植物学数字切片虚拟仿真教学系统的构建与应用

张 彪，魏万红，丁海东，吴晓霞，黄金林，杜 坤，潘志明

植物学数字切片虚拟仿真教学系统的构建与应用

张 彪1，魏万红2，丁海东1，吴晓霞1，黄金林1，杜 坤2，潘志明1

（1. 扬州大学 生物科学与技术学院江苏 扬州 225009；2. 扬州大学 实验室与设备管理处，江苏 扬州 225009）

应用C#语言、显微-数码成像技术、电子地图技术、SQL server数据库等软件编程技术与工具，将植物优质玻片标本转化为能够在线拖曳、缩放、浏览、标注的数字切片标本等虚拟仿真资源，使植物显微结构观察实验不必借助显微镜即可进行，为优质玻片标本在更大范围内的共用共享提供了解决方案，实现了植物显微结构观察实验由验证性实验向综合性实验转变。

植物数字切片；数字化标本；虚拟仿真；实验教学

“植物学实验”是生命科学类本科生的第一门专业基础实验课程[1-2]，具有直观性、开放性、综合性、探究性等特征[3]。实验内容是借助显微镜观察玻片标本，学习植物各组成器官在特定发育阶段的细胞、组织形态结构和组成特征。在教学实践中，由于植物器官建成的渐次性、连续性、细胞组织结构发育的不可见等原因[4]，导致难以获取能够反映经典显微结构特征的优质玻片标本和连续、均一的临时玻片标本（如徒手切片）。此外，观察玻片标本必须借助显微镜，使植物显微结构的实验教学受到时空限制。为此，我校结合国家级虚拟仿真实验教学中心和江苏省虚拟仿真共享平台建设[5-6]，建成了可在不同网络终端设备访问的植物学数字切片虚拟仿真教学系统。通过系统中不同植物物种、不同植物器官、不同发育阶段数字切片标本的整合应用，既解决了以往优质玻片标本共享难的问题，又解决了对植物显微结构考核必须借助显微镜、教师与学生“一对一”所产生的实验考核实施难的问题，为慕课、翻转课堂、虚拟仿真实验教学等教学新形态的应用、学生自主型实验学习目标的实现创造了条件[7-9]。

1 植物学数字切片虚拟仿真教学系统的构建

1.1 系统基本架构

要使植物学数字切片虚拟仿真教学系统中的数字切片在“互联网+”背景下得到有效应用，并弥补单一实体实验教学存在的不足，首先要保证植物数字切片实验数据的存储、输出、应用、管理与安全性。为此，笔者从教、学、管3方面入手，以有利于学生自主实验学习目标的实现为出发点，将多年积累的优质植物学玻片标本扫描成像，制作成高像素的数字切片，再应用C#语言、显微-数码成像技术、电子地图技术、SQL server数据库等软件编程技术与制作工具，建成了可在PC、平板电脑、智能手机等网络终端设备上顺畅运行的，包含学生、教师、管理员3个功能区及若干功能模块和250余张数字切片的植物学数字切片虚拟仿真教学系统[10]，实现优质玻片标本在全时空条件下的共用共享。该系统的基本架构如图1所示。

图1 植物学数字切片虚拟仿真教学系统基本架构

1.2 系统的主要功能模块

1.2.1 观摩学习模块

（1）可实现的功能：通过对观摩学习模块中加载的植物数字切片的拖曳、浏览进行观摩，强化学生对描述植物显微结构特征的细胞与组织形态、空间排列及其相互位置关系的理解与掌握。

（2）需加载的素材：与观摩学习模块相配套的数字切片和电子文档。

（3）利用方式：先点击调出细胞、组织、根、茎、叶等章节中的某一数字切片标本；再点击该切片的知识点名称，即可在线完成对该知识点的观摩学习，还可在线或借助显微镜完成虚/实标本的比对学习。

1.2.2 自主学习模块

（1）可实现的功能：通过对模块中加载的植物数字切片的浏览、标注，强化学生对植物显微结构标本读片能力的训练。

（2）需加载的素材：与自主学习模块相配套的数字切片和标注工具。

（3）利用方式：点击调出某一数字切片标本；拖曳、缩放该切片标本，观摩其细胞组织结构组成特征，确定拟标定的区域；点击工具栏，用工具画出拟标定区域的范围，并在系统弹出的浮动面板中填写相关细胞组织结构名称；标注完成后可暂存，或提交给教师批阅。

1.2.3 实验报告模块

（1）可实现的功能：该模块主要供学生在每个章节在线学习后，提交实验报告之用。

（2）需加载的素材：与实验报告相配套的数字切片和标注工具。

（3）利用方式：学生登录访问该模块，从某一章节中自选一定数量的标本并标注，然后点击“提交”即可生成实验报告；教师可在线对提交的实验报告进行批阅评分，并记录学生的成绩。

1.2.4 虚拟考核模块

（1）可实现的功能：通过对该模块中加载的植物数字切片的浏览、标注，检查学生对植物显微结构的掌握情况。

（2）需加载的素材：与虚拟考核相配套的数字切片和标注工具。

（3）利用方式：学生登录访问虚拟考核模块，点击阶段考核和期末考核栏目；系统将按一定规则配置题干、组成试卷；系统依“试卷”题干调出相应“数字切片”标本，并开始考试倒计时；学生点击“题干”调出标本，并在系统弹出的浮动面板中填写标注位置的知识点名称；答题完成后提交试卷（或考试结束时，系统自动收卷），系统自动评分、并计入成绩。

1.2.5 互动交流模块

该模块设计了“发布新帖”“所有帖子”“我的帖子”“我的评论”等栏目，可以通过各栏目实现师生、生生在线交流、讨论与互动。

1.2.6 教学演示模块

教师登录访问该模块，可自主选择拟讲解的数字切片标本；以拖曳、缩放、测距、观摩的方式完成对整张切片的演示与讲解；以线条、图形、箭头、随手画、文字等方式对该标本相关知识点进行标注。所有演示过程都可通过投影设备展示出来，既为显微结构教学显性化的实施提供了载体，也为以学生为主体的实验教学方式和学生自主性实验学习目标的实现创造了条件。

1.2.7 考核分析模块

该模块提供阶段考核试卷查看、期末考核试卷查看、期末考核试卷分析功能。教师可以按条件筛选、查看学生的阶段考核试卷成绩和答题详情，可通过期末试卷中相关知识点的正确率判断学生对显微结构标本的读片识图能力和学习效果。

1.2.8 个人中心模块

该模块设计了“基本信息”“成绩查看”“学习记录”“试卷查看”等栏目，其中“基本信息”栏目可以查看、修改个人信息，修改登录密码；“成绩查看”栏目可以查看阶段考核成绩、期末考核成绩、实验报告成绩；“学习记录”栏目记录学生切片观摩、学习记录，并有续学功能；“试卷查看”栏目可以查看阶段考试、期末考试试卷答题情况。

2 系统在教学中的应用

在实验教学过程中，通过“网络终端设备+实验室”教学情境的构建与应用，实现学生对系统中的数字切片标本和实验室中永久或临时制作玻片标本的协同关注。学生可以对植物显微结构标本“细胞组织结构特征图文信息”持续输入和碎片化学习[11-12]，既丰富了实验教学内容，又为翻转课堂式教学模式在植物学实验教学中的有效应用提供了支撑和保障。

2.1 在网络终端设备上开展虚拟仿真学习

学生利用PC、平板电脑、智能手机等网络终端设备登录植物学数字切片虚拟仿真教学系统，对观摩学习、自主学习、虚拟考核等模块中数字切片标本进行观摩、浏览、标注，既可通过对单张数字切片标本的观摩，完成对相关知识点的“静态”验证性学习，也可通过对多张数字切片标本的比对和观摩，来完成对相关知识点的“动态”综合性学习。

2.1.1 在线静态验证性学习

（1）点击观摩学习模块，从左侧列表中调出一张数字切片标本；再分别点击左侧列表中的知识点名称，并通过鼠标拖曳、缩放来完成对数字切片整体或局部的观察，在线完成对该标本细胞组织形态与排列特征的了解与掌握。

（2）点击自主学习模块，从左侧列表中调出一张数字切片标本；通过鼠标拖曳、缩放，在线完成对该标本整体或局部细胞组织形态与排列特征的观摩，在线标注出该标本所含各知识点的名称及其对应的区域，强化学生对各知识点的理解与掌握。

（3）点击实验报告模块，系统将在某一单元中，依规调出一定数量的数字切片标本，学生通过对标本的观摩、标注形成实验报告后，在线提交报告供教师批阅，通过实验报告检查学生对该单元相关知识点的掌握情况。点击“虚拟考核”模块，系统将依规调出一定数量由数字切片标本组成的阶段或期末考核试卷，学生在线对各标本考点填写知识点名称并提交，系统将自动批改试卷，以此检测学生的读片识图能力。

2.1.2 在线动态综合性学习

围绕一个主题，从系统中调出一组数字切片标本，通过对该组标本细胞组织形态及其排列方式的观摩、浏览、比对和标注，强化学生对结构与进化、结构与生境的协同变化和植物各器官动态发育过程的理解与掌握，从观察植物显微结构的传统的验证性实验拓展为综合性实验。

例如围绕植物“根维管形成层的发生”主题，学生可进入植物学数字切片虚拟仿真教学系统的“根形成层发生”栏目，通过对10余张数字切片标本中的初生韧皮部内侧的薄壁细胞、初生韧皮部与初生木质部之间薄壁细胞、中柱鞘细胞的形态、数量、大小与排列方式的观摩、浏览、比对和标注，完成对维管形成层发生、发展过程的学习，既验证了植物根维管形成层不同发育阶段静态细胞组织结构排列特征，又强化了学生对植物根维管形成层动态发育过程的理解与 掌握。

2.2 在实验室进行自主实验学习

2.2.1 自主比对式学习

在实验室中，学生利用显微镜对临时或永久玻片标本进行观摩学习时，可同步利用智能手机、PC等网络终端设备，从“观摩学习”和“自主学习”模块中调出对应的数字切片进行比对、标注，在减少教师课内示教时间的同时，增加学生自主实验学习的时间（约1/2学时）。学生利用该时间段，既可进行植物同一器官在不同发育阶段或同一器官在不同物种中的显微结构差异性比对，增强其对结构与进化、结构与生境协同关系的理解与掌握，也可通过制作临时玻片标本与其同类永久玻片标本的比对，增强其对活体标本各细胞组织结构原生态色泽的了解与掌握。

2.2.2 开展翻转课堂式学习

在实验室中，教师可利用系统的自主学习模块，选取某一数字切片标本，请学生讲述其结构名称及每一结构的细胞组成特点；教师根据学生所讲内容，从发育学角度提出一些问题请学生回答；最后，请其他学生对该学生所讲内容进行评价，教师做归纳总结。这既实现了教师与学生在实验教学过程中的角色互换，又增强了学生参与实验学习的主动性与积极性，大大地提高了学生读片识图的能力。

3 结语

通过植物学数字切片虚拟仿真教学系统的构建 与应用，既为优质玻片标本在较大范围内的共用共享、脱离显微镜进行显微结构观察实验提供了解决方案，也为翻转课堂等新教学形式在植物学实验教学中的应用提供了支撑，更为植物显微结构观察综合性实验创造了条件。该系统拓展了植物显微结构观察实验教学空间，丰富了学生观察植物显微结构标本的种类与类型，提升了学生对植物显微结构标本的读片能力。但由于每个植物种群都有特定的地域分布，且植物各器官建成过程中的细胞组织动态变化过程不可见，优质玻片标本获取困难，仍需通过优质玻片标本的自制、征集来构建、积累和丰富系统中的数字切片标本，以实现其在更大范围内的应用与共享。

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[12] 刘锋. 互联网+教育的未来发展趋势[J]. 英语教师，2015(9): 6–8.

Construction and application of virtual simulation teaching system for plant digital slice

ZHANG Biao1, WEI Wanhong2, DING Haidong1, WU Xiaoxia1, HUANG Jinlin1, DU Kun2, PAN Zhiming1

(1. College of Biological Science and Technology, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China; 2. Laboratory and Equipment Management Office, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China)

By using the software programming techniques and tools such as C# language, micro-digital imaging technology, electronic map technology, SQL Server database, etc., the high-quality plant slide specimens can be transformed into virtual simulation funds that can drag, zoom, browse and label digital slice specimens online, which can help the experiment of plant microstructural observation to be carried out without the aid of a microscope, provide a solution for sharing high-quality slide specimens in a wider range, and realize the transformation of plant microstructural observation experiment from verification to comprehensive experiment.

plants digital slides; digital specimens; virtual simulation; experimental teaching

Q94-33；TP391.9

A

1002-4956(2019)09-0103-03

2019-02-12

江苏省教改课题（2017JSJG239）；江苏生物技术品牌专业（PPZY2015C212）

张彪（1966—），男，江苏阜宁，硕士，高级实验师，主要从事植物学教学、研究与实验室管理工作。

E-mail: zhangbiao@yzu.edu.cn

潘志明（1972—），男，江苏靖江，博士，教授，院长，主要从事生物学教学与高等教育管理和研究工作。

E-mail: zmpan@yzu.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.026