珍稀植物傳粉與保護(hù)虛擬仿真教學(xué)項目的構(gòu)建與應(yīng)用

1、珍稀植物傳粉與保護(hù)虛擬仿真教學(xué)項目的構(gòu)建與應(yīng)用摘 要：綜合利用unity3D、三維數(shù)字采集還原、全景攝影、無人機(jī)航拍、測繪數(shù)字高 程模型（DEM）、計算機(jī)仿真等先進(jìn)信息技術(shù)，將珍稀蘭科植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生境選 擇、傳粉策略和保護(hù)管理等核心要素進(jìn)行虛擬仿真，開發(fā)了蘭科植物傳粉與保護(hù)虛 擬仿真實(shí)驗項目。項目呈現(xiàn)手段多樣，設(shè)置基礎(chǔ)理論及核心操作引導(dǎo)，在線幫助和 討論環(huán)節(jié)，學(xué)習(xí)的沉浸感、交互性和趣味性強(qiáng)，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，解決了珍稀瀕 危植物不易獲得、時空因素限制等教學(xué)瓶頸問題；增進(jìn)了學(xué)生對以蘭科植物為代表 的珍稀瀕危植物資源與保護(hù)的理解，為植物學(xué)虛擬仿真教學(xué)項目提供了良好范例。 關(guān)鍵詞：植物學(xué)；傳粉

2、；保護(hù)；虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)Construction and Application of Virtual Simulation Teaching Systemfor Pollination and Conservation of Rare PlantsAbstract: A virtual simulation experiment platform for pollination and habitatprotection of rare orchids was developed by virtual simulation on the core elements of the form s

3、tructure, habitat selection, pollination strategy and conservation of representative rare orchids with the technologiesof unity 3D, 3D digital collection and reduction, panoramic photography, UAV aerial photography, digital elevation model( DEM) , computer simulation, etc. The project presented vari

4、ous display types，set up basic theory and core operation guidance as well as online help and discussion system， which stimulates the students & learninginterest due to its high attraction, interactivity and interest. The system hassolved the teaching bottleneck problems such as difficult collection

5、of rare and endangered plants, time and space constraints, and improved the knowledges of conservation of rare and endangered plants represented by orchids. Therefore, the system has provideda good example for the virtual simulation teaching system of botany.Key words： botany; pollination; conservat

6、ion; virtual simulation experiment teaching0引言植物學(xué)是研究植物細(xì)胞組織形態(tài)特征及其生理功 能、植物營養(yǎng)及繁殖器官形態(tài)結(jié)構(gòu)與發(fā)育以及植物界 主要分類群系統(tǒng)演化的一門學(xué)科，是大學(xué)生物類專業(yè) 以及植物生產(chǎn)類專業(yè)學(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課#在 植物學(xué)有關(guān)植物繁殖的教學(xué)中，學(xué)生更多的是了解繁 殖器官的組織形態(tài)，對植物繁殖中重要生物學(xué)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(kuò)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(jìn)行,特別是一些珍 稀瀕危的植物的傳粉過程更為獨(dú)特，經(jīng)常遇到材料和 觀察對象難以獲取的情況，使得珍稀植物傳

7、粉生物學(xué) 的實(shí)驗教學(xué)顯得尤為困難。虛擬仿真是解決實(shí)驗條件 不具備或極端環(huán)境等問題的有效手段# 2019年“教育 部關(guān)于一流本科課程建設(shè)實(shí)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(shí)驗教 學(xué)一流課程認(rèn)定。2017、2018年教育部批準(zhǔn)國家級 虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)項目403項,其中生物科學(xué)類項目 35項，占比8.68%算#蘭科植物種類豐富，形態(tài)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(hù)中的“旗 艦,，類群。蘭科植物具有獨(dú)特的傳粉特征,種子往 往需要在特定的共生真菌環(huán)境下才能生長為成年植 株。從達(dá)爾文發(fā)表物種起源以來，蘭科植物的傳粉 和保護(hù)一直受到全

8、世界植物學(xué)家的廣泛關(guān)注。生物學(xué) 國家級虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心S,以蘭科植物為例, 開發(fā)了蘭科植物傳粉與保護(hù)虛擬仿真教學(xué)項目。該項 目促使學(xué)生了解以蘭科植物為代表的珍稀瀕危植物的 形態(tài)特征、傳粉對策與生物多樣性保護(hù)策略，為今后學(xué) 習(xí)珍稀植物資源、植物保護(hù)與管理等課程打好基礎(chǔ)，提 高學(xué)生對珍稀瀕危植物保護(hù)意義的認(rèn)識，增強(qiáng)環(huán)境友 好、生態(tài)文明理念。1蘭科植物傳粉與保護(hù)虛擬仿真項目構(gòu)建與 應(yīng)用1.1虛擬仿真實(shí)驗資源建設(shè)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(tài)（包括花部構(gòu)成、根莖和葉子形態(tài)、開 花過程等），野外生存狀態(tài)和生活史（種子庫、原地保 護(hù)、遷地保護(hù)、資源開發(fā)與利用、種質(zhì)回歸等）等

9、基礎(chǔ) 數(shù)據(jù)及圖片、視頻等資料，采用unity3D、三維數(shù)字采集 還原、超景深顯微攝影、全景攝影、無人機(jī)航拍、測繪數(shù) 字高程模型（Digital Elevation Model,DEM） #計算機(jī)仿 真等技術(shù),將具有代表性蘭科植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、傳粉與 生殖策略、瀕危機(jī)制與保護(hù)措施等方面進(jìn)行虛擬仿真, 構(gòu)建了蘭科植物傳粉與保護(hù)虛擬仿真項目#項目方法主要包含蘭科植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)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(hù)管理措施瀏覽 以及在線測試等內(nèi)容。該項目包括形態(tài)結(jié)構(gòu)、生境選 擇、傳粉策略、保護(hù)管理4個模塊,28個交互性步驟。 此外，還有隨堂小知識

10、和在線測試對學(xué)生學(xué)習(xí)效果進(jìn) 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(hù)虛擬仿真教學(xué)項目構(gòu)架圖4圖4杏黃兜蘭等高濕度亞熱帶生境虛擬仿真截圖1.1.1蘭科植物形態(tài)結(jié)構(gòu)任意選取5種珍稀瀕危蘭科植物虛擬標(biāo)本，用鼠 標(biāo)拖曳即可進(jìn)行整體觀察、旋轉(zhuǎn)查看、拖曳縮放、分拆 復(fù)原等虛擬操作，學(xué)生可對蘭科植物的花、莖、葉和種 子等器官進(jìn)行形態(tài)與結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)，了解蘭科植物的形態(tài) 特點(diǎn)和演化地位。如圖2所示，本模塊設(shè)計5個交互 性步驟。圖2杏黃兜蘭花結(jié)構(gòu)解剖虛擬仿真截圖與其他被子植物花形態(tài)結(jié)構(gòu)比較:選取8種被子 植物的花器官與蘭科植物進(jìn)行比較觀察，通過拖曳縮 放、分拆拼合，逐層剝離、結(jié)構(gòu)解剖以及不同植物之間

11、的切換等操作，幫助學(xué)生理解、掌握蘭科植物幾種代表 屬的分類依據(jù)和識別要點(diǎn)。本模塊設(shè)計有8個交互性 步驟。例如，圖3為玉蘭花解剖結(jié)構(gòu)，可以幫助學(xué)生了 解蘭花和其他具有相似形態(tài)特征植物的區(qū)別。圖3玉蘭花結(jié)構(gòu)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(xué)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(qū)域，定位到我國云 南省。該區(qū)域有大量蘭科植物分布標(biāo)識，點(diǎn)擊標(biāo)識熱 點(diǎn)進(jìn)入到對應(yīng)的宏觀生長環(huán)境,鳥瞰蘭科植物原生生 境，分析植被、坡度、濕度等環(huán)境因子的影響，再進(jìn)入與 航拍點(diǎn)對應(yīng)的7個地面觀察點(diǎn)，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

12、式等，如圖4所示。本模塊設(shè)計7個交互 性步驟。1.1.3蘭科植物傳粉策略進(jìn)入原生生境還原場景，用戶化身為傳粉昆蟲，使 用鼠標(biāo)和鍵盤的WASD按鍵進(jìn)行方向操作，空格與C 鍵進(jìn)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(chǎn)卵 地欺騙、長喙昆蟲等傳粉方式，傳粉昆蟲進(jìn)入蘭科植物 的花朵“陷阱”之后，按蘭花設(shè)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(xiàn)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(tǒng)仍然作為有效成績記錄, 如圖5所示。本模塊設(shè)計4個交互性步驟。圖5傳粉者找到杏黃兜蘭仿真截圖1.1.4蘭科植

13、物原位保護(hù)和遷地保護(hù)點(diǎn)擊蘭科植物原位保護(hù)選項，瀏覽蘭科植物自然 保護(hù)區(qū)的保護(hù)措施、管理方法和效果對比分析。本模 塊設(shè)計1個交互性步驟。點(diǎn)擊蘭科植物遷地保護(hù)選 項，瀏覽代表性蘭科植物遷地保護(hù)的案例，了解遷地保 護(hù)的一般步驟和實(shí)施方法，如圖6所示。本模塊設(shè)計 1個交互性步驟。圖6原位保護(hù)虛擬仿真截圖1.1.5隨堂小知識點(diǎn)擊隨堂小知識選項，系統(tǒng)將自動對學(xué)生的實(shí)驗 操作進(jìn)行歸納總結(jié),既可復(fù)習(xí)鞏固知識點(diǎn)，強(qiáng)化學(xué)習(xí)效 果，也可記錄用戶使用進(jìn)度。本模塊設(shè)計1個交互性 步驟。1.1.6在線測試仿真實(shí)驗完成后，學(xué)生在線進(jìn)行答題，將隨機(jī)從題 庫中抽取單選題和多選題進(jìn)行回答，系統(tǒng)自動評定成 績。本模塊設(shè)計1個交互性

14、步驟。1.2項目建設(shè)實(shí)施效果由于蘭科植物分布區(qū)域的限制、花期的不可遇和 珍稀瀕危等因素的限制，傳統(tǒng)蘭科植物實(shí)驗教學(xué)主要 以講授為主，輔以圖片、標(biāo)本等資料，教學(xué)的直觀性、互 動性和趣味性不夠，教學(xué)效果不理想。該項目通過對 蘭科植物形態(tài)結(jié)構(gòu)、傳粉對策、資源保護(hù)等核心要素進(jìn) 行仿真，突破了珍稀植物實(shí)驗材料、原生生境和時空等 因素的限制，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)的直觀化和互動性，拓展了植 物學(xué)實(shí)驗課程關(guān)于植物分類、形態(tài)適應(yīng)、傳粉策略和資 源與保護(hù)等教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度，使原來無法完成 的實(shí)驗內(nèi)容成為可能，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣， 實(shí)現(xiàn)了教學(xué)過程從以教師為主體的講授型向以學(xué)生為 主體的轉(zhuǎn)變。1.3項目開放共享目前

15、，蘭科植物傳粉與保護(hù)虛擬仿真實(shí)驗項目面向 全校多個專業(yè)開放,包括生物科學(xué)、生物技術(shù)、化學(xué)B生 物交叉培養(yǎng)班、化學(xué)等。截至2019年，蘭科植物傳粉與 保護(hù)仿真項目的用戶使用量達(dá)到1 300人次，學(xué)生的滿 意度為91.23% #此外，該項目已對省內(nèi)外多所高校免 費(fèi)共享應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)兄弟院校的資源共享、共同發(fā)展。2植物虛擬仿真實(shí)驗建設(shè)與應(yīng)用思考在傳統(tǒng)的植物學(xué)實(shí)驗教學(xué)中，由于實(shí)驗經(jīng)費(fèi)有限、 很多植物學(xué)實(shí)驗無法開展，開展植物學(xué)仿真項目的建 設(shè)勢在必行。作為實(shí)體實(shí)驗的一種補(bǔ)充，虛擬仿真在 全世界得到很大發(fā)展。目前國內(nèi)有關(guān)植物學(xué)虛擬仿真 實(shí)驗項目還比較少,主要建設(shè)有國家級虛擬仿真項目， 例如2017年度示范性虛

16、擬仿真項目有，“不同生態(tài)區(qū) 生物學(xué)野外實(shí)習(xí)” “生物學(xué)野外實(shí)習(xí)虛擬仿真、軫稀 保護(hù)藥用生物資源研究與應(yīng)用的綜合性虛擬仿真實(shí)驗 教學(xué)項目”“光合作用光能的吸收、轉(zhuǎn)化及不同類型植 物的光合測定與應(yīng)用的虛擬仿真”等，2018年度國家 虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)項目有“秦嶺生物學(xué)野外實(shí)踐教育 虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)項目漳江口紅樹林植物學(xué)實(shí)習(xí) 虛擬仿真項目”“秦嶺火地塘植物學(xué)綜合仿真實(shí)訓(xùn)” “細(xì)胞動態(tài)虛擬仿真實(shí)驗被子植物雙受精”等w ;此 外，還有一些省級或者校級植物學(xué)仿真實(shí)驗項目偵的， 但是總體而言相比于國外，我國在生物學(xué)虛擬仿真教 學(xué)項目建設(shè)上還有較大差距。在實(shí)體教學(xué)的基礎(chǔ)上，通過虛實(shí)結(jié)合，在很大程度 上能夠激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效 率口1扳。在目前植物學(xué)實(shí)驗大綱的植物傳粉觀察實(shí) 驗中，大部分高校由于課時限制以及野外環(huán)境的復(fù)雜 性，傳粉實(shí)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(shí)驗較為缺乏。利用現(xiàn)代信息技術(shù)， 將室外實(shí)驗可視化，學(xué)生可以近距離了解植物的傳粉 狀況，極大地促進(jìn)了