VR技術(shù)在植物分類學(xué)課程中的應(yīng)用

［摘 要］信息技術(shù)的不斷發(fā)展有效地提升了高校課程的教學(xué)效果，尤其是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）與課程的深度融合產(chǎn)生了劃時(shí)代的教育新范式。高校植物分類學(xué)課程教學(xué)中，為培養(yǎng)學(xué)生分類觀察與分析能力，應(yīng)用 VR技術(shù)，構(gòu)建虛擬植物標(biāo)本館、模擬植物分類環(huán)境、助力野外采集與標(biāo)本制作，可提升植物分類學(xué)課程教學(xué)效果，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與積極性，培養(yǎng)學(xué)生的空間想象力，豐富標(biāo)本資源，拓展課程知識(shí)。

［關(guān)鍵詞］虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；植物分類學(xué)課程；高校；教學(xué)

［中圖分類號(hào)］G712 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A ［文章編號(hào)］2095-3437（2024）12-0046-04

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和三維虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)在醫(yī)療、工業(yè)、教育、交通等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。VR技術(shù)可以創(chuàng)建沉浸式的虛擬環(huán)境和模擬情景，讓使用者可以身臨其境地進(jìn)行交互式學(xué)習(xí)。這對(duì)于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，特別是對(duì)于需要進(jìn)行場(chǎng)景體驗(yàn)的學(xué)科而言，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。植物分類學(xué)是生物類專業(yè)的重要基礎(chǔ)學(xué)科，需要學(xué)生通過(guò)大量標(biāo)本觀察、鑒定來(lái)掌握植物的分類方法與原則。但當(dāng)前的植物分類學(xué)教學(xué)仍然存在一些問(wèn)題，例如，學(xué)生僅僅依靠對(duì)圖片的觀察很難建立起在立體空間中對(duì)植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的直觀認(rèn)知。因此，將VR技術(shù)引入高校植物分類學(xué)課程，對(duì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量具有重要意義。本研究將探討VR技術(shù)在植物分類學(xué)課程中的具體應(yīng)用方式，并對(duì)存在的問(wèn)題及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，以期推動(dòng)VR技術(shù)在生物科學(xué)及相近專業(yè)教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，從而豐富植物分類學(xué)課程的教學(xué)手段，提高教學(xué)效果。

一、VR技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用情況

近年來(lái)，VR技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用日漸廣泛。在自然科學(xué)教學(xué)中，VR技術(shù)可以模擬宇宙空間、細(xì)胞結(jié)構(gòu)、植被生態(tài)等模型，學(xué)生可以身臨其境地觀察各種事物的運(yùn)動(dòng)變化，有助于加深對(duì)抽象科學(xué)概念的理解[1]。在歷史文化課程中，VR技術(shù)可以重建古文明遺址或重要?dú)v史事件場(chǎng)景，幫助學(xué)生通過(guò)虛擬時(shí)間旅行，增強(qiáng)歷史觸感。例如，學(xué)生可以穿越到古羅馬角斗場(chǎng)，親身感受那個(gè)時(shí)代的建筑奇觀和角斗氛圍[2]，這相比于僅僅觀看圖片或視頻無(wú)疑能帶來(lái)更深刻的歷史體驗(yàn)。在語(yǔ)言學(xué)習(xí)中，VR技術(shù)可以模擬真實(shí)語(yǔ)言環(huán)境，如街景、商店、餐廳等，讓學(xué)生通過(guò)沉浸式的角色扮演對(duì)話來(lái)提高口語(yǔ)能力。這種沉浸式學(xué)習(xí)可以降低學(xué)生學(xué)習(xí)外語(yǔ)時(shí)的焦慮情緒，提高其學(xué)習(xí)興趣[3]。在職業(yè)教育、技能培訓(xùn)等方面[4-5]，VR技術(shù)更是將其優(yōu)勢(shì)和潛能展現(xiàn)得淋漓盡致，它可以通過(guò)打造沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境，提供安全的可以反復(fù)練習(xí)的條件，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提升教學(xué)效果，這種創(chuàng)新的教學(xué)模式對(duì)傳統(tǒng)教育產(chǎn)生了深刻的影響。

二、高校植物分類學(xué)教學(xué)課程的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

高校植物分類學(xué)課程以植物的形態(tài)分類知識(shí)為主線，通過(guò)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)兩種教學(xué)形式，使學(xué)生掌握植物形態(tài)特征的觀察與描述方法，了解植物命名法則與分類體系，最終能夠準(zhǔn)確地識(shí)別和鑒定不同的植物分類群[6]。理論與實(shí)踐相結(jié)合是該課程的主要特點(diǎn)，學(xué)生既要掌握植物分類學(xué)的基礎(chǔ)理論，又要具備運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行植物觀察和鑒定的基本技能。

長(zhǎng)期以來(lái)，高校植物分類學(xué)課程較為注重理論知識(shí)的傳授，忽視了學(xué)生分類觀察與分析能力的培養(yǎng)[7]，這與當(dāng)代分類學(xué)研究的新發(fā)展脫節(jié)。具體來(lái)說(shuō)，課程知識(shí)更新不夠及時(shí)，仍停留在傳統(tǒng)的分類體系上；課程設(shè)置過(guò)分強(qiáng)調(diào)記憶，而不足以激發(fā)學(xué)生的分類興趣與主動(dòng)學(xué)習(xí)精神；理論教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用仍有差距；標(biāo)本保存狀況與實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)條件較為欠佳。這些問(wèn)題容易導(dǎo)致學(xué)生在現(xiàn)有的教學(xué)條件下，學(xué)習(xí)效果不佳，限制學(xué)生分類觀察、分析與鑒定能力的培養(yǎng)[8]。因此，有必要通過(guò)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容與方法、豐富教學(xué)手段、完善實(shí)習(xí)條件等方式，使植物分類學(xué)教學(xué)更貼近學(xué)科發(fā)展前沿，以提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

三、VR技術(shù)在高校植物分類學(xué)課程中的應(yīng)用

（一）構(gòu)建虛擬植物標(biāo)本館

利用VR三維建模技術(shù)，可以構(gòu)建虛擬的植物標(biāo)本館。在虛擬標(biāo)本館中，可以按照科學(xué)的標(biāo)本布局（如按分類系統(tǒng)和地域區(qū)系）展示各類數(shù)字化植物標(biāo)本[9]。學(xué)生戴上VR設(shè)備進(jìn)入虛擬標(biāo)本館后，可以自主地在標(biāo)本館內(nèi)翻看所有的虛擬標(biāo)本[10]。同時(shí)，虛擬標(biāo)本館可以模擬真實(shí)標(biāo)本室的光照條件、空間氛圍等，營(yíng)造沉浸式的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境。這可以打破實(shí)體標(biāo)本館的空間限制，實(shí)現(xiàn)標(biāo)本資源的共享，使更多學(xué)生在虛擬環(huán)境中獲得觀察標(biāo)本的機(jī)會(huì)[11]。

VR虛擬植物標(biāo)本是將實(shí)物植物標(biāo)本數(shù)字化建立的三維虛擬植物標(biāo)本，學(xué)生可以通過(guò)VR設(shè)備觀察虛擬標(biāo)本的形態(tài)結(jié)構(gòu)，從而解決實(shí)物標(biāo)本數(shù)量有限、保存狀態(tài)差等問(wèn)題[12]。在VR環(huán)境中，學(xué)生可以自由選擇觀察標(biāo)本的角度和方位，進(jìn)行全方位立體觀察，甚至可以放大標(biāo)本的局部微小結(jié)構(gòu)。同時(shí)，VR植物標(biāo)本還可以展示一些標(biāo)注信息，如植物組織名稱、特征等，輔助學(xué)生學(xué)習(xí)[13]。此外，VR植物標(biāo)本展示還可設(shè)置不同的情景模式，模擬野外環(huán)境，讓學(xué)生身臨其境地觀察虛擬植物標(biāo)本，增強(qiáng)空間想象力和分類鑒定能力。

（二）模擬植物分類環(huán)境

利用VR技術(shù)，可以高度仿真構(gòu)建多種虛擬植物分類環(huán)境，為學(xué)生提供沉浸式的虛擬野外教學(xué)體驗(yàn)[14]。例如，營(yíng)造逼真的熱帶雨林環(huán)境，虛擬植被層次分明，學(xué)生可以深入觀察熱帶雨林中的植物形態(tài)特征；可以構(gòu)建干旱的沙漠環(huán)境，讓學(xué)生觀察沙漠植物的適應(yīng)性狀。同時(shí)，在模擬的人工栽培環(huán)境（如植物園、植物溫室、種植基地等）中，學(xué)生可較好地觀察人工管控下不同植物的狀態(tài)。相比實(shí)際野外教學(xué)的種種限制，VR虛擬環(huán)境可以自主控制季節(jié)、氣候等參數(shù)，全方位展示植物形態(tài)特征，幫助學(xué)生培養(yǎng)立體的植物分類思維。這種沉浸式的虛擬分類環(huán)境，可以彌補(bǔ)現(xiàn)有教學(xué)條件的不足，達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果[15]。

（三）助力野外采集與標(biāo)本制作

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建沉浸式的野外植物采集環(huán)境，是應(yīng)用VR輔助植物分類學(xué)課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。在逼真的虛擬森林、草原、濕地等復(fù)雜場(chǎng)景中，學(xué)生可以身臨其境地使用虛擬工具采集各類野生植物[14]，虛擬植物標(biāo)本涵蓋不同植被類型中的代表種，采集工具能夠?qū)崿F(xiàn)真實(shí)的物理碰撞、切割等效果，而且可以設(shè)置隨機(jī)天氣、動(dòng)物干擾等情境，提高采集難度。學(xué)生完成虛擬野外采集后，可以進(jìn)入功能齊全的虛擬植物標(biāo)本加工室。這里提供按壓機(jī)、烘箱、枝剪刀等虛擬儀器設(shè)備，用于對(duì)采集的虛擬植物進(jìn)行精確的標(biāo)本加工[16]。軟件可以檢測(cè)標(biāo)本制作的精確度，對(duì)標(biāo)本質(zhì)量、壓平效果等給出即時(shí)反饋。虛擬標(biāo)本制作能夠避免損傷真實(shí)植物，實(shí)現(xiàn)資源的保護(hù)與可持續(xù)利用。制作完成的高質(zhì)量虛擬植物標(biāo)本會(huì)上傳到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行統(tǒng)一管理，學(xué)生可以在虛擬植物標(biāo)本館中翻閱自己的采集成果。通過(guò)重復(fù)的虛擬野外采集體驗(yàn)，學(xué)生可以有效培養(yǎng)野外觀察、采集和制作能力。相比現(xiàn)實(shí)的野外采集限制，虛擬環(huán)境的最大優(yōu)勢(shì)在于可以自定義植物分布、氣候、地形等條件，提供系統(tǒng)而全面的野外教學(xué)效果。這種沉浸式的虛擬植物采集與標(biāo)本制作體驗(yàn)，能夠強(qiáng)化學(xué)生對(duì)實(shí)際野外植物進(jìn)行分類的能力，促進(jìn)理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。

四、VR技術(shù)對(duì)植物分類學(xué)課程教學(xué)效果的提升

（一）提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與積極性

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以構(gòu)建高度仿真的沉浸式的虛擬植物分類環(huán)境，讓學(xué)生身臨其境地觀察各類植物標(biāo)本，加深對(duì)不同植物類群的印象，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣[12]。例如，可以利用VR技術(shù)模擬植物的進(jìn)化過(guò)程，讓單細(xì)胞到多細(xì)胞的形成這一抽象知識(shí)變得直觀。在這樣的虛擬環(huán)境中，學(xué)生可以更好地理解植物分類的由來(lái)。此外，VR技術(shù)能夠可視化地呈現(xiàn)植物的分類系統(tǒng)，學(xué)生可以在分類樹(shù)不同的分支上“行走”，對(duì)各分類群的代表植物進(jìn)行觀測(cè)，加深對(duì)植物分類系統(tǒng)的認(rèn)知?？傮w而言，VR技術(shù)通過(guò)沉浸式體驗(yàn)，將枯燥的植物分類知識(shí)轉(zhuǎn)化為新穎的探索體驗(yàn)，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)植物分類學(xué)課程的興趣。

（二）培養(yǎng)學(xué)生的空間想象力

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以高度逼真地模擬植物的三維特征，相比傳統(tǒng)的二維平面教學(xué)能更有效地培養(yǎng)學(xué)生的空間想象力。在VR環(huán)境中，學(xué)生可以自主調(diào)整視角和距離，全方位觀察精細(xì)的三維植物模型，從不同的角度檢視植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)，加深對(duì)其特征的理解。這種自主探索的學(xué)習(xí)方式，極大激發(fā)和增強(qiáng)了學(xué)生的空間思維能力。除了靜態(tài)的三維植物模型，VR技術(shù)還可以模擬復(fù)雜的三維場(chǎng)景，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用和組織空間信息的能力，如根據(jù)周遭植被變化判斷自身方位、繪制思維導(dǎo)圖等。這些虛擬場(chǎng)景還可以設(shè)置隨機(jī)出現(xiàn)的各種動(dòng)植物，學(xué)生需要根據(jù)周邊環(huán)境變化做出快速反應(yīng)，判斷方位，從而增強(qiáng)空間觀察力。VR技術(shù)通過(guò)多種交互式的三維環(huán)境與任務(wù)的模擬，切實(shí)培養(yǎng)和提升學(xué)生的空間想象與思維能力，這對(duì)學(xué)習(xí)準(zhǔn)確分類識(shí)別植物至關(guān)重要。

（三）豐富標(biāo)本資源，拓展課程知識(shí)

由于采集、保存及運(yùn)輸?shù)确矫娴南拗?，許多高校的植物標(biāo)本數(shù)量有限，且種類較為單一，這在很大程度上制約了植物分類學(xué)課程教學(xué)的內(nèi)容拓展。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠構(gòu)建高度仿真的數(shù)字化三維植物標(biāo)本，有效彌補(bǔ)真實(shí)標(biāo)本的種類和數(shù)量不足的問(wèn)題，大幅拓展了植物分類學(xué)課程教學(xué)的知識(shí)范圍。VR技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)快速構(gòu)建包含海量植物圖片的數(shù)據(jù)庫(kù)，搭建出任意數(shù)量的三維植物模型，覆蓋包括珍稀、外來(lái)種在內(nèi)的各類植物，而真實(shí)標(biāo)本則難以做到。同時(shí)，VR技術(shù)能夠構(gòu)建放置在不同的環(huán)境下，如雨林、草原等多個(gè)虛擬場(chǎng)景的植物，從而幫助學(xué)生了解植被分布規(guī)律，突破單一標(biāo)本的限制。此外，VR數(shù)字標(biāo)本還能實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的持續(xù)動(dòng)態(tài)更新，且不像實(shí)物標(biāo)本那樣容易被損壞。因此，VR技術(shù)構(gòu)建的數(shù)字化植物標(biāo)本，在數(shù)量、種類、結(jié)構(gòu)等方面彌補(bǔ)了真實(shí)標(biāo)本的不足，顯著拓展了植物分類學(xué)課程的知識(shí)內(nèi)容。

五、問(wèn)題與展望

當(dāng)前VR技術(shù)在植物分類課程教學(xué)中還存在一些問(wèn)題。首先，VR內(nèi)容制作需要耗費(fèi)較大的人力與物力。植物結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，要構(gòu)建精細(xì)、逼真的三維模型，需要專業(yè)制作人員投入大量時(shí)間，且多次修改調(diào)整細(xì)節(jié)。比如構(gòu)建一株典型的薔薇科植物的模型，需要經(jīng)過(guò)收集圖片、建模、添加紋理等環(huán)節(jié)，至少需要設(shè)計(jì)師耗費(fèi)1～2周的工作量。其次，VR設(shè)備的高價(jià)格也制約了其在植物分類學(xué)課程教學(xué)中的大規(guī)模普及。配備符合要求的VR頭顯、數(shù)據(jù)手套等一套虛擬仿真系統(tǒng)，需要投資數(shù)萬(wàn)元以上，而學(xué)生人數(shù)眾多，很難確保每名學(xué)生獲得獨(dú)立的虛擬實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。最后，VR教學(xué)效果評(píng)估體系還不夠完善。

但是，隨著數(shù)字信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，上述技術(shù)層面的限制正逐步被打破?；谏疃葘W(xué)習(xí)的三維重建算法，可以快速自動(dòng)生成植物模型。比如利用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，只需要輸入菊花的數(shù)十張不同角度的照片，就可以快速生成出高逼真的三維菊花模型。這樣可以大規(guī)模自動(dòng)批量生成不同的VR植物標(biāo)本。此外，新型輕便的VR設(shè)備更易于學(xué)習(xí)使用。以最新一代Oculus Quest 2頭顯為例，它采用便攜一體設(shè)計(jì)，內(nèi)置處理器，不需要額外電腦連接。學(xué)生只需佩戴頭顯，手持操作桿，就可以自由觀察VR中的植物標(biāo)本，提供完整的沉浸式體驗(yàn)。面向未來(lái)，云端技術(shù)支持下的虛擬植物標(biāo)本館能夠提供更加開(kāi)放豐富的VR植物分類學(xué)資源，打破課程地域限制，將深刻拓展植物分類學(xué)課程的教學(xué)模式。學(xué)生甚至可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)位于世界頂尖大學(xué)的云端VR植物標(biāo)本館，自主選擇并深入了解豐富多樣的植物類群，獲得開(kāi)放式的虛擬學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

可以預(yù)見(jiàn)，基于視聽(tīng)技術(shù)的快速發(fā)展，VR技術(shù)支持下的植物分類學(xué)教學(xué)在算法、設(shè)備、內(nèi)容及模式上都會(huì)得到長(zhǎng)足發(fā)展。這不僅將大幅提升學(xué)習(xí)效果，而且將深刻改變和優(yōu)化植物分類學(xué)的教學(xué)模式。

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［責(zé)任編輯：雷 艷］