虚拟仿真技术在植物学野外实习中的应用

童跃伟 原萌 朱婉慧 屈利利 王意 项小燕

摘要  由于传统实验操作存在一些弊端，无法满足现代教学改革对实验实训的需求。为了培养学生的创新精神和实践能力，虚拟仿真技术应运而生。在计算机与网络技术的飞速发展下，虚拟仿真技术得到进一步推广与应用。野外实习是植物学课程开展植物鉴定学习的重要手段和措施，受到诸多因素的制约。在植物学野外实习中运用虚拟仿真技术，增加了学生的实践机会，提高了学生对实验的学习兴趣，加强了学生对理论知识的理解与认知，为植物学课程提供了新思路和新教学模式，且获得了良好的实验教学效果。

关键词  植物学；野外实习；虚拟仿真；教学改革；实践能力

中图分类号  S-01  文献标识码  A  文章编号  0517-6611（2024）09-0279-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.09.060

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Application of Virtual Simulation Technology in Field Practice of Botany

TONG Yue-wei，YUAN Meng，ZHU Wan-hui et al

（School of Life Sciences，Anqing Normal University，Anqing，Anhui 246133）

Abstract  The traditional experimental practice have some disadvantages，so it can not meet the needs of the modern teaching reform to the experiment and practice.In order to cultivate students innovative spirit and practical ability，virtual simulation technology emerges.With the rapid development of computer and network technology，virtual simulation technology has been further promoted and applied. Field practice is an important means and measure of plant identification learning in botany course，which is restricted by many factors.The application of virtual simulation technology in the field practice of botany has increased students practical opportunities，enhanced students learning interest in experiments， strengthened students understanding and cognition of theoretical knowledge，which provided a new idea and a new teaching model for botany course.And a good experimental teaching effect was obtained.

Key words  Botany;Field practice;Virtual simulation;Teaching reform;Practical ability

基金項目  安徽省高等学校省级质量工程项目（2021xnfzxm062）；安徽省重点教研项目（2021jyxm0858）;安徽省示范基层教学组织项目;安庆师范大学校级质量工程项目（2022aqnujyxm45）。

作者简介  童跃伟（1987—），男，安徽芜湖人，讲师，博士，从事植物学与生态学教学改革研究。*通信作者，教授，博士，从事植物学与生态学课程改革与实践研究。

收稿日期  2023-07-17

在植物学实践教学中，野外实习是实验教学的重要内容，是理论课堂教学的扩展。此外，植物学野外实习也可以促进学生对自然的亲近和热爱以及对专业的学习兴趣和动力［1］。由于我国人民生活水平不断提高，学生对生活中的事物了解较少，休闲时间大部分在网上冲浪，有的学生甚至都分不清楚黍子、谷子、水稻、小麦。植物学以及生态学的野外实践可以帮助学生接近自然、了解自然。通过野外实践，学生可以从教室走到大自然中，在丰富多彩的自然界中学习各种植物的种类和形态，这种教学方法更加形象生动。它不仅可以巩固和提高课堂上的知识，而且可以使学生在理论与实践上相结合［2］。但是，野外实习会受到对珍稀植物的限制性采集保护，植物生长发育期与实习期不同步，雷雨、大风等恶劣天气的影响，并且踩踏、采摘对自然保护区生态环境和物种的破坏，野外环境不可预知的危险（毒虫野兽、爬山涉水等），师资不足，经费投入大等因素也制约着野外实习的有效开展，使野外实习难以取得预期的效果［3］。疫情的出现给野外实习增加了难度。

虚拟仿真实验资源来源于国家虚拟仿真实验教学项目共享平台［4］。它为高校在信息化条件下的开放办学和资源共享需求，提供了先进的教学手段、开放的平台和优质的资源，并能灵活地增加各种设计性实验，使学生能够自行设计各种实验方案。它不仅能提升人才的素质，而且能为实验教学的改革与建设注入新的活力和动力。同时，该技术具有投资少、安全性高、能在极端环境下进行实践操作教学，为教学提供了强有力的支撑［5］。虚拟仿真技术激发了学生的学习兴趣，使得线上+线下教学在疫情背景下发挥出更大的优势。“虚实结合”的实验教学培养了学生系统、完整的实验技术，拓宽了学生的学科视野，提高了学生的综合实践能力，加强了信息化与创新能力。

1  植物学野外实践教学中应用虚拟仿真技术的必要性

植物学实验教学主要包括实验室课程实验以及野外植物调查2个部分。从实验室到野外，学生的学习环境发生了改变，使得学生在实践中的接受能力较差，实验过程缺乏连续性和系统性。传统的实验教学方式比较单一，教师讲解配合视频播放，学生常常按照原有的实验技术路线来操作，很难调动其兴趣以及创新性和积极性；野外实习学生常常分小组进行调查，对于植物仅短时被动记忆，课后复习时很难记起原实物，增加了复习困难，很难取得理想的学习效果。受新冠疫情的影响，部分学生不能正常返校参与野外植物调查，且实习地点的范围受限导致学生不能很好地完成拟定的实验任务，进而导致学生对植物群落生态特征以及植物分布的认知比较单一。在标本、切片制作以及花的解剖实验中，也加大了学生对体式显微镜及微距镜头等仪器设备等操作的困难。因此，在植物学实验课程中广泛运用虚拟仿真技术，极大地扩展了实验教学内容，在三维立体的实践环境中通过培养学生的感性认识，使他们能够更好地了解教学内容，从而弥补传统教学方法的缺陷，使植物学的整体学习更加有效。

2  采用新的教学模式，构建虚拟仿真教学实验室

2.1  思路的构建

实验教学被视为培养专业人才的重要环节，特别是在培养具有创新精神和实践能力的应用型人才过程中，应以学生为主体，通过实验来培养学生的思维能力，注重学生对课堂所学知识的实际应用能力［6］。应用创新教育理念，结合虚拟仿真系统进行实验。虚拟仿真系统在植物学的应用主要包括进入实验、实验预习、实验演练、样方选取、植物认知、性状调查、细胞切片、精细解剖、数据分析、实验考核等模块。主要有三大功能：一是使学生能够完全消化和吸收课堂所学知识。教师们在教室配合多媒体投影技术进行线下教学，学生在接受教师指导后，通过记笔记等方式了解实验操作，课下及时通过虚拟仿真系统进行复习演练，在虚拟现实（VR）教学中加深学生对课堂内容的印象。二是对学生开展模拟实训，使学生能够获得真实的操作体验和真实的场景，形象地模拟植物的生长环境和生长发育规律，让学生在虚拟场景中边玩边学，跟着指令操作一步步检索、一点点接受指引，再加上VR技术具有人机交互的功能，能达到视觉、触觉、听觉和嗅觉等感官的真实体验［7］。三是建立资源共建共享机制，通过深化交流与合作、互相学习和借鉴，使虚拟仿真实验教学中心成为实验教学的理念、内容、方法、手段、模式交流与开放共享的重要平台［8-9］。

2.2  高校虚拟仿真实验室的构建

大连大学“仙人洞自然保护区药用植物学虚拟仿真系统”通过人机交互的形式，让学生线上模拟野外植物识别及标本制作的整个过程。实验内容以“仙人洞野外实习虚拟场景”为主线，运用知识点对照虚拟植物模型综合分析并对植物特征进行学习。系统有2种模式：一种是学习模式，另一种是考核模式。學习模式具有高亮光提示及文字提示，考核模式分为学生自主模式和植物库模式。可以查看植物整体和局部以及植物信息（图1a），对采集植物进行作答（图1b）、花的解剖（图1c）和物种记录（图1d）。植物库部分包含实验中所见到的多种植物，其中包括叶、花、果实、种子的高清大图，便于学生查看学习。此外，在不同海拔地区设置样地，对比不同海拔梯度群落植物的分布特征，完成虚拟人物设定，模拟真实的野外植物调查过程。

东北师范大学使用的“森林木本植物群落特性”虚拟仿真软件是一个与大学本、专科生生态学课程相配套的在线虚拟实验教学平台。主要展示学生应用无样地抽样技术中的“中心点-四分法”完成森林木本植物群落特性的研究。通过模拟实验，模拟出实际植物群落特性。研究内容包括种群数量特征统计分析、鉴定等。例如，选择调查路线（图2a）；观察样地树干、树叶、果实等特征，识别出植物的名字，并按照提示将胸径等信息录入（图2b）；在输入信息后可查看鉴定结果（图2c），并将其填入调查数据表格（图2d），填写实验报告。根据指示选定样本，判断植物类型，还可以点击查看该种植物的高清大图。学生边做实验边做记录，实验结束时进行提交，同时教师还可以通过教学平台对学生作业进行批改、在线解答和打分。该平台可以加强师生线上互动，高效地实现高质量线上实验教学操作。

中山大学“植物群落野外实习”系统增加了预习模块，在正式演练前对实习工具、测量方法、数据分析等进行讲解，根据实验提示选择调查样方，并利用工具完成调查任务。采用三维仿真模式，同时借助2D图像和植物简介，从多个角度进行植物特征观察，全面认识各阶段植物的特性（图3a）。可分别利用乔木层、灌木层、草本层样方进行数据采集，掌握群落数量性状（多度、盖度、频度、高度等）测定方法（图3b），保证调查数据的完整性，并对调查资料进行初步数据整理，根据重要值、物种多样性以及生物量分析等方法，计算出相应结果，学习数据分析方法，达到识别分析群落的目的（图3c）。实验模拟测试确认提交后，系统会自动反馈出成绩、得分与失分项（图3d），便于学生在模拟测试中了解自己的实际操作知识，以提高自己的学习效果。

大学实验教学必须积极主动地适应新技术的变革，以开放、适应、引领的态度与行为来应对虚拟现实教学改革。以网络开放虚拟仿真实验项目为契机，促进高质量资源的共享［9］。

2.3  疫情常态化下的虚拟教学

虚拟仿真实验资源来自国家虚拟仿真实验教学项目共享平台，在新冠疫情期间由于学生不能返校，无法动手开展实验，在线虚拟模拟实验充分利用了它的优点，解决了无法进行线下实验教学的问题。虚拟模拟实验与微型课程的有机结合是目前开展网上实验教学较好的方法。

在疫情初发阶段，许多高校由于疫情被迫取消了班级野外实习，学生与自然的联系变成了书上的文字以及多媒体上的照片视频。自然中的许多植物都未曾见过，植物鉴定以及植物分类等方面的实践很少。随着疫情常态化，虚拟仿真技术越来越普遍，许多高校积极开展虚拟系统的操作研发，虚拟仿真技术在教学中得到进一步推广与运用。采用突破常规实验的方式，学生可以在任何时间、任何地点登录虚拟仿真实验室，选择合适的实验项目，进行模拟实验［10］，有效应对了疫情导致的野外实操推迟甚至取消，使野外实验在实验室也可以顺利进行。

3  植物学虚拟仿真实验课程教学总结

植物学虚拟仿真实验课程具有以下优势：①通过三维立体模型加强学生的植物认知。通过植物三维立体模型，直观认知掌握植物的形态结构特征和鉴别、鉴定方法。②虚拟场景，真实感受。通过虚拟自然生态场景，了解植物的生长状态、生活环境、分布特点。③降低外界因素对实践教学的干扰。避免天气因素、限制性采集、多数植物开花结果期与实习时间不同步对实践教学效果的影响。虚拟仿真实验可以与实践教学进行互补，是有效完成实习计划的重要保证。④为学生创造灵活的学习方式。学生能够灵活自主地选择学习时间、地点，有效合理地学习，提高实践认知效果。⑤提高学生的学习兴趣。3D动画以及虚拟仿真自然保护区天然实景，学习过程生动直观，改变了枯燥的植物特征识别学习方法。⑥先虚后实，虚实互补，加强实习效果。通过先期校内野外实习虚拟仿真实训教学，使学生在掌握野外实习的基本知识要点后，带着探究的目的接近真实的野外实习，可为达到良好的实习效果奠定基础。在实习过程中，也可以随时随地登录虚拟系统，虚实对照，以虚补实，虚实结合，将植物学理论知识与实际知识有机结合，加强实习效果。

然而，虚拟仿真实验课程目前也存在一些不足之处：①数字化切片、花的解剖等操作性步骤并未被广泛运用。增加对单子叶植物、双子叶植物根茎以及一些植物叶片及果实表皮组织等虚拟切片的制作，使得学生可在虚拟系统中对植物从整体到局部、从宏观到微观的观察。对于花的解剖部分，可以在系统中指导学生运用体式显微镜绘制出精细解剖图。②虚拟仿真实验平台的音效有待加强。操作环境的音效可以更加逼真，比如增加鸟类的鸣叫以及风吹树叶“沙沙”的声音，使实验操作过程更加接近自然。③操作过程仅显示“本人与提示”功能。同学之间缺乏交流互动，缺少团队合作。④占用内存大，在实际操作中可能会出现卡顿和闪退等现象，需要后续进行解决。⑤目前虚拟仿真技术平台并未被广泛普及。部分高校依然面临平台资源不足或匮乏的问题，应该建立各大高校虚拟仿真平台资源共享体制。

近些年，国内外有关植物学实验教学改革根据自身教学特点和教学现状，从实验室建设、教学方法、考核方法等方面进行了探索［11］。由于新冠疫情的出现，各大高校都对新型教学方式进行了多次探索与尝试，在虚拟仿真技术的运用下，将传统的“以教促学”方式转变为学习者通过与技术信息互动来获取知识技能的学习方式，并取得了明显的成果。各大高校与企业相互协作，促进高校实验教学信息化更好、更快发展。在新时代背景下，充分发挥教育信息化的独特优势，为我国教育事业贡献新的力量，开辟新的人才培养路径。

参考文献

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［3］ 徐冰，雷维蟠，王宁，等.鸟类识别与野外工作方法虚拟仿真实习教学系统的设计［J］.实验技术与管理，2018，35（10）：113-116，139.

［4］ 王卫国，胡今鸿，刘宏.國外高校虚拟仿真实验教学现状与发展［J］.实验室研究与探索，2015，34（5）：214-219.

［5］ 张敬南，张镠钟.实验教学中虚拟仿真技术应用的研究［J］.实验技术与管理，2013，30（12）：101-104.

［6］ 杜月林，黄刚，王峰，等.建设虚拟仿真实验平台探索创新人才培养模式［J］.实验技术与管理，2015，32（12）：26-29.

［7］ 杨坤杰，刘悦林，刘燕，等.“以学生为中心”的教学理念在高校实验教学中的应用［J］.实验室科学，2022，25（1）：237-240.

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［9］ 胡今鸿，李鸿飞，黄涛.高校虚拟仿真实验教学资源开放共享机制探究［J］.实验室研究与探索，2015，34（2）：140-144，201.

［10］ 高东锋，王森.虚拟现实技术发展对高校实验教学改革的影响与应对策略［J］.中国高教研究，2016（10）：56-59.

［11］ 成丹，崔瑾，王庆亚，等.植物学虚拟实验平台的构建及应用［J］.实验室研究与探索，2016，35（2）：62-66.