植物病原真菌侵染过程动画模拟的教学实践

胡小平,郝兴安,商文静,朱俊平,高小宁,黄丽丽,康振生

(1.西北农林科技大学 植物保护学院,陕西 杨凌 712100;2.西北农林科技大学 信息工程学院,陕西 杨凌 712100;3.西北农林科技大学 旱区作物逆境生物学国家重点实验室,陕西 杨凌 712100)

植物病原菌侵染过程及病害流行过程涉及植物保护、农学、园艺、林学等4个一级学科的“普通植物病理学”、“农业植物病理学”、“植物病害流行学”、“种子病理学”、“园艺植物病理学”、“果树病理学”、“牧草病理学”、“草坪病理学”、“花卉病理学”、“森林植物病理学”、“分子植物病理学”、“植物免疫学”等12门课程,是从本科生到博士研究生不同层次的主要教学任务。我校每年教授在校本科生近2000人、硕士和博士研究生近300人,另外植物病理学系还不定期的开展基层植物保护科技人员、果农和菜农的培训工作。这些课程都是高等农业院校植物保护、农学、园艺、林学专业的专业基础课或研究生的学位课,是研究微观和宏观世界客观规律的学科,是针对由真菌、细菌、病毒、植物寄生线虫等生物因素引起的侵染性病害而言的,其研究对象是人们肉眼看不见的病原微生物及寄主植物受害后的病理现象,或者是植物病害发生发展的时间和空间变化过程及影响因素。植物病害在年际间有很大的差异,尤其一些病害在某些年份不发生,其生活史及在田间的为害过程、发生流行特点无法看到。[1][2]

我国植物病理学相关课程的教学模式是以课堂讲授为主,附以简单的实验室及田间观察。在这种教学模式中,教师是传播知识的源泉,教师处于中心位置,学生则是被动接受,课堂上信息的传递方式主要是文字、声音及体态语。对于植物病理学而言,这种教学方法存在以下不足：第一,不能反映植物病害生长发育的系统过程;第二,植物病害的发生发展除受寄主植物和有害生物的作用外,还受到环境因素的影响及人为因素的干扰,在年际之间,地域之间不尽相同,在主要病害被控制后,次要病害又上升为主要病害,这很难在短期内从教材,实验材料,教学挂图等辅助设施上得以补充,使得理论教学与实际脱节;第三,植物病原菌侵染寄主植物的过程属微观过程,无法用肉眼直接观察。如果教师通过三维动画模拟植物病害的发生发展过程,使一些抽象概念形象化、零散知识系统化、微观现象直观化,把计算机多媒体技术、动画技术与传统的教学方法巧妙地结合在一起,精心设计每个植物病害的发生发展过程,来展示知识点,化难为易,可培养学生的学习兴趣,提高教学效果,准确地达到预定的教学目标。

为了克服植物病理学相关课程教学中存在的上述缺陷,自1997年开始,[3][4]我们运用计算机多媒体技术,以 window、Flash、数据库、Photoshop及Borland Delphi等为开发平台,将图象处理技术、声音处理技术、摄影技术、视频插转技术融为一体,以图象、动画、文字说明和声音等相互结合的手段来展现植物病理学相关课程的教学内容,总结多年来的教学经验和科研资料,并参照国际上最新的教学体系,陆续制作了近15种植物主要病原菌侵染植物并引致植物发病的微观过程 (表1)。以苹果黑星病菌 (Venturia inaequalis(Cooke)Wint)侵染苹果叶片引致发病过程的动画模拟为例,[5-8]说明制作过程。

表1 植物病原菌侵染过程动画模拟

一、制作过程

这里以苹果黑星病菌侵染和病害流行过程为例(图1)说明黑星病菌侵染苹果叶片的微观过程。苹果黑星病又称疮痂病 (App le scab),是世界各苹果产区的重要病害之一,广泛发生于除我国以外的世界各苹果产区,具有流行速度快、危害性大、难于防治等特点。黑星病菌主要侵染苹果叶片和果实,也可侵染叶柄、花、萼片、花梗、幼嫩枝条和芽鳞等,严重时造成落叶、落果,受害果实开裂畸形,直接影响苹果的产量、品质及商品价值。在我国渭北旱塬,苹果黑星病菌以假囊壳的形式在苹果落叶中越冬,次年春天在适量降雨或露水条件下子囊孢子开始释放,随气流传播,在角质层和表皮细胞间隙扩展,经过一个潜育期,产生大量的分生孢子,借雨水飞溅并进行多次再侵染传播。这只是一个静态图片,如果动态地展现病原菌侵染过程、寄主组织的病理变化过程和病害流行过程,效果将更好。具体的步骤如下。

图1 苹果黑星病菌侵染过程和病害流行过程线条图

1.制作元件。在绘图纸上绘制苹果黑星病菌的分生孢子、假囊壳、子囊、子囊孢子、分生孢子梗、菌丝、苹果芽、苹果、苹果叶片、落叶树及落叶、苹果叶片横截面等素描图,经扫描仪扫描并保存为位图。新建立一个 Flash文档,单击 【文件】/【导入】/【导入到库】,在打开的对话框中把要导入的图片 (苹果黑星病菌及苹果树相关的图片)一起选中,单击 【打开】,完成图片导入到库面板中。

2.创建动画。默认状态下第一帧是关键帧。单击第一帧,将库面板中的苹果叶片放置在中央位置 (作为背景),从库面板中调入黑星病菌分生孢子,放置在画面的左上角,绘制雨水降落的轨迹,形成一个包含2个分生孢子的水滴,沿着一个水滴飞溅的轨迹正好落在了苹果叶片上 (这个过程给出大约5秒的时间),经过约24小时 (模拟一个大概时间段)后,分生孢子萌发,产生芽管并帖着叶片表面生长 (这个过程给出大约5秒的时间),形成附着孢并产生侵染钉,穿透角质层 (这个过程给出大约5秒的时间),菌丝在表皮细胞和角质层间扩展 (这个过程给出大约5秒的时间)。

二、教学效果

近15年来,在西北农林科技大学教学改革项目的陆续支持下,我们制作完成了15种作物和果蔬主要病害发生为害的微观过程,自2004年开始在涉及植物病理学相关课程中使用。通过对近10年来植物病理学课程考试题的答对率 (正确率)统计分析 (表2),可以看出,“小麦条锈菌侵染过程及吸器特征”试题的答对率从动画教学使用前的40.6%提高到了动画教学使用后的91.5%;“苹果黑星病菌主要传播方式及菌丝扩展部位”试题的答对率从动画教学使用前的1.6%提高到了动画教学使用后的99.5%;“黄瓜霜霉病菌流行的主要因素分析”试题的答对率从动画教学使用前的61.6%提高到了动画教学使用后的97.2%;“马铃薯晚疫病菌孢子囊侵染部位”试题的答对率从动画教学使用前的36.9%提高到了动画教学使用后的97.0%;“玉米大斑病菌引起病变的原因”试题的答对率从动画教学使用前的64.4%提高到了动画教学使用后的94.3%。因此,在植物病理学相关课程中使用动画模拟病原菌侵染植物的过程,可以使微观现象直观化,增强了学生的学习兴趣,同时,大幅提升了植物病理学相关课程的教学效果。

表2 动画教学效果统计表

三、讨论

近15年来,我们课程组在西北农林科技大学教学改革项目、国家级植物病理学教学团队的陆续支持下,并根据植物病理课程的特点,利用科研平台资源将田间病害发生危害现状、不同病害的发生规律和识别特点、不同防治技术和药剂进行收集、整理、加工、分类,按教学内容和课程分别整理,如将大量的病害识别症状照片、病原菌形态识别电镜照片等图片资料、病害侵染过程的二维及三维动画采用教学多媒体、网络等教学形式应用于课堂教学,从而使课堂教学内容更加丰富、直观、具体、生动形象,使微观物体可视化,使零散的知识系统化,使抽象的事物形象化、动画化。实验课使用显微镜CCD成像系统来观察病原真菌形态,播放实验电教片等现代教学手段,使学生能够直观地了解和掌握各种植物病害的诊断症状特点、病原菌形态识别特点等。另外,植物病理类系列课程的省级和校级精品课程、主干课程的教学课件、植物病原真菌形态结构素材库、植物病害症状图片和视频库、病害循环图库和动画库等均在建立的植物病理学网站上展示。通过课堂和网络,促进了学生自主学习的积极性。通过问卷调查以及教学成果质量的分析可以看出运用动画模拟植物病原菌侵染过程教学法后,学生的学习兴趣、积极性均明显提高,变被动学习为主动学习,大大提高了教学效果。

当然,植物病原菌侵染过程动画模拟的教学法在植物病理学专业教学实施过程中还存在一些问题,比如病原菌侵染过程中的一些问题包括寄主在生理生化及信号转导、病原菌的识别机制等涉及分子水平上的细节,如何采用二维或者三维的方式展现,仍需要在今后的科学研究和教学研究中进一步探讨。

[1]马占鸿.植物病流行学 [M].北京：科学出版社,2010.

[2]宗兆锋,康振生.植物病理学原理 [M].北京：中国农业出版社,2002.

[3]胡小平,范三红,杨之为,张管曲,罗都强.多媒体教育面面观[J].西北农林高等教育,1997,(2)：64-65.

[4]张管曲,胡小平,成祥瑞.多媒体教学软件制作初探 [J].高等农业教育,1999,(专刊)：73-75.

[5]HUANG Li-li,KANG Zhen-sheng,Guo Jingquan,YAN Yong-gan,YANG H ua.Development of Venturia inaequa lis on apple leaves observed by electron microscope[J].Mycosystema,2003,22(3)：494-497.

[6]李保华,董向丽,徐向明.苹果黑星病菌在叶组织内的扩展形态 [J].莱阳农学院学报,2005,22(1)：1-4.

[7]胡小平,张吉光,陈婧,周书涛,杨家荣,康振生.新疆野苹果和秦冠的抗黑星病特性[J].植物病理学报,2010,40(6)：609-614.

[8]康振生,黄丽丽,李金玉.植物病原真菌超微形态[M].北京：中国农业出版社,1997.