珍稀植物傳粉與保護虛擬仿真教學項目的構建與應用

張金菊， 孫士國， 周 權， 龔思穎， 熊英澤， 李 兵

（華中師范大學a.生命科學學院；b.生物學國家級虛擬仿真實驗教學中心；c.湖北省生物學實驗教學示范中心，武漢430079）

0 引 言

植物學是研究植物細胞組織形態特征及其生理功能、植物營養及繁殖器官形態結構與發育以及植物界主要分類群系統演化的一門學科，是大學生物類專業以及植物生產類專業學生必修的專業基礎課［1］。在植物學有關植物繁殖的教學中，學生更多的是了解繁殖器官的組織形態，對植物繁殖中重要生物學過程（如傳粉過程）缺乏了解。植物的傳粉是植物獲得后代以及種群擴張的保證，是植物生活史過程中重要的事件。由于傳粉觀察需要在野外進行，特別是一些珍稀瀕危的植物的傳粉過程更為獨特，經常遇到材料和觀察對象難以獲取的情況，使得珍稀植物傳粉生物學的實驗教學顯得尤為困難。虛擬仿真是解決實驗條件不具備或極端環境等問題的有效手段。2019 年“教育部關于一流本科課程建設實施意見”中指出，從2019年到2021 年，完成1 500 門左右國家虛擬仿真實驗教學一流課程認定［2］。2017、2018 年教育部批準國家級虛擬仿真實驗教學項目403 項，其中生物科學類項目35 項，占比8.68%［3-4］。

蘭科植物種類豐富，形態美觀，極具觀賞價值，大部分蘭科植物被列為瀕危物種，是物種保護中的“旗艦”類群［5］。蘭科植物具有獨特的傳粉特征，種子往往需要在特定的共生真菌環境下才能生長為成年植株。從達爾文發表《物種起源》以來，蘭科植物的傳粉和保護一直受到全世界植物學家的廣泛關注。生物學國家級虛擬仿真實驗教學中心［6-7］，以蘭科植物為例，開發了蘭科植物傳粉與保護虛擬仿真教學項目。該項目促使學生了解以蘭科植物為代表的珍稀瀕危植物的形態特征、傳粉對策與生物多樣性保護策略，為今后學習珍稀植物資源、植物保護與管理等課程打好基礎，提高學生對珍稀瀕危植物保護意義的認識，增強環境友好、生態文明理念。

1 蘭科植物傳粉與保護虛擬仿真項目構建與應用

1.1 虛擬仿真實驗資源建設

以珍稀瀕危的蘭科植物為例，通過采集其原生生境、植物的形態（包括花部構成、根莖和葉子形態、開花過程等），野外生存狀態和生活史（種子庫、原地保護、遷地保護、資源開發與利用、種質回歸等）等基礎數據及圖片、視頻等資料，采用unity3D、三維數字采集還原、超景深顯微攝影、全景攝影、無人機航拍、測繪數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、計算機仿真等技術，將具有代表性蘭科植物的形態結構、傳粉與生殖策略、瀕危機制與保護措施等方面進行虛擬仿真，構建了蘭科植物傳粉與保護虛擬仿真項目。

項目方法主要包含蘭科植物的形態結構觀察、不同屬植物之間的分析比較、分類檢索、生境的鳥瞰和地面觀察、傳粉方式和傳粉過程模擬、保護管理措施瀏覽以及在線測試等內容。該項目包括形態結構、生境選擇、傳粉策略、保護管理4 個模塊，28 個交互性步驟。此外，還有隨堂小知識和在線測試對學生學習效果進行評價，具體的項目框架如圖1 所示。

圖1 蘭科植物傳粉與保護虛擬仿真教學項目構架

1.1.1 蘭科植物形態結構

任意選取5 種珍稀瀕危蘭科植物虛擬標本，用鼠標拖曳即可進行整體觀察、旋轉查看、拖曳縮放、分拆復原等虛擬操作，學生可對蘭科植物的花、莖、葉和種子等器官進行形態與結構學習，了解蘭科植物的形態特點和演化地位。如圖2 所示，本模塊設計5 個交互性步驟。

圖2 杏黃兜蘭花結構解剖虛擬仿真截圖

與其他被子植物花形態結構比較：選取8 種被子植物的花器官與蘭科植物進行比較觀察，通過拖曳縮放、分拆拼合，逐層剝離、結構解剖以及不同植物之間的切換等操作，幫助學生理解、掌握蘭科植物幾種代表屬的分類依據和識別要點。本模塊設計有8 個交互性步驟。例如，圖3 為玉蘭花解剖結構，可以幫助學生了解蘭花和其他具有相似形態特征植物的區別。

圖3 玉蘭花結構觀察與解剖虛擬仿真截圖

1.1.2 蘭科植物生境選擇

為幫助學生了解蘭科植物的主要生境，將幾種瀕危蘭科植物生長在高海拔亞熱帶區域，定位到我國云南省。該區域有大量蘭科植物分布標識，點擊標識熱點進入到對應的宏觀生長環境，鳥瞰蘭科植物原生生境，分析植被、坡度、濕度等環境因子的影響，再進入與航拍點對應的7 個地面觀察點，了解不同蘭科植物生存條件，如土壤類型、植被郁閉程度、依附植物或共生植物、生長方式等，如圖4 所示。本模塊設計7 個交互性步驟。

1.1.3 蘭科植物傳粉策略

進入原生生境還原場景，用戶化身為傳粉昆蟲，使用鼠標和鍵盤的WASD按鍵進行方向操作，空格與C鍵進行升降操作，控制傳粉昆蟲在幾種蘭花中尋找食物、配偶或者巢穴等，展示泛化食源欺騙、性欺騙、產卵地欺騙、長喙昆蟲等傳粉方式，傳粉昆蟲進入蘭科植物的花朵“陷阱”之后，按蘭花設計的逃逸路線攜帶花粉塊爬出，然后飛到另一朵蘭花，并將花粉塊移送到該花柱頭上，如出現逃逸失敗或昆蟲在不同種類的蘭花訪問時，則判定傳粉失敗，系統仍然作為有效成績記錄，如圖5 所示。本模塊設計4 個交互性步驟。

圖4 杏黃兜蘭等高濕度亞熱帶生境虛擬仿真截圖

圖5 傳粉者找到杏黃兜蘭仿真截圖

1.1.4 蘭科植物原位保護和遷地保護

點擊蘭科植物原位保護選項，瀏覽蘭科植物自然保護區的保護措施、管理方法和效果對比分析。本模塊設計1 個交互性步驟。點擊蘭科植物遷地保護選項，瀏覽代表性蘭科植物遷地保護的案例，了解遷地保護的一般步驟和實施方法，如圖6 所示。本模塊設計1 個交互性步驟。

圖6 原位保護虛擬仿真截圖

1.1.5 隨堂小知識

點擊隨堂小知識選項，系統將自動對學生的實驗操作進行歸納總結，既可復習鞏固知識點，強化學習效果，也可記錄用戶使用進度。本模塊設計1 個交互性步驟。

1.1.6 在線測試

仿真實驗完成后，學生在線進行答題，將隨機從題庫中抽取單選題和多選題進行回答，系統自動評定成績。本模塊設計1 個交互性步驟。

1.2 項目建設實施效果

由于蘭科植物分布區域的限制、花期的不可遇和珍稀瀕危等因素的限制，傳統蘭科植物實驗教學主要以講授為主，輔以圖片、標本等資料，教學的直觀性、互動性和趣味性不夠，教學效果不理想。該項目通過對蘭科植物形態結構、傳粉對策、資源保護等核心要素進行仿真，突破了珍稀植物實驗材料、原生生境和時空等因素的限制，實現了教學的直觀化和互動性，拓展了植物學實驗課程關于植物分類、形態適應、傳粉策略和資源與保護等教學內容的深度和廣度，使原來無法完成的實驗內容成為可能，極大地激發了學生的學習興趣，實現了教學過程從以教師為主體的講授型向以學生為主體的轉變。

1.3 項目開放共享

目前，蘭科植物傳粉與保護虛擬仿真實驗項目面向全校多個專業開放，包括生物科學、生物技術、化學-生物交叉培養班、化學等。截至2019 年，蘭科植物傳粉與保護仿真項目的用戶使用量達到1 300 人次，學生的滿意度為91.23%。此外，該項目已對省內外多所高校免費共享應用，實現兄弟院校的資源共享、共同發展。

2 植物虛擬仿真實驗建設與應用思考

在傳統的植物學實驗教學中，由于實驗經費有限、很多植物學實驗無法開展，開展植物學仿真項目的建設勢在必行。作為實體實驗的一種補充，虛擬仿真在全世界得到很大發展。目前國內有關植物學虛擬仿真實驗項目還比較少，主要建設有國家級虛擬仿真項目，例如2017 年度示范性虛擬仿真項目有，“不同生態區生物學野外實習”“生物學野外實習虛擬仿真”、“珍稀保護藥用生物資源研究與應用的綜合性虛擬仿真實驗教學項目”“光合作用光能的吸收、轉化及不同類型植物的光合測定與應用的虛擬仿真”等，2018 年度國家虛擬仿真實驗教學項目有“秦嶺生物學野外實踐教育虛擬仿真實驗教學項目”“漳江口紅樹林植物學實習虛擬仿真項目”“秦嶺火地塘植物學綜合仿真實訓”“細胞動態虛擬仿真實驗-被子植物雙受精”等［3-4］；此外，還有一些省級或者校級植物學仿真實驗項目［8-10］，但是總體而言相比于國外，我國在生物學虛擬仿真教學項目建設上還有較大差距。

在實體教學的基礎上，通過虛實結合，在很大程度上能夠激發了學生學習興趣，提高學生的學習效率［11-15］。在目前植物學實驗大綱的植物傳粉觀察實驗中，大部分高校由于課時限制以及野外環境的復雜性，傳粉實驗沒有開展或者深度不夠，特別是對于珍稀瀕危植物的傳粉實驗較為缺乏。利用現代信息技術，將室外實驗可視化，學生可以近距離了解植物的傳粉狀況，極大地促進了植物傳粉實驗的開展。對于其他一些植物學實驗，例如冷凍切片以及石蠟切片等植物學教學實驗也可以參考本文的方法，構建相應的虛擬仿真項目，提升本科植物學實驗教學水平，為國家培養更多的生物學人才。

3 結 語

隨著5G 技術以及互聯網技術的發展，虛擬仿真作為實驗教學的一個重要環節，必將得到快速發展，為提升相關學科的教學質量、培養學生科學素養做貢獻。蘭科植物傳粉和保護虛擬仿真項目具有較強的學科前沿性和教學應用性，既提升了實驗教學的水平和層次，又加深了學生對生命科學前沿性技術的掌握，也提升了學生實踐動手能力和創新能力。