱為附屬器,附屬器散發(fā)出濃郁而奇異的氣味;中間一段米黃色的是雄花序,釋放氣味次之;基部區(qū)域?yàn)榇苹ㄐ?學(xué)生可根據(jù)以下特征對(duì)六種魔芋進(jìn)行分類(表1).
表1 6種魔芋的分類特征[6-8]
1.2.3 人工授粉
模塊三有利于幫助學(xué)生身臨其境地體驗(yàn)人工授粉的全過程(切除佛焰苞、消毒、收集花粉、干燥、雜交、收集種子)(圖4).移動(dòng)鼠標(biāo),先進(jìn)入溫室,根據(jù)提示,在當(dāng)天的天黑之前用經(jīng)過75%酒精消毒的解剖刀從魔芋雄蕊與雌蕊交界處將魔芋雄蕊切下,轉(zhuǎn)移至實(shí)驗(yàn)室,用紙張收集雄蕊散落的花粉,將花粉涂抹于成熟的雌蕊完成雜交授粉.魔芋屬于雌雄蕊異熟且雌蕊先熟.自然條件下,魔芋的雌花序和雄花序被佛焰苞包圍和保護(hù),當(dāng)雄花序發(fā)育成熟時(shí),花粉自然散落于佛焰苞底部.在魔芋雜交和新品種選育時(shí),佛焰苞嚴(yán)重影響人工授粉操作.在無設(shè)施的露天條件下,受風(fēng)、雨等自然因素的影響,魔芋花粉收集幾乎不可能,嚴(yán)重影響魔芋雜交、種子繁育和新品種雜交選育工作.因此,研究和探索魔芋花粉的有效收集方法,有利于克服人工雜交收集花粉困難的問題.本模塊共設(shè)計(jì)10個(gè)互動(dòng)性環(huán)節(jié).
圖4 模塊三操作界面
A-B:切除-消毒,C-D:收集-干燥-授粉,E-F:雜交-種子
1.2.4 病原菌鑒定
魔芋是一種極具開發(fā)潛力的高效經(jīng)濟(jì)作物,可廣泛用于食品、醫(yī)藥、化工、造紙、紡織、石油等行業(yè).隨著魔芋種植面積擴(kuò)大,其病害發(fā)生危害程度趨于加重,尤其是軟腐病的發(fā)生被稱為“魔芋癌癥”,已成為制約魔芋產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要障礙因素之一.模塊四通過模擬病株收集、培養(yǎng)基制備、菌株分離純化、病原菌鑒定等實(shí)驗(yàn)操作,使學(xué)生了解魔芋病原菌相關(guān)特性、分類地位和發(fā)病過程,為魔芋軟腐病的防治提供理論依據(jù).首先在實(shí)驗(yàn)室模擬配制PDA固體培養(yǎng)基,從軟腐球莖獲取并分離純化病原菌菌株,之后利用培養(yǎng)的菌絲體進(jìn)行分子生物學(xué)和形態(tài)學(xué)物種鑒定,對(duì)于鑒定出的菌株進(jìn)行回接實(shí)驗(yàn),篩選出能致軟腐病的病原菌(圖5),最后通過在線測(cè)試檢驗(yàn)學(xué)習(xí)成效.本模塊共設(shè)計(jì)12個(gè)互動(dòng)性環(huán)節(jié).
圖5 模塊四操作界面
在完成四個(gè)模塊的虛擬操作后,系統(tǒng)將對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作流程進(jìn)行匯總,幫助學(xué)生系統(tǒng)鞏固已學(xué)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)操作,強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果,學(xué)生也可通過用戶使用進(jìn)度,有針對(duì)性地回顧和復(fù)習(xí)薄弱模塊及環(huán)節(jié).完成測(cè)試并提交后,系統(tǒng)將自動(dòng)生成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成績(jī).
虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,學(xué)生以小組形式利用文獻(xiàn)檢索進(jìn)一步理解六個(gè)物種的分類差異、病害防治和保護(hù)利用等內(nèi)容,結(jié)合軟件實(shí)操和個(gè)性化拓展,學(xué)生通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成該實(shí)驗(yàn)的實(shí)體學(xué)習(xí).最后以翻轉(zhuǎn)課堂的方式,由每個(gè)小組制作項(xiàng)目PPT,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)匯報(bào)和答辯情況,師生共同進(jìn)行投票,完善考核評(píng)價(jià).過程性評(píng)價(jià)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不可缺少的重要部分,合理的評(píng)價(jià)可科學(xué)檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)效果,評(píng)定教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量.成績(jī)?cè)u(píng)定涵蓋課前-課中-課后,體現(xiàn)過程性和多元化評(píng)價(jià).(1)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)(10%):預(yù)習(xí)內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)背景、目的和原理,以及魔芋概況等;(2)線上虛擬和實(shí)體學(xué)習(xí)(90%):包括線上測(cè)試(10%)、四個(gè)模塊的線上操作(50%)、新鮮植物體的觀察(10%)、實(shí)驗(yàn)和研究報(bào)告(20%).過程性實(shí)驗(yàn)考核彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以實(shí)驗(yàn)報(bào)告為終結(jié)性考核成績(jī)的模式,使考核評(píng)定更加科學(xué)、合理和全面.綜合預(yù)習(xí)成績(jī)、在線測(cè)試、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、研究報(bào)告,融入師生評(píng)價(jià)和生生評(píng)價(jià),既能科學(xué)、全面、客觀地評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)成效,又能體現(xiàn)學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展[9].
虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)的開展可彌補(bǔ)傳統(tǒng)單一驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的不足.魔芋是云南本土特色植物資源,魔芋屬系統(tǒng)發(fā)育、物種分類、譜系地理和病害防治也是學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)的主攻內(nèi)容,有多項(xiàng)國(guó)家級(jí)和省級(jí)自然科學(xué)基金支持,已取得一系列學(xué)術(shù)成果.但是受植物生長(zhǎng)發(fā)育季節(jié)和區(qū)域影響,很難在固定時(shí)間段獲得不同魔芋物種的新鮮材料.該虛擬仿真軟件可滿足在不同教學(xué)周期定時(shí)定點(diǎn)開展魔芋野外觀察、物種鑒定、人工授粉和病原菌鑒定的學(xué)習(xí)和實(shí)操,拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)空,提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度.
依托學(xué)校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),已自建仿真綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目3個(gè);可供線上形態(tài)解剖、檢索鑒定的動(dòng)植物虛擬物種40余種;微視頻4部.其中“花的前世今生”在2022年獲得全國(guó)高校生命科學(xué)類微課競(jìng)賽一等獎(jiǎng),相關(guān)授課內(nèi)容同時(shí)獲得2022年云南省教學(xué)創(chuàng)新大賽一等獎(jiǎng).
學(xué)生在虛擬仿真環(huán)境,可根據(jù)自身需求和喜好,多角度地進(jìn)行重復(fù)學(xué)習(xí),教學(xué)的趣味性、互動(dòng)性和直觀性不僅提升了教學(xué)效率,拓展了教學(xué)信息量、深度和廣度,同時(shí)有利于教學(xué)資源的合理管理和高效利用,凸顯了以學(xué)生為主體的教學(xué)理念,有力推動(dòng)了植物生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革和創(chuàng)新[10-12].基于地方特色植物資源進(jìn)行虛擬仿真軟件的開發(fā)與研制,有利于根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行不同模塊的靈活組合,以滿足學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)方式的需求,指導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)保護(hù)經(jīng)濟(jì)植物資源的科學(xué)意義,增強(qiáng)人與自然和諧共生的生態(tài)文明理念.
虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)的建設(shè)和應(yīng)用,使學(xué)生能夠在短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)掌握魔芋的生物學(xué)特性、物種多樣性、傳粉策略、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和病害防治等知識(shí),有效提升學(xué)生的創(chuàng)新、綜合實(shí)踐和研究性學(xué)習(xí)能力,并促進(jìn)其科學(xué)思維和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)[13-14].此外,它能有效解決實(shí)驗(yàn)實(shí)際操作中的不穩(wěn)定因素,如標(biāo)本采集困難、部分物種難以找到、天氣惡劣導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)推遲等問題.學(xué)生在操作軟件時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)記錄并實(shí)時(shí)反饋,給出客觀成績(jī),豐富了評(píng)價(jià)體系.該項(xiàng)目為虛實(shí)結(jié)合、線上線下混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式提供載體,可為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和植物資源保護(hù)、開發(fā)和利用培養(yǎng)專業(yè)人才.以魔芋為研究對(duì)象,教師指導(dǎo)學(xué)生多次在全國(guó)大學(xué)生生命科學(xué)競(jìng)賽、“挑戰(zhàn)杯”競(jìng)賽及“三創(chuàng)賽”中獲獎(jiǎng),學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合實(shí)踐能力得到顯著提升.
該虛擬仿真綜合項(xiàng)目面向全校生物科學(xué)、生物技術(shù)、小學(xué)教育和化學(xué)制藥等多個(gè)專業(yè)開放,項(xiàng)目的用戶使用人數(shù)已近千人次,學(xué)生滿意度約93%.項(xiàng)目在經(jīng)過修改完善后,將對(duì)省內(nèi)外高校免費(fèi)開放,實(shí)現(xiàn)全面資源共享和持續(xù)發(fā)展.
隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”和數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源將日趨完善和多樣,有效推動(dòng)生物學(xué)及相關(guān)學(xué)科的教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量.魔芋分類鑒定、育種及病原微生物分析綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以地方特色經(jīng)濟(jì)植物魔芋為研究對(duì)象,遵循創(chuàng)新型、科研型和綜合型實(shí)驗(yàn)建設(shè)理念,以學(xué)生為主體,不斷探索“線上線下、虛實(shí)結(jié)合”的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式.該項(xiàng)目既是具有地域標(biāo)簽的個(gè)性化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,又具有廣泛應(yīng)用性,體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)科前沿性和創(chuàng)新性,提升了學(xué)生的創(chuàng)新、研究性學(xué)習(xí)、綜合實(shí)踐能力和生態(tài)文明理念,為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和植物資源保護(hù)、開發(fā)和利用培養(yǎng)專業(yè)人才.該虛擬仿真平臺(tái)仍需要更新和完善已有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,加大新項(xiàng)目的構(gòu)建和積累,拓展教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度,進(jìn)一步提升虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)與實(shí)體教學(xué)的融合,實(shí)現(xiàn)更大范圍的應(yīng)用和共享.
曲靖師范學(xué)院學(xué)報(bào)2023年6期