特色植物魔芋綜合虛擬仿真實驗的構建與實踐

韓利紅,田雪蓮,高 永,張延安,郭麗紅,劉 潮

(曲靖師范學院 生物資源與食品工程學院，云南 曲靖 655001)

在《教育信息化十年發展規劃(2011—2020年)》頒布的十年間,教育信息化發展迅速,取得了一系列重要成果,《中國教育現代化2035》《教育信息化2.0行動計劃》等政策進一步推動了教育教學與數字技術的深度融合,虛擬仿真正是數字化教育高質量發展的重要基石[1-2].生物科學和技術的研究新成果不斷涌現,展現出巨大應用前景.傳統生物實驗教學以單一驗證性實驗為主,不能滿足數字新時代人才培養的高標準,亟待將科研項目和成果轉化為綜合設計型實驗[3].本研究以云南高原特色植物魔芋為研究對象,將植物學領域重要的實驗技術和教師科研課題融入到綜合實驗設計中,使學術研究前沿與本科實驗教學相長,樹立科教融合培育人才的理念,將高校豐富的科研資源有效轉化為優質教學資源,努力培養創新型人才.

植物生物學是生物學相關專業第一門集理論、實驗和實踐為一體的核心基礎課程,旨在使學生認識植物基本結構和系統發育規律,樹立最基本的生命觀念和科學思維[4].在植物分類學教學中,筆者所在教學團隊基于中國本土尤其地方特色植物多樣性,全方位重構、深化和拓展教學內容,滿足學生對當地常見植物的認識和了解,體現社會熱點和焦點,注重理論聯系實踐[5].該虛擬仿真項目選擇經濟價值和科學意義比較高的本土特色植物魔芋為研究對象,借助軟件將各種實驗教學要素轉化為操作程序,遵循創新型、科研型和綜合型實驗建設理念,以大實驗的模式使學生在短時間內系統掌握魔芋的生物學特性、物種多樣性、傳粉策略、經濟價值和病害防治等,旨在提升學生創新、研究性學習和綜合實踐能力及生態文明意識.

魔芋隸屬天南星科(Araceae)魔芋屬(Amorphophallus)多年生宿根草本植物,是極具開發潛力的經濟作物和種質資源,在食品、醫藥和工業等領域發揮重要應用價值,有待對其物種資源開展保護、開發和利用工作.魔芋在全世界約170余種,云南因其獨特的地理環境和氣候條件,分布有魔芋10余種,我校魔芋研究團隊收集了大量魔芋種質資源,成功在溫室栽培,并開展了魔芋譜系遺傳和病原菌相關研究,已取得一系列成果[6-8].魔芋作為云南本土特色植物資源,很適合作為植物生物學實驗教學材料.但是受季節影響,在植物分類實驗中,很難在固定時間段獲得不同魔芋物種的新鮮材料.該虛擬仿真軟件的開發與研制,可滿足在不同教學周期開展魔芋分類鑒定、人工授粉和病原菌實驗的學習和實操,有利于根據實驗要求進行不同模塊的靈活組合,以滿足個性化學習方式的需求.野生植物保存著豐富的遺傳資源和基因多樣性,將中國本土特色植物資源融入植物生物學實驗,可向學生傳達保護自然、人與自然和諧相處的發展理念,為建設生態文明和美麗中國培養接班人.

1 虛擬仿真項目構建和應用

1.1 虛擬仿真實驗資源建設

該實驗以六種魔芋為研究對象,分別為花魔芋(Amorphophalluskonjac)、滇魔芋(A.yunnanensis)、西盟魔芋(A.krausei)、白魔芋(A.albus)、東亞魔芋(A.kiusianus)和東京魔芋(A.tonkinensis),通過野外調查記錄以上物種的原生生境和植物形態(葉、莖、花序、果實、種子)等,并將代表性健康植株移栽至溫室.根據基礎數據、圖片和實驗操作視頻,利用Unity3D、全景攝影、三維數字采集還原和計算機仿真等技術,構建魔芋分類鑒定、育種及病原微生物分析綜合虛擬仿真實驗.仿真教學平臺的架構由權限不等的三個功能區組成,分別為學生功能區、教師功能區和管理員功能區;每一功能區下設置不同模塊,以完成相應任務(圖1).實驗包括野外觀察、魔芋鑒定、人工授粉、病原菌鑒定四個模塊和38個人機交互環節,可在臺式計算機、平板電腦或智能手機等網絡終端設備運行.實驗內容綜合了植物學、微生物學、生物育種學和教師科研課題等重要學科內容,兼具代表性、拓展性和前沿性.

圖1 虛擬仿真實驗項目功能模塊構架

用戶登錄賬戶和密碼,通過訪問虛擬仿真實驗平臺,可全方位鳥瞰魔芋生境,身臨其境地在林中搜尋不同種類魔芋,降低野外出差采樣的風險;還能在線規范解剖不同魔芋的佛焰花序,完成對關鍵植物分類術語的學習和實踐,完成在線測試,并在線撰寫和提交電子實驗報告.教師能夠實時監控和指導學生的操作,針對實驗中集中出現的問題,師生和生生可開展線上討論.

1.2 虛擬仿真實驗混合式教學

以學生為主體,基于實驗預習、線上虛擬、實體學習、課后拓展、過程性評價和教學反思的完整教學周期,為虛實結合、線上線下混合式教學提供載體(圖2).

圖2 虛擬仿真實驗教學內容框架和流程

1.2.1 課前實驗預習

課前,教師通過學習通或雨課堂等智慧工具布置實驗預習任務,學生結合實驗背景、目的和原理以及知識拓展,了解魔芋屬簡介、魔芋分類特征、六個物種介紹、應用價值、病害防治及保護利用等,為虛擬仿真實驗的學習和操作提供理論基礎.

1.2.2 野外觀察和魔芋鑒定

模塊一和模塊二模擬了野外魔芋采集和花序拆分以及在線測試等環節(圖3),使學生在短時間內認識魔芋的生境和分類特征,并能成功辨別6種魔芋(花魔芋、滇魔芋、西盟魔芋、白魔芋、東亞魔芋和東京魔芋).進入魔芋原生生境的虛擬還原場景,操作人化身為林中動畫人物,利用鼠標和鍵盤快捷鍵(WASD)在林中行走,通過各個空間方位搜索,在規定時間內找到魔芋植株,幫助學生了解和熟悉其生境類型(圖3A-C),該模塊設計6個交互性環節.魔芋喜陰,

圖3 模塊一和模塊二操作界面

常分布于蔭蔽、潮濕、土壤肥沃的生境條件下,如山谷坡地、溪流兩側、路沿林緣等;在我國,魔芋主要分布在西南地區,要求學生在野外和溫室內,仔細觀察不同種類魔芋的生境,拍照記錄植被類型、植物種類和形態結構.魔芋為多年生草本,獨生一葉,綠色,常有褐色或白色等斑塊,部分種(白魔芋、西盟魔芋)葉柄基部斑點不明顯;葉片3裂.魔芋與一把傘南星等天南星科植物形態較相近,判別標準是葉片分裂形態不同,且魔芋生長周期只生一葉,“花葉不見面”(一個生長期只開花或只長葉,不同時開花生葉).不同魔芋的葉片形態差異較小,且種內葉柄等形態不穩定,不能作為判定魔芋種類的主要依據.

利用鼠標和鍵盤快捷鍵對花序進行整體觀察,通過縮放、旋轉、拆分、組合、復原、六種魔芋的切換等虛擬操作,幫助學生熟練辨認花部組成結構,理解魔芋屬不同物種間的識別要點和分類依據(圖3D-F),該模塊設計8個交互性環節.花形態是魔芋分類的主要依據,魔芋各個種的開花時間各異,一般從3月初到6月底不等.魔芋花序柄頂端具有天南星科最顯著的特征——佛焰花序.花序外圍的那一圈“圍脖”不是花瓣,而是被稱作佛焰苞的總苞片.苞片將肉穗狀的花序包圍在正中央.肉穗花序可分成三部分:頂端圓錐體由不育雄蕊和花序軸合生的海綿狀結構組成,被稱為附屬器,附屬器散發出濃郁而奇異的氣味;中間一段米黃色的是雄花序,釋放氣味次之;基部區域為雌花序.學生可根據以下特征對六種魔芋進行分類(表1).

表1 6種魔芋的分類特征[6-8]

1.2.3 人工授粉

模塊三有利于幫助學生身臨其境地體驗人工授粉的全過程(切除佛焰苞、消毒、收集花粉、干燥、雜交、收集種子)(圖4).移動鼠標,先進入溫室,根據提示,在當天的天黑之前用經過75%酒精消毒的解剖刀從魔芋雄蕊與雌蕊交界處將魔芋雄蕊切下,轉移至實驗室,用紙張收集雄蕊散落的花粉,將花粉涂抹于成熟的雌蕊完成雜交授粉.魔芋屬于雌雄蕊異熟且雌蕊先熟.自然條件下,魔芋的雌花序和雄花序被佛焰苞包圍和保護,當雄花序發育成熟時,花粉自然散落于佛焰苞底部.在魔芋雜交和新品種選育時,佛焰苞嚴重影響人工授粉操作.在無設施的露天條件下,受風、雨等自然因素的影響,魔芋花粉收集幾乎不可能,嚴重影響魔芋雜交、種子繁育和新品種雜交選育工作.因此,研究和探索魔芋花粉的有效收集方法,有利于克服人工雜交收集花粉困難的問題.本模塊共設計10個互動性環節.

圖4 模塊三操作界面

A-B:切除-消毒,C-D:收集-干燥-授粉,E-F:雜交-種子

1.2.4 病原菌鑒定

魔芋是一種極具開發潛力的高效經濟作物,可廣泛用于食品、醫藥、化工、造紙、紡織、石油等行業.隨著魔芋種植面積擴大,其病害發生危害程度趨于加重,尤其是軟腐病的發生被稱為“魔芋癌癥”,已成為制約魔芋產業發展的重要障礙因素之一.模塊四通過模擬病株收集、培養基制備、菌株分離純化、病原菌鑒定等實驗操作,使學生了解魔芋病原菌相關特性、分類地位和發病過程,為魔芋軟腐病的防治提供理論依據.首先在實驗室模擬配制PDA固體培養基,從軟腐球莖獲取并分離純化病原菌菌株,之后利用培養的菌絲體進行分子生物學和形態學物種鑒定,對于鑒定出的菌株進行回接實驗,篩選出能致軟腐病的病原菌(圖5),最后通過在線測試檢驗學習成效.本模塊共設計12個互動性環節.

圖5 模塊四操作界面

1.3 在線測試

在完成四個模塊的虛擬操作后,系統將對學生實驗操作流程進行匯總,幫助學生系統鞏固已學知識和實驗操作,強化學習效果,學生也可通過用戶使用進度,有針對性地回顧和復習薄弱模塊及環節.完成測試并提交后,系統將自動生成虛擬仿真實驗成績.

1.4 課后拓展和成績評定

虛擬仿真實驗結束后,學生以小組形式利用文獻檢索進一步理解六個物種的分類差異、病害防治和保護利用等內容,結合軟件實操和個性化拓展,學生通過團隊協作完成該實驗的實體學習.最后以翻轉課堂的方式,由每個小組制作項目PPT,結合現場匯報和答辯情況,師生共同進行投票,完善考核評價.過程性評價是實驗教學中不可缺少的重要部分,合理的評價可科學檢驗學生學習效果,評定教師實驗教學質量.成績評定涵蓋課前-課中-課后,體現過程性和多元化評價.(1)實驗預習(10%):預習內容包括實驗背景、目的和原理,以及魔芋概況等;(2)線上虛擬和實體學習(90%):包括線上測試(10%)、四個模塊的線上操作(50%)、新鮮植物體的觀察(10%)、實驗和研究報告(20%).過程性實驗考核彌補了傳統實驗教學以實驗報告為終結性考核成績的模式,使考核評定更加科學、合理和全面.綜合預習成績、在線測試、實驗操作、實驗報告、研究報告,融入師生評價和生生評價,既能科學、全面、客觀地評價學生的學習成效,又能體現學生的個性化發展[9].

2 虛擬仿真資源建設和應用成效

2.1 豐富教學資源,提升課程建設質量

虛擬仿真綜合實驗的開展可彌補傳統單一驗證性實驗的不足.魔芋是云南本土特色植物資源,魔芋屬系統發育、物種分類、譜系地理和病害防治也是學院科研團隊的主攻內容,有多項國家級和省級自然科學基金支持,已取得一系列學術成果.但是受植物生長發育季節和區域影響,很難在固定時間段獲得不同魔芋物種的新鮮材料.該虛擬仿真軟件可滿足在不同教學周期定時定點開展魔芋野外觀察、物種鑒定、人工授粉和病原菌鑒定的學習和實操,拓展了實驗教學時空,提升了實驗教學的創新性和挑戰度.

依托學校虛擬仿真實驗平臺,已自建仿真綜合實驗項目3個;可供線上形態解剖、檢索鑒定的動植物虛擬物種40余種;微視頻4部.其中“花的前世今生”在2022年獲得全國高校生命科學類微課競賽一等獎,相關授課內容同時獲得2022年云南省教學創新大賽一等獎.

2.2 激發學習興趣和動力,培養生態文明理念

學生在虛擬仿真環境,可根據自身需求和喜好,多角度地進行重復學習,教學的趣味性、互動性和直觀性不僅提升了教學效率,拓展了教學信息量、深度和廣度,同時有利于教學資源的合理管理和高效利用,凸顯了以學生為主體的教學理念,有力推動了植物生物學實驗教學模式的改革和創新[10-12].基于地方特色植物資源進行虛擬仿真軟件的開發與研制,有利于根據實驗要求進行不同模塊的靈活組合,以滿足學生個性化學習方式的需求,指導學生認識保護經濟植物資源的科學意義,增強人與自然和諧共生的生態文明理念.

2.3 提升學生的創新能力和綜合實踐能力

虛擬仿真綜合實驗的建設和應用,使學生能夠在短時間內系統掌握魔芋的生物學特性、物種多樣性、傳粉策略、經濟價值和病害防治等知識,有效提升學生的創新、綜合實踐和研究性學習能力,并促進其科學思維和團隊協作能力的培養[13-14].此外,它能有效解決實驗實際操作中的不穩定因素,如標本采集困難、部分物種難以找到、天氣惡劣導致實驗推遲等問題.學生在操作軟件時,系統自動記錄并實時反饋,給出客觀成績,豐富了評價體系.該項目為虛實結合、線上線下混合式實驗教學模式提供載體,可為地方經濟發展和植物資源保護、開發和利用培養專業人才.以魔芋為研究對象,教師指導學生多次在全國大學生生命科學競賽、“挑戰杯”競賽及“三創賽”中獲獎,學生的創新能力和綜合實踐能力得到顯著提升.

3 項目開放共享

該虛擬仿真綜合項目面向全校生物科學、生物技術、小學教育和化學制藥等多個專業開放,項目的用戶使用人數已近千人次,學生滿意度約93%.項目在經過修改完善后,將對省內外高校免費開放,實現全面資源共享和持續發展.

4 結 語

隨著“互聯網+”和數字技術的不斷發展,虛擬仿真實驗教學資源將日趨完善和多樣,有效推動生物學及相關學科的教學質量和人才培養質量.魔芋分類鑒定、育種及病原微生物分析綜合虛擬仿真實驗項目以地方特色經濟植物魔芋為研究對象,遵循創新型、科研型和綜合型實驗建設理念,以學生為主體,不斷探索“線上線下、虛實結合”的混合式實驗教學模式.該項目既是具有地域標簽的個性化實驗教學資源,又具有廣泛應用性,體現了實驗教學的學科前沿性和創新性,提升了學生的創新、研究性學習、綜合實踐能力和生態文明理念,為地方經濟發展和植物資源保護、開發和利用培養專業人才.該虛擬仿真平臺仍需要更新和完善已有實驗項目,加大新項目的構建和積累,拓展教學內容的深度和廣度,進一步提升虛擬仿真教學平臺與實體教學的融合,實現更大范圍的應用和共享.