被子植物营养器官建成虚拟仿真实验的构建与应用

杜 坤, 郭宾会, 傅媛媛, 骆 乐, 张 彪, 魏万红

(1.扬州大学 生命科学基础实验教学中心，扬州 225009； 2.扬州大学 实生物科学与技术学院，扬州 225009；3.扬州大学 实验室与设备管理处，扬州 225009)

植物学实验是一门十分重要的专业基础课程，也是相关专业学生大学一年级所接触到的第一门实验课，对培养学生良好的学习习惯、科学严谨的学习态度具有重要作用[1-4]。被子植物营养器官的发育是植物学实验中的重点和难点，它要求学生掌握被子植物根、茎、叶营养器官的内外部形态结构特征及其发育过程[5]。在传统的实验教学中，这部分内容通常分2～3个实验项目开设，且在实施的过程中存在以下几个问题：(1)植物生长发育过程动态且连续，仅通过少量玻片标本的观察很难对发育过程有全面的把握；(2)显微结构观察需要借助显微镜，实验的预习、复习和考核不易开展[3,6]；(3)玻片标本只能展示平面结构(横切或纵切)，空间结构特征难以展现；(4)石蜡制片操作流程复杂、耗时长，在有限的学时下通常只能开展视频示教[7]。这些问题严重影响了实验教学效果，制约学生对被子植物营养器官建成相关知识和技能的有效掌握。

“互联网+”的发展，在给人们生活方式带来变革的同时，也为高校实验教学改革提供了新的载体[8-12]。为此，扬州大学生命科学基础实验教学中心自主研发了被子植物营养器官建成虚拟仿真实验(http://zwqgjc.yzu.edu.cn/)，并通过构建和实施“虚实融合”的实验教学模式，打破了时间和空间的限制，克服了传统实验教学的缺点，丰富了实验教学内容，提高了学生的学习兴趣和学习效果。

1 被子植物营养器官建成虚拟仿真实验构建

本着“能实不虚、提升实效”的原则，围绕被子植物营养器官发育教学中存在的上述问题，运用3D、VR和数据库等技术，制作了“被子植物营养器官建成虚拟仿真实验”系统，其功能架构如图1所示。用户可通过PC或智能终端设备访问系统，在进行身份识别后(系统有数据库支撑，可记录学习轨迹和实验成绩等数据)，会引导用户进入不同的功能区开展学习，系统PC端的主界面如图2所示。

图1 被子植物营养器官建成虚拟仿真实验系统架构图Figure 1 The system architecture of the virtual simulation experiment for the development of angiosperm vegetative organs

图2 被子植物营养器官建成虚拟仿真实验系统主界面Figure 2 The main page of the virtual simulation experiment for thedevelopmant of angiosperm vegetative organs

1.1 石蜡制片模块

将石蜡制片流程制作成3D虚拟仿真实验(图3)，供学生随时随地开展在线练习，重点训练学生对整个石蜡制片基本流程及其所涉及设备、耗材等操作的掌握。整个流程包括：取材→固定→抽气→脱水→透明→包埋→切片→烤片→染色→封片→干燥保存等步骤。同时，根据学生的认知规律，将这部分内容以易至难分为3个子模块，分别是观摩制片、虚拟制片和自主制片。三者的区别在于观摩制片不需要用户干预，线性的展示石蜡制片过程；虚拟制片需要互动操作，在提示下通过使用鼠标(或VR设备、数据手套)点击不同的实验元素进行虚拟操作，操作不正确时系统会给出提示；自主制片是在没有提示的情况下让学生自主操作。

图3 石蜡制片3D流程Figure 3 3D virtual simulation experiment for paraffin section

1.2 透视结构模块

以被子植物代表植物陆地棉(GossypiumhirsutumL.)为供试材料，根据陆地棉不同生长发育时期的结构特征，制作了“种子萌发期、子叶期、三叶期和八叶期”的3D仿真棉株，每个时期都包含了外部结构和内部结构。用户可点击右侧菜单中的栏目，分别调出棉花营养器官不同发育阶段各组成系统的3D模型，并通过鼠标点击、拖动和缩放操作实现对陆地棉根、茎、叶的各器官形态结构、组成特征及其在体内的相对位置分布等内容的学习。

在“种子萌发期”3D模型中，包含陆地棉种子的种皮、种孔和胚的形态结构等内容[图4(a)和(b)]。在“子叶期”3D仿真棉株中，包含植株的根系、下胚轴、子叶、顶芽等营养器官的外部形态结构；根的初生结构、下胚轴和子叶柄的解剖结构；皮组织系统、基本组织系统、维管组织系统等内容,见图4(c)和(d)。在“三叶期”3D仿真棉株中，包含根系、胚轴、子叶、顶芽、叶的外部形态结构；茎的初生结构、茎的解剖结构；叶的维管组织系统等内容,见图4(e)和(f)。在“八叶期”3D仿真棉株中，包含根系、叶、芽、茎的外部形态结构；根的次生结构、茎的次生结构；根的次生维管组织系统等内容,见图4(g)和(h)。通过对上述内容的虚拟仿真学习，学生不仅有效掌握陆地棉不同发育时期营养器官各系统的外部形态结构、细胞组成特征等内容，更重要的是还可以对陆地棉皮系统、基本组织系统和维管组织系统在植株体内的位置、空间分布，以及它们之间是如何连接等内容有一个较好的认知。

(a)和(b) 种子萌发期; (c)和(d) 子叶期; (e)和(f) 三叶期； (g)和(h) 八叶期。图4 透视结构模块 Figure 4 The functional module of perspective construction

1.3 数字切片模块

为了客观真实地展现被子植物不同物种、不同发育时期营养器官的典型显微结构，选取包含这些典型结构的玻片标本，使用全自动显微镜在400倍放大倍率下进行数字化全幅扫描，形成了数字切片模块(目前含20余物种，140余张切片)。数字切片模块又包含观摩学习和自主学习2个子功能，观摩学习是对已标注知识点和结构名称的数字切片进行在线学习，而自主学习可以让用户进行结构的自主标注。

本模块界面左侧为切片和知识点选择区，右侧主要为数字切片显示区域(图5)。此外，右下角还可以显示数字切片的缩略图以及当前区域所在的位置，右上角为工具区域，包含缩放和标尺等工具。用户可依次选取器官组织(如细胞、组织、根、茎、叶等)、切片(如棉花茎横切、烟草叶片横切等)和知识点，即可调出某张切片，进行所选知识点结构特征的学习。同时我们使用了分区域加载技术，以解决因切片资源数据大(每张切片为80～200 MByte)而导致的数据加载慢及手机端流量消耗多的问题。

(a)烟草叶片横切; (b)棉花茎横切; (c)左侧功能区。图5 数字切片模块Figure 5 The functional module of digital section

1.4 生理功能模块

植物的不同组织、器官的形态结构特征与其生理功能的发挥密切相关。理解这些组织器官特定的生理过程有助于对其结构特征的掌握，而这部分内容在传统实验教学中是无法观察的。为此，开发了“种子萌发、植物体内养分输导、根茎过渡、维管形成层的发生”等3D生理动画(图6)，形象生动地再现了种子萌发过程，根茎维管组织的连接变化，根茎初生结构向次生结构的转化，营养物质在体内的转运等系统结构变化与生理功能的实现过程，加深了学生对被子植物器官建成动态变化、结构与功能协同作用的理解。

图6 生理功能模块Figure 6 The functional module of physiological function

1.5 器官复位模块

器官复位模块是让用户依次选取各组织器官组成“元件”的3D模型，并按一定的顺序排放，直至拼装成一个完整组织器官的过程。设置此模块的目的是为了进一步加深学生对被子植物维管组织系统，以及表皮、皮层、中柱系统在根、茎、叶中的空间分布及相互位置关系上的理解与掌握。此模块包含了根、茎的初生结构和次生结构的虚拟仿真复位。具体操作：首先点击右侧的栏目，选取你需要复位的器官组织模型，如“根的初生结构”，随即会在左侧物品栏中显示组成根的初生结构的各细胞组织的3D模型；然后，按一定的顺序调用物品栏中的3D模型，并将其放置、拼接到植物体原有的位置上，直至完成所有“零件”的拼装(图7)。如果“零件”选取错误或位置摆放错误，系统会出现错误提示，以引导用户正确操作。

图7 器官复位模块Figure 7 The functional module of organ restoration

1.6 虚拟考核模块

本模块分为“结构特征考核、制片技术考核和器官复位考核”3个部分。学生可点击相应的子栏目，完成对石蜡制片规范性操作流程，器官和细胞组织结构的识别及其在体内的空间分布位置，以及典型显微结构的考核。结构特征考核采用“填图题”形式，学生只要在组织器官3D模型或数字切片对应的空格内填入相应的知识点名称即可完成考核；制片技术考核采用虚拟流程考核形式，在石蜡制片技术虚拟仿真流程中的关键点设置了部分选择题，学生只需根据提示选择相应的答案即可；器官复位考核则需要学生一次性按序完成对应组织器官3D模型的拼装。上述考核均为系统自动判卷，并记录成绩。

除了上述主要的功能模块，本项目中还包含器具与材料、其他辅助资源(文本、图片、视频、2D动画等)、实验报告、交流讨论等模块，以确保项目的完整实施。

2 “虚实融合”实验教学模式的构建

为发挥这些优质虚拟仿真教学资源的优势，提高实验的学习效果，我们将虚拟资源和实体资源相结合，按照实验前、中、后3个阶段，分别在线上和线下开展的教学内容具体化、标准化，形成了“虚实融合”的实验教学新模式(图8)。

图8 “虚实融合”实验教学模式Figure 8 The experimental teaching mode of integration of reality and virtual simulation

实体实验之前，学生通过在线开展石蜡制片3D虚拟仿真操作了解制片的规范化操作流程，通过透视结构、器官复位和数字切片模块的自主学习，初步了解被子植物营养器官结构组成、空间位置分布和显微结构特征。这些线上的预习环节可使学生在实验前对实验内容产生一定的感性认识，在开展实体实验时就可减少对原理、方法等内容的讲解，提升了实验学时的利用效率[3]。同时，学生可随时将实体实验结果与虚拟实验结果进行对比，分析两者的差异及其产生的原因，以查找不足之处；还可利用大量的数字切片资源，对不同生境下被子植物营养器官建成的差异开展探究性学习，提高学生综合运用所学知识的能力。实验后，利用虚拟仿真资源开展自主复习，加深对实验内容的理解，还可开展实验方法、实验结果等内容的在线交流，实验报告在线提交等。“虚实融合”的实验教学模式实现了实验教学内容的扩展，学生参与实验热情的提升和实验学时的高效利用。

3 覆盖实验全流程的形成性实验考核体系的构建

为有效检测学生对实验内容的掌握情况，克服实验考核实施难，成绩评定过度依赖实验报告等问题[13]，我们优化了实验考核内容和考核形式，形成了覆盖实验全过程的形成性实验考核体系(表1)。考核内容主要包含：实验的准备情况、基本技能的掌握情况、实验操作的规范性、对待实验的态度、知识的综合运用情况、实验数据的整理和分析能力等。实验考核的方式主要有实体实验操作、虚拟考核、线上题库考核和实验报告等。

表1 覆盖实验全流程的形成性实验考核体系Table 1 The formative experiment evaluation system covering the whole experiment process

综上所述，为解决传统植物学实体实验教学中存在的问题，我们构建了“被子植物营养器官建成虚拟仿真实验”教学系统，并开展“虚实融合”的实验教学。经过3年的实践，不仅有效拓展了实验教学时空，丰富了实验教学内容，还提高了学生学习的积极性和实验参与度，提升了实验教学效果，学生实验技能掌握情况提高近10%，同时为学生开展自主学习提供了条件。本项目被遴选为国家级虚拟仿真实验教学项目，通过“实验空间”(ilab-x)面向社会免费开放，并得到一致好评。