大豆生长发育光周期响应虚拟仿真实验的开发与应用

汪梦旭, 胡 原,2, 李 兵,2, 杨万年

(1. 华中师范大学 生命科学学院, 湖北 武汉 430079；2. 华中师范大学 国家级生物学虚拟仿真实验教学中心, 湖北 武汉 430079)

大豆生长发育光周期响应虚拟仿真实验的开发与应用

汪梦旭1, 胡 原1,2, 李 兵1,2, 杨万年1

(1. 华中师范大学 生命科学学院, 湖北 武汉 430079；2. 华中师范大学 国家级生物学虚拟仿真实验教学中心, 湖北 武汉 430079)

为解决“大豆生长发育光周期响应”实验周期长的问题,将该实验转化为可突破时间与空间限制的虚拟仿真实验。在阐明实验原理、实验目的及实验步骤的基础上,介绍了该虚拟仿真实验的功能与效果及其建设方法。学生通过虚拟仿真实验能够理解光周期在植物生长发育中的调控功能,并提高生物实验素养。该文还讨论了虚拟仿真实验存在的优势与不足,并提出了教学建议。

光周期； 虚拟仿真； 大豆生长实验； 实验教学

生物学是自然科学中的一门基础学科,实验教学是生物学教学不可缺少的一部分。通过实验能丰富、活跃学生的科学思维,培养学生分析与综合的能力及创造性思维能力。大量事实证明,在实验中验证过的理论知识,学生理解得比较透彻、记得更加牢固,也能在需要时灵活应用[1]。

光周期在植物花期中的调控功能是植物学课程教学中的重点和难点,也是植物学的研究热点。虽然这一知识点在植物学与植物生理学课程教学中都会安排一定时间讲解,但是由于植物对光周期响应持续的时间较长,难以在普通课堂实验教学中完成。

虚拟仿真实验是随着现代计算机技术的进步和发展而产生的一种实验模式,它主要借助于仿真、虚拟现实、多媒体等信息技术,在计算机上营造一种可以辅助、部分替代或全部替代传统实验的虚拟实验环境[2]。它在时间与空间上对教学系统进行了扩展,克服了传统教学中的时空障碍[3-4]。利用Flash和Unity3D技术将“大豆生长发育的光周期响应”实验转换成虚拟仿真实验，可以有效弥补传统实验教学中的不足。

1 实验简介

光周期是调控植物生长与发育的重要环境因素之一,特别是很多植物的开花需要特定光周期的诱导,因而在开花生理上将植物分为短日照植物、长日照植物、日中性植物。对光周期敏感的植物开花需要一定的临界日长。临界日长是指昼夜周期中诱导短日照植物开花所必需的最长日照或诱导长日照植物开花所必需的最短日照[5]。因此,短日照植物在长日照条件不开花(或者开花被极端延迟),导致植物长期处于营养生长阶段,而长日照植物在短日照条件下也不能开花[6]。

本实验需要利用自然环境(室外)光周期的季节性变化来探究大豆生长发育的光周期响应。主要探究3个问题:

(1) 通过实验研究说明大豆在光周期诱导开花方面属于哪种类型的植物,即长日、短日、日中性植物；

(2) 不同月份种下的大豆开花时在茎、叶的形态、大小方面有无差别；

(3) 不同月份种下的大豆在开花时,花的结构方面有无差别。

“大豆生长发育的光周期响应”实验步骤如下:

(1) 用盆栽的方法播种大豆,用记号笔标记播种日期,每盆先播种10粒种子,子叶展开后选留生长一致的幼苗3株；

(2) 每隔1个月播种一次大豆并观察和记录大豆植株生长发育状况,例如大豆子叶出土、原始真叶长出、复叶长出、胚芽发育成茎和叶、幼叶不断长大、子叶慢慢消失、叶腋内长出分枝幼芽,总结不同时期大豆植株的特点；

(3) 等待大豆植株开花,观察并测量结果,分析数据,得出结论[7]。

2 实验功能与效果

“大豆生长发育光周期响应”虚拟仿真实验利用Flash和Unity3D技术构建大豆播种过程动画、大豆植株生长发育过程动画、数据测量过程动画以及大豆花解剖过程动画等虚拟仿真资源。学生通过网络终端设备自主操作虚拟仿真实验,熟悉实验过程、了解大豆植株各结构的特点、学习测量方法、观察大豆花部各器官典型结构特征；在虚拟仿真实验中设置了交互式习题,帮助学生巩固知识点。

在开始实验之前,学生可先点击查看“实验目的”和“实验原理”,然后再进入虚拟仿真实验操作,实验界面如图1所示。虚拟仿真实验分为播种、测量和解剖3个模块,学生可以自主选择模块进行虚拟实验操作。每个模块都有Tips、操作提示和任务(计分)3个栏目,并且可以选择回顾之前的操作或继续下一步操作。

图1 “大豆生长发育的光周期响应”虚拟仿真实验界面

(1) 播种。在“播种”模块,学生需要拖动或点击“洒水壶”“记号笔”“花盆”“小铲子”和“大豆”，模拟大豆播种过程。播种之后,动画播放大豆生长过程。在这个过程中,“Tips”将介绍大豆的生长状况、大豆植株的结构特征和大豆的结构细节。此外,虚拟仿真实验还会以选择题形式呈现任务,帮助学生巩固重要知识点。实验结果为不同月份种下的大豆在同一个时间段陆续开花,学生需要结合所学知识自主分析得出大豆在光周期诱导开花方面属于哪种类型的植物。在“播种”这一模块中,学生不仅可以通过虚拟实验操作学习大豆的播种方法,而且可以直观体验大豆生长发育的整个过程、细致观察大豆植株的结构特征,了解大豆植株在开花之前的营养生长状态。

(2) 测量。为了探究不同月份种下的大豆开花时茎的差别,可以通过计算主茎长和主茎节间数目、测量主茎的周长等方法进行实验。在“测量”模块,软件界面会显示测量部位、测量工具和测量方法。在实验操作过程中,学生需要思考为何要选择该种测量方法以及如何进行正确地测量。学生需要模拟数据的记录和处理的过程,并以表格形式提交实验数据。表格中呈现的数据是实体实验测得的真实数据,学生需要对最后呈现的数据进行自主分析并得出结论。学生通过虚拟仿真实验的模拟测量和数据分析,不仅可以加深对课堂上所学的理论知识的理解,而且可以培养对植物生长的观察能力和分析能力,培养实事求是、严肃认真的科学态度以及良好的实验素养[1]。

(3) 解剖。为了探究不同月份种下的大豆开花时花的结构方面有无差别,可对大豆花进行解剖实验。在“解剖”模块,要求学生先回顾解剖花应遵循的原则(顺序),然后通过虚拟仿真实验操作及动画演示学习大豆花的解剖步骤及方法。之后,呈现大豆花在显微镜下的解剖图,并在解剖图中标明大豆花各部分的结构名称。最后,学生根据虚拟仿真实验撰写实验报告,思考需要探究的问题。学生通过虚拟仿真实验模拟大豆花的解剖过程,不仅学习了大豆花的结构,而且可以认识到不同月份播种下的大豆植株在花结构上无明显差异。

“大豆生长发育的光周期响应”虚拟仿真实验属于低成本但耗时长的实验项目,利用虚拟仿真实验资源,学生对植物光周期响应的理解更加准确。大豆为短日照植物,但作为栽培品种,有不同程度敏感性的品种存在,且不同纬度的光周期对同一品种的植株性状有影响。这些差异能够帮助学生理解这一现象的绝对性与相对性[8]。而且,通过对大豆全生育期的形成态与结构解剖观察,学生能够提高解决实际生产问题的能力(例如对大豆生长发育时期的鉴定等)。最重要的是,该虚拟仿真实验可以起到科学训练的作用。例如,最简单的测定叶长等形成学研究就需要确定测量标准，学生需要全面思考,找出最科学且能实际操作的标准。

综上,将“大豆生长大于的光周期响应”探究实验转化为虚拟仿真实验,能较好地解决需长时间实时观察大豆植株生长过程以致实验教学安排难、甚至无法安排等问题,弥补了传统教学的不足。

3 虚拟仿真实验建设方法

“大豆生长发育的光周期响应”虚拟仿真实验资源的建设可以分为前、中、后3个时期。

前期建设主要是选定合适的建设项目和撰写项目申请书。项目申请书要说明项目意义、项目内容、实施计划及考察指标等。项目申请通过之后开展实体实验,收集虚拟仿真资源建设所需的素材。

在建设过程中,利用文字、照片、视频等详细记录实验操作的每一个步骤及植株的生长状态、结构细节。在项目实施的同时,撰写虚拟仿真实验软件的脚本。脚本主要是该虚拟仿真实验的情景设计,包括场景设计、交互设计、反馈设计、导航设计等内容[9]。

实验建设后期,对所有的素材进行整理,同脚本一起发送给软件制作公司开始制作虚拟仿真实验软件。软件制作的过程是一个不断交流反馈与修改完善的过程,这个过程需要学校领导、教师和学生的共同参与,给出不同的修改意见,将修改意见清晰明确地反馈给制作公司,协作完成虚拟仿真实验教学资源的建设。

“大豆生长发育光周期响应”虚拟仿真实验教学资源建设流程图如图2所示[10]。

图2 大豆生长发育光周期响应虚拟仿真实验教学资源建设流程图

4 讨论

学生可以根据需要选择“大豆生长发育光周期响应”虚拟仿真实验的任意模块进行学习,满足自主化、个性化学习需求。该虚拟仿真实验在对学生的基本实验操作和实验技能进行训练的同时,将许多植物学知识点融入虚拟仿真实验中,既有较强的交互性,又丰富了学习内容。虚拟仿真实验界面美观、画面生动、色彩鲜艳、沉浸感强,在虚拟仿真实验中设置有形成性评价,可以提高学生的学习兴趣。

美国视听教育专家爱德加·戴尔的“经验之塔”理论认为：人类的认知途径和规律是从“做的经验”到“观察的经验”再到“抽象的经验”,只有遵循这种从简单到复杂、从形象到抽象,形象和抽象相结合的认知规律,才能达到最佳的学习效果。学生利用“大豆生长发育光周期响应”虚拟仿真实验进行学习得到的是“观察的经验”,不能完全真地实反映现实情况,难以达到最佳的学习效果[11]。因此,虚拟仿真实验不能完全替代实体实验[12]。对于因实验周期长而无法在普通实验课程中开展的简单实验,教师应鼓励学生在课余时间进行自主实践,从而达到“虚实结合”的目的,提升学习效果。

References)

[1] 程敏熙,赵芝孟,颜巧莹.简论高等学校理论教学与实验教学的关系[J].实验技术与管理,2001,18(2):187-188.

[2] 廖维华,郭新宇,温维亮,等.作物栽培虚拟仿真实验教学系统的设计与实现[J].实验技术与管理,2016,33(11):150-152.

[3] 王建平.论虚拟实验在基本操作型实践性教学环节中的优势[J].长沙航空职业技术学院学报,2006,6(2):26-27.

[4] 黄荣怀,郑兰琴,程薇.虚拟实验及其学习者可信度认知[J].开放教育研究,2012,18(6):9-15.

[5] 潘瑞炽.植物生理学[M].北京:高等教育出版社,2004.

[6] 简波.光周期相关基因在大豆成花诱导与开花逆转中的表达[D].兰州:兰州大学,2008.

[7] 刘旭,张翠丽,迟春明.园林生态学实验与实践[M].成都:西南交通大学出版社,2015.

[8] 欧红梅,孙以美.光周期对大豆生长发育的影响[J].安徽农业科学,2000,28(5):587-588.

[9] 王佳婧.虚拟实验开发与应用研究[J].软件导刊,2013,12(8):191-192.

[10] 戴玉婷.学习型虚拟实验资源的设计与实践研究:以高中物理为例[D].成都:四川师范大学,2016.

[11] 王济军,魏雪峰.虚拟实验的“热”现状与“冷”思考[J].中国电化教育,2011(4):126-129.

[12] 沈亦红.论物理虚拟实验与真实实验的互补作用[J].中国电化教育,2004(7):42-44.

Development and application of virtual simulation experiment on photoperiodic response of soybean growth and development

Wang Mengxu1, Hu Yuan1,2, Li Bing1,2, Yang Wannian1

(1. College of Life Sciences, Central China Normal University, Wuhan 430079, China; 2. The National Biology Virtual Simulation Experimental Teaching Center, Central China Normal University, Wuhan 430079, China)

In order to solve the problem of the long cycle for the Photoperiodic Response of Soybean Growth and Development experiment, this experiment is transformed into a virtual simulation experiment which can break the time and space limitations. On the basis of elaborating the principle, purpose and procedure of the experiment, the function and effect of the virtual experiment and its construction method are introduced. Through the virtual simulation experiment, students can understand the regulative function of the photoperiod in the plant growth and development, which improves the students’ biological experimental literacy. This paper also discusses the advantages and disadvantages of the virtual experiment and puts forward some teaching suggestions.

photoperiod; virtual simulation; soybean growth experiment; experimental teaching

2017-06-16

2016年度华中师范大学中央高校基本科研业务费专项资金项目(科研成果转化实验教学内容类)

汪梦旭(1993—),女,浙江台州,硕士研究生,研究方向为生物学教学

E-mail：542100209@qq.com

杨万年(1968—),男,湖北长阳,博士,教授,硕士生导师,主要研究方向为植物学.

E-mail：yangwn@mail.ccnu.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.034

Q944.3

A

1002-4956(2017)12-0142-04