植物学虚拟实验平台的构建及应用

植物学虚拟实验平台的构建及应用

成丹;崔瑾;王庆亚;刘琳莉;钱猛;沈振国

【摘 要】植物学虚拟实验平台结合了虚拟显微镜系统、植物识别系统、植物学数字课程和虚拟仿真实验4个功能模块,系统地整合了植物组织解剖、植物类群分类两部分实验教学资源.平台首次将虚拟仿真教学资源应用于植物组织结构观察和植物分类识别鉴定的实验教学,各教学资源既相互独立、自成一体,又能贯穿植物学实验技术的整个过程,可根据实验要求进行灵活组合,以满足学生个性化学习方式的需求.通过该平台的应用,不仅扩充了教学信息容量,提升了教学效率,同时也有利于教学资源的管理和利用,推动了植物学实验教学模式的改革和创新.从植物学实验教学中的实际应用出发,具体探讨了虚拟实验平台的构建思路,实现模式及应用效果.

【期刊名称】《实验室研究与探索》

【年(卷),期】2016(035)002

【总页数】5页(P62-66)

【关键词】虚拟实验平台;植物学;虚拟仿真;实验教学

【作 者】成丹;崔瑾;王庆亚;刘琳莉;钱猛;沈振国

【作者单位】南京农业大学农业生物学国家级虚拟仿真实验教学中心,江苏南京210095;南京农业大学农业生物学国家级虚拟仿真实验教学中心,江苏南京210095;南京农业大学生命科学学院,江苏南京210095;南京农业大学农业生物学国家级虚拟仿真实验教学中心,江苏南京210095;南京农业大学农业生物学国家级虚拟仿真实验教学中心,江苏南京210095;南京农业大学生命科学学院,江苏南京210095 【正文语种】中 文

【中图分类】Q94-33

植物学是生物学与农学各专业的专业基础课，是学好其它专业课的基础，植物学实验教学在生命科学中占有很重要的基础地位[1-2]。长期以来，植物学实验教学存在的问题主要表现为，实验内容单一，验证性实验多，基本技能得不到提高，由于受到采样制作的影响，很难获得完整的发育过程，又由于受季节的影响，在分类实验中观察不到典型的花。根据实验教学过程中存在的问题，有针对性，选择性的进行虚拟实验开发与研制，能切实有效地提高植物学实验教学效率和教学效果。

近年来，在植物学实验教学改革方面，不少学者结合各自学校的教学特点及现状，主要从植物学实验室建设、改进教学方法、改革考核方法等方面进行了探讨，但这些改革还不能从根本上解决上述问题[3-6]。通过建立虚拟实验平台开展虚拟实验,

运用计算机模拟植物发育的形态结构变化,重要典型的植物的形态结构，使学生达到“身临其境”的效果,提高植物学的实验教学效果。

虚拟实验平台的本质属性是实验教学平台，平台建设应遵循“技术设计为教学设计服务”的原则[7-8]。在具体实践中，应在充分体现虚拟实验资源独特优势的前提下，最大限度利用校园网络、服务器、传统仪器设备等现有基础设施，前瞻性地将分布在不同位置的各类型虚拟实验资源通过网络得以共享。平台的功能应能弥补目前实验教学中所存在的缺陷，具有网络教学功能和网上实验操作功能，具备一定的智能特性。

1.1 目前植物学实验教学存在的问题

目前植物学实验教学存在的问题主要表现为，实验内容单一，验证性实验多，基本技能得不到提高。传统的植物学实验几乎全为验证性实验，通常都是以教师介绍实验内容和方法，然后学生进行实验以验证学过的理论知识，严重制约了学生实践能力和创新能力的培养。

在实验材料方面，由于受到季节的影响，现在的植物根、茎、叶的初生或次生发育结构切片时期较少，特别是反映发育的典型珍贵制片更少,这些切片在制作时因植物生长时期难以把握，制作比较困难。例如在花芽分化的实验中，学生观察的是油菜花芽分化的制片,因为是总状花序，花多且处在不同发育时期，但由于花在花序上排列很不规则，学生基本上只能观察到花芽分化5个时期中的2～3个时期，而且典型的剖面极少，在雄蕊和花粉粒发育结构观察中也存在类似问题。因实验课时及实验条件的限制，目前学生在课堂上只能观察2张切片，通常观察不到完整的发育过程，有时就是2张切片也不典型；再如胚囊和胚的发育结构观察实验，胚囊的发育有6个时期，而胚的发育有7个时期，比较复杂，许多的发育时期因为取材等原因很难在切片中看到，有时即使看到也因为切面位置不正而不典型，不利于这部分重要实验内容的掌握。同样，受气候，植物花期等客观因素的影响，此类问题，在植物分类方面的实验教学中，更为突出。

1.2 虚拟实验平台的功能设计

虚拟实验平台应包括如下几部分功能：

(1) 满足实验教学的需要。虚拟实验平台建设的最终目标不是为了虚拟而虚拟，而是让学生通过虚拟实验对象更快速有效地学习实验原理、掌握试验方法，训练实验技能，从而提高实验教学效率和学生的创新实践能力[9]。

(2) 课堂实验教学的拓展。课堂的实验教学毕竟有着时间、地点等多方面的客观条件的限制，虚拟实验平台的建设目的，是能够建立交互性能良好的虚拟实验环境，并且能够让学生不受时间和地点的限制对平台内各虚拟实验室中的设备及对象进行操作，以达到课堂实验教学的效果。

(3) 实验教学限制条件的突破。虚拟实验平台的建设重点，不仅仅局限于目前实验条件下的实验教学的虚拟。例如某些很经典的实验实例，因缺少实验环境和实验手段，在实际的实验教学课堂上根本无法完成；对于此类经典实验，可以通过建立虚拟实验来完成，从而提高了实验效率，节约了实验成本。

(4) 实验资源整合和共享。虚拟实验平台面向全校，充分考虑多种技术的融合，以实现全校虚拟实验资源的整合，并涵盖主流的网络技术和设备，通过网络技术环境的搭建，实现实验资源的整合与共享[10]。

针对目前现有的实验环境和实验手段,建设了植物学虚拟实验平台。该平台主要通过B/S 架构进行构建，不依托于其它昂贵的外围设备。该虚拟实验平台的所有的虚拟实验项目，均可以在客户端的电脑上操作完成。本平台所需的硬件设备，主要是一台高性能的网络服务器及交换机、路由器等网络设备。

2.1 虚拟实验平台的系统架构

本虚拟实验系统，根据虚拟实验开发的技术平台的不同，采用了两种主流的网络架构，B/S 架构和B/C架构，B/S 架构是本系统的主要网络架构。

以目前的技术看，基于校园网建立 B/S 结构的虚拟实验室，并通过Internet/Intranet 模式下数据库应用，相对易于把握，成本也是较低的。它是一次性到位的开发，能实现不同的人员从不同的地点，以不同的接入方式访问和操作共同的数据库；它能有效地保护数据平台和管理访问权限，服务器数据库也很安全。在信息安全方面，本平台的绝大数功能只针对校园网用户开放，且本平台的大部分浏览器端的功能，都通过插件才能得以实现，安全性能相对较高[11]。

虚拟实验平台的制作主要由多媒体资源制作与软件编程两部分组成。利用Visual

Studio、Flash CS3、3D Max、Unity3d等工具构建了基于ASP. NET的交互式站点平台。网站服务器端软件采用Windows Server 2008、IIS(Internet

Information Service)、DotnetFramework4.0及SQ L Server 2008数据库;服务器端硬件采用Dell PowerEdge R720服务器。客户端可以通过浏览器高效、快捷地访问虚拟实验平台。 2.2 虚拟实验平台的功能架构

为了弥补上述传统教学模式的不足，构建了植物学虚拟仿真实验平台(图1)。平台首次将虚拟仿真实验应用于植物组织结构观察和植物识别鉴定教学。根据教学的需要，自主独立开发了校园植物电子地图、农田杂草识别系统和交互式虚拟仿真实验，以及主要植物的三维可视化模型，并完成了植物组织结构观察的虚拟显微镜观察系统建设。使学生在虚拟环境中感受植物学实验的真实体验，学习植物学的基本技能。通过虚拟实验平台系统的建立,将其应用于植物学、生命科学导论等植物学相关课程的实验教学。学生在没有显微镜、解剖镜和观察材料时也能自由观察和实验,不受时间和空间的限制,满足学生个性化学习方式的需求,使得学习更加便捷有效，推动了实验教学模式的改革与创新。

植物学虚拟仿真实验平台主要分4个功能模块：虚拟显微镜系统功能模块、植物识别系统功能模块、植物学数字课程功能模块、虚拟仿真实验功能模块。

2.2.1 虚拟显微镜系统功能模块

我们使用Motic数字切片扫描系统，通过全自动显微镜扫描平台、专业的摄像头、智能控制与扫描软件系统，把玻璃切片进行无缝拼接成整张数字化切片，在虚拟实验平台中，针对形态解剖学上的实验教学，建立虚拟显微镜系统，真正实现了纯数字化、网络化的显微实验教学[12]。

数字切片的使用不依赖于显微镜,而是利用相应的图像浏览软件进行观察,用鼠标操作可以选择切片任意位置,可进行任意倍率的放大或缩小,模拟显微镜观察模式,不产生图像信息失真。虚拟显微镜系统在计算机上，如同在显微镜下，可进行不同倍率观察，并在一定范围内((1～100)×)，实现倍率变化连续浏览切片，而且，通过计算机与网络系统，进行数字切片存储、管理、观察、分析、讨论等，相对传统方式，可不受空间与时间限制，使用起来更方便、功能更强大、应用更广泛[13]。图2所示为棉花叶切片。 2.2.2 植物识别系统功能模块

植物识别系统功能模块主要包括3个子系统：校园植物电子地图、虚拟3D系统、杂草鉴定系统。

植物电子地图是在传统的电子地图的基础上，结合植物图片库的功能。学生可以通过对校园电子地图的浏览，知道本区域的植物种类，并进而通过植物图片数字库，了解植物的具体特征。学生可利用网络进行在线浏览和学习，了解校园的常见植物。本植物电子地图，收集了学校常见植物200多种，对于植物分类学的学习，是很好的辅助手段。进入校园植物电子地图，点击选择的区域，显示常见植物的名称和植株彩色图片，目的是构建该植物的原生境整体形象。展示根、茎、叶、花或果实等各部分的形态特征和局部特征，如叶片表面的毛、花的附属物等，也是区分相似类群的重要依据。文字描述的内容包括植物的中文名及拉丁学名、所属的科和属、花果期、分布、生境、功能等，达到认识植物的目的。

虚拟3D系统是通过网络X3D技术对植物的形态结构进行3D仿真，可以真实地再现植物的三维外观形态特征(图3)。通过3D浏览器可以全视角的对植物模型进行观察，使学生能够立体的观察植物的形态，便于植物分类内容的学习。进入该模块虚拟3D系统，可以全视角观察向日葵、波斯菊、蜀葵、紫玉兰、山茶、油菜、百合、卡特兰、桔梗等的3D模型，达到全面掌握双子叶植物原始科——木兰科，具有重要经济观赏和药用价值的锦葵科、山茶科、兰科、桔梗科以及植物界最进化科——菊科的特征，为学好植物分类打下坚实的基础。

杂草鉴定系统是对于要求查询的农田杂草等农业植物2 000多种，全方位立体呈现植株形态、花部解剖、局部特征等内容，将文字描述直观化、形象化，完成理论知识向实践的过渡。进入该模块的杂草鉴定系统，可以按照植物中文名称及拉丁学名、科属分类系统或植物营养器官或繁殖器官的特征进行检索。这些特征对于科、属、种等不同分类阶元的鉴别起着关键作用。通过检索认识农田杂草的形态图片和