珍稀植物传粉与保护虚拟仿真教学项目的构建与应用

张金菊， 孙士国， 周 权， 龚思颖， 熊英泽， 李 兵

（华中师范大学a.生命科学学院；b.生物学国家级虚拟仿真实验教学中心；c.湖北省生物学实验教学示范中心，武汉430079）

0 引 言

植物学是研究植物细胞组织形态特征及其生理功能、植物营养及繁殖器官形态结构与发育以及植物界主要分类群系统演化的一门学科，是大学生物类专业以及植物生产类专业学生必修的专业基础课［1］。在植物学有关植物繁殖的教学中，学生更多的是了解繁殖器官的组织形态，对植物繁殖中重要生物学过程（如传粉过程）缺乏了解。植物的传粉是植物获得后代以及种群扩张的保证，是植物生活史过程中重要的事件。由于传粉观察需要在野外进行，特别是一些珍稀濒危的植物的传粉过程更为独特，经常遇到材料和观察对象难以获取的情况，使得珍稀植物传粉生物学的实验教学显得尤为困难。虚拟仿真是解决实验条件不具备或极端环境等问题的有效手段。2019 年“教育部关于一流本科课程建设实施意见”中指出，从2019年到2021 年，完成1 500 门左右国家虚拟仿真实验教学一流课程认定［2］。2017、2018 年教育部批准国家级虚拟仿真实验教学项目403 项，其中生物科学类项目35 项，占比8.68%［3-4］。

兰科植物种类丰富，形态美观，极具观赏价值，大部分兰科植物被列为濒危物种，是物种保护中的“旗舰”类群［5］。兰科植物具有独特的传粉特征，种子往往需要在特定的共生真菌环境下才能生长为成年植株。从达尔文发表《物种起源》以来，兰科植物的传粉和保护一直受到全世界植物学家的广泛关注。生物学国家级虚拟仿真实验教学中心［6-7］，以兰科植物为例，开发了兰科植物传粉与保护虚拟仿真教学项目。该项目促使学生了解以兰科植物为代表的珍稀濒危植物的形态特征、传粉对策与生物多样性保护策略，为今后学习珍稀植物资源、植物保护与管理等课程打好基础，提高学生对珍稀濒危植物保护意义的认识，增强环境友好、生态文明理念。

1 兰科植物传粉与保护虚拟仿真项目构建与应用

1.1 虚拟仿真实验资源建设

以珍稀濒危的兰科植物为例，通过采集其原生生境、植物的形态（包括花部构成、根茎和叶子形态、开花过程等），野外生存状态和生活史（种子库、原地保护、迁地保护、资源开发与利用、种质回归等）等基础数据及图片、视频等资料，采用unity3D、三维数字采集还原、超景深显微摄影、全景摄影、无人机航拍、测绘数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、计算机仿真等技术，将具有代表性兰科植物的形态结构、传粉与生殖策略、濒危机制与保护措施等方面进行虚拟仿真，构建了兰科植物传粉与保护虚拟仿真项目。

项目方法主要包含兰科植物的形态结构观察、不同属植物之间的分析比较、分类检索、生境的鸟瞰和地面观察、传粉方式和传粉过程模拟、保护管理措施浏览以及在线测试等内容。该项目包括形态结构、生境选择、传粉策略、保护管理4 个模块，28 个交互性步骤。此外，还有随堂小知识和在线测试对学生学习效果进行评价，具体的项目框架如图1 所示。

图1 兰科植物传粉与保护虚拟仿真教学项目构架

1.1.1 兰科植物形态结构

任意选取5 种珍稀濒危兰科植物虚拟标本，用鼠标拖曳即可进行整体观察、旋转查看、拖曳缩放、分拆复原等虚拟操作，学生可对兰科植物的花、茎、叶和种子等器官进行形态与结构学习，了解兰科植物的形态特点和演化地位。如图2 所示，本模块设计5 个交互性步骤。

图2 杏黄兜兰花结构解剖虚拟仿真截图

与其他被子植物花形态结构比较：选取8 种被子植物的花器官与兰科植物进行比较观察，通过拖曳缩放、分拆拼合，逐层剥离、结构解剖以及不同植物之间的切换等操作，帮助学生理解、掌握兰科植物几种代表属的分类依据和识别要点。本模块设计有8 个交互性步骤。例如，图3 为玉兰花解剖结构，可以帮助学生了解兰花和其他具有相似形态特征植物的区别。

图3 玉兰花结构观察与解剖虚拟仿真截图

1.1.2 兰科植物生境选择

为帮助学生了解兰科植物的主要生境，将几种濒危兰科植物生长在高海拔亚热带区域，定位到我国云南省。该区域有大量兰科植物分布标识，点击标识热点进入到对应的宏观生长环境，鸟瞰兰科植物原生生境，分析植被、坡度、湿度等环境因子的影响，再进入与航拍点对应的7 个地面观察点，了解不同兰科植物生存条件，如土壤类型、植被郁闭程度、依附植物或共生植物、生长方式等，如图4 所示。本模块设计7 个交互性步骤。

1.1.3 兰科植物传粉策略

进入原生生境还原场景，用户化身为传粉昆虫，使用鼠标和键盘的WASD按键进行方向操作，空格与C键进行升降操作，控制传粉昆虫在几种兰花中寻找食物、配偶或者巢穴等，展示泛化食源欺骗、性欺骗、产卵地欺骗、长喙昆虫等传粉方式，传粉昆虫进入兰科植物的花朵“陷阱”之后，按兰花设计的逃逸路线携带花粉块爬出，然后飞到另一朵兰花，并将花粉块移送到该花柱头上，如出现逃逸失败或昆虫在不同种类的兰花访问时，则判定传粉失败，系统仍然作为有效成绩记录，如图5 所示。本模块设计4 个交互性步骤。

图4 杏黄兜兰等高湿度亚热带生境虚拟仿真截图

图5 传粉者找到杏黄兜兰仿真截图

1.1.4 兰科植物原位保护和迁地保护

点击兰科植物原位保护选项，浏览兰科植物自然保护区的保护措施、管理方法和效果对比分析。本模块设计1 个交互性步骤。点击兰科植物迁地保护选项，浏览代表性兰科植物迁地保护的案例，了解迁地保护的一般步骤和实施方法，如图6 所示。本模块设计1 个交互性步骤。

图6 原位保护虚拟仿真截图

1.1.5 随堂小知识

点击随堂小知识选项，系统将自动对学生的实验操作进行归纳总结，既可复习巩固知识点，强化学习效果，也可记录用户使用进度。本模块设计1 个交互性步骤。

1.1.6 在线测试

仿真实验完成后，学生在线进行答题，将随机从题库中抽取单选题和多选题进行回答，系统自动评定成绩。本模块设计1 个交互性步骤。

1.2 项目建设实施效果

由于兰科植物分布区域的限制、花期的不可遇和珍稀濒危等因素的限制，传统兰科植物实验教学主要以讲授为主，辅以图片、标本等资料，教学的直观性、互动性和趣味性不够，教学效果不理想。该项目通过对兰科植物形态结构、传粉对策、资源保护等核心要素进行仿真，突破了珍稀植物实验材料、原生生境和时空等因素的限制，实现了教学的直观化和互动性，拓展了植物学实验课程关于植物分类、形态适应、传粉策略和资源与保护等教学内容的深度和广度，使原来无法完成的实验内容成为可能，极大地激发了学生的学习兴趣，实现了教学过程从以教师为主体的讲授型向以学生为主体的转变。

1.3 项目开放共享

目前，兰科植物传粉与保护虚拟仿真实验项目面向全校多个专业开放，包括生物科学、生物技术、化学-生物交叉培养班、化学等。截至2019 年，兰科植物传粉与保护仿真项目的用户使用量达到1 300 人次，学生的满意度为91.23%。此外，该项目已对省内外多所高校免费共享应用，实现兄弟院校的资源共享、共同发展。

2 植物虚拟仿真实验建设与应用思考

在传统的植物学实验教学中，由于实验经费有限、很多植物学实验无法开展，开展植物学仿真项目的建设势在必行。作为实体实验的一种补充，虚拟仿真在全世界得到很大发展。目前国内有关植物学虚拟仿真实验项目还比较少，主要建设有国家级虚拟仿真项目，例如2017 年度示范性虚拟仿真项目有，“不同生态区生物学野外实习”“生物学野外实习虚拟仿真”、“珍稀保护药用生物资源研究与应用的综合性虚拟仿真实验教学项目”“光合作用光能的吸收、转化及不同类型植物的光合测定与应用的虚拟仿真”等，2018 年度国家虚拟仿真实验教学项目有“秦岭生物学野外实践教育虚拟仿真实验教学项目”“漳江口红树林植物学实习虚拟仿真项目”“秦岭火地塘植物学综合仿真实训”“细胞动态虚拟仿真实验-被子植物双受精”等［3-4］；此外，还有一些省级或者校级植物学仿真实验项目［8-10］，但是总体而言相比于国外，我国在生物学虚拟仿真教学项目建设上还有较大差距。

在实体教学的基础上，通过虚实结合，在很大程度上能够激发了学生学习兴趣，提高学生的学习效率［11-15］。在目前植物学实验大纲的植物传粉观察实验中，大部分高校由于课时限制以及野外环境的复杂性，传粉实验没有开展或者深度不够，特别是对于珍稀濒危植物的传粉实验较为缺乏。利用现代信息技术，将室外实验可视化，学生可以近距离了解植物的传粉状况，极大地促进了植物传粉实验的开展。对于其他一些植物学实验，例如冷冻切片以及石蜡切片等植物学教学实验也可以参考本文的方法，构建相应的虚拟仿真项目，提升本科植物学实验教学水平，为国家培养更多的生物学人才。

3 结 语

随着5G 技术以及互联网技术的发展，虚拟仿真作为实验教学的一个重要环节，必将得到快速发展，为提升相关学科的教学质量、培养学生科学素养做贡献。兰科植物传粉和保护虚拟仿真项目具有较强的学科前沿性和教学应用性，既提升了实验教学的水平和层次，又加深了学生对生命科学前沿性技术的掌握，也提升了学生实践动手能力和创新能力。