植物學(xué)分類實(shí)習(xí)虛擬教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

邵美妮　曲波　苗青　潘飛　崔娜

摘? 要：植物學(xué)分類實(shí)習(xí)是《植物學(xué)》課程實(shí)踐教學(xué)的重要組成部分，也是教學(xué)實(shí)施中的難點(diǎn)。為了解決傳統(tǒng)的植物學(xué)分類實(shí)習(xí)弊端，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)校園植物為素材，將校園內(nèi)主要場景進(jìn)行720°全景拍攝，每個(gè)場景以圖文并茂的形式對典型植物形態(tài)特征和應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的描述，并配有語音講解。學(xué)習(xí)過程生動(dòng)直觀，虛擬實(shí)景，真實(shí)感受，使學(xué)生隨時(shí)隨地在熟悉的生活環(huán)境中完成學(xué)習(xí)，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性;系統(tǒng)同時(shí)也滿足附屬中小學(xué)、廣大植物愛好者對植物的鑒別，有較強(qiáng)的實(shí)用性和推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)景;植物學(xué);分類實(shí)習(xí);教學(xué)系統(tǒng)

中圖分類號：G640? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2020）23-0046-04

Abstract： The classification practice of botany is an important part of the practical teaching of botany， and it is also a difficult point in the implementation of teaching. In order to solve the disadvantages of traditional practice of botany classification， 720° panoramic photography of the main scenes in the campus of Shenyang Agricultural University is carried out， through virtual reality technology， each scene is illustrated in the form of pictures and texts to describe the morphological characteristics and application of typical plants in detail， with voice explanation. The learning process is vivid and intuitive. The virtual reality and real feeling enables students to complete learning in a familiar living environment anytime and anywhere， and enhances their initiative and enthusiasm in learning. The system also meets the needs of affiliated primary and secondary schools and the majority of plant lovers to identify plants， with strong practicality and promotion value.

Keywords： virtual reality; botany; classified practice; teaching system

一、系統(tǒng)開發(fā)的必要性

沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)于1952年建校之初即開設(shè)植物學(xué)課程，每年有24個(gè)專業(yè)、超過1500名學(xué)生選課，是農(nóng)學(xué)、園藝、植保、生物科學(xué)等專業(yè)的基礎(chǔ)課程。植物學(xué)分類實(shí)習(xí)是《植物學(xué)》課程實(shí)踐教學(xué)的重要組成部分，也是教學(xué)實(shí)施中的難點(diǎn)。隨著生物科學(xué)領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，植物學(xué)的教學(xué)受到很大影響，學(xué)時(shí)不斷的減少，實(shí)習(xí)時(shí)間也越來越短。傳統(tǒng)的植物學(xué)分類實(shí)習(xí)，以班級為單位，只配備一名專業(yè)教師，教師少學(xué)生多，實(shí)習(xí)效果較差。同時(shí)植物生長受季節(jié)的影響比較大，如果碰到惡劣天氣，不能保證實(shí)習(xí)進(jìn)度和學(xué)生的安全，使學(xué)生的學(xué)習(xí)只能停滯于課堂教學(xué)，影響實(shí)習(xí)效果。還有最突出的問題就是師資力量薄弱，經(jīng)驗(yàn)豐富的一線教師嚴(yán)重不足，難以保證實(shí)習(xí)的教學(xué)質(zhì)量。而這些問題不是短時(shí)間能夠解決的。

因此課程組在教學(xué)過程中，深入分析大學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，結(jié)合“植物學(xué)分類實(shí)習(xí)”的特點(diǎn)，自主開發(fā)基于虛擬實(shí)景的植物學(xué)分類實(shí)習(xí)教學(xué)系統(tǒng)。充分發(fā)揮校園植物優(yōu)勢，應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)，改進(jìn)實(shí)習(xí)教學(xué)方法，豐富教學(xué)手段，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性、讓學(xué)生獨(dú)立自主學(xué)習(xí)成為了提高植物學(xué)分類實(shí)習(xí)教學(xué)效果的重要途徑，真正體現(xiàn)實(shí)習(xí)這一教學(xué)環(huán)節(jié)的重要作用。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

基于虛擬實(shí)景的植物學(xué)分類實(shí)習(xí)教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)遵循“技術(shù)設(shè)計(jì)為教學(xué)設(shè)計(jì)服務(wù)”的原則，本著“以學(xué)生。為本”的教育理念，設(shè)計(jì)思路是通過對校園場景的720°瀏覽，創(chuàng)造一種沉浸式虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，吸引學(xué)生自發(fā)性學(xué)習(xí)，達(dá)到寓教于樂的目的，使學(xué)生隨時(shí)隨地在熟悉的生活環(huán)境中完成學(xué)習(xí)，給學(xué)生真實(shí)的體驗(yàn)，同時(shí)與這個(gè)逼真的環(huán)境進(jìn)行交互，從而達(dá)到快速學(xué)習(xí)的目的，實(shí)現(xiàn)虛擬教學(xué)。

本系統(tǒng)設(shè)置學(xué)習(xí)模式、考試模式和校園植物網(wǎng)互動(dòng)平臺三種模式。

學(xué)習(xí)模式利用學(xué)生熟悉的校園，按照校園植物的分布特點(diǎn)，設(shè)置實(shí)習(xí)路線。對葉之帆、復(fù)旦園、克威園等33個(gè)主要場景，進(jìn)行720°全景瀏覽，每個(gè)場景包含了4-8種植物的介紹，以圖文并茂的形式對植物形態(tài)特征和應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的描述，每張圖片均為課程組教師原創(chuàng)拍攝，并配有主講教師的語音講解，學(xué)生可以通過點(diǎn)擊“腳印”標(biāo)識或者“下一個(gè)場景”功能按鈕，即可完成既定路線的學(xué)習(xí)。也可以通過地理位置導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)場景的隨機(jī)切換，導(dǎo)航路徑可選，方便實(shí)用。

考試模式依托中國大學(xué)植物網(wǎng)聯(lián)盟平臺，進(jìn)入沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)校園植物測一測，隨機(jī)選擇20種植物進(jìn)行測試，可以反復(fù)練習(xí)。本校植物學(xué)課程選課的學(xué)生可以進(jìn)入校園易而思平臺考試系統(tǒng)（只有本校學(xué)生參與的考試），隨機(jī)選擇知識點(diǎn)，對根、莖、葉、花、果實(shí)等特征進(jìn)行測試，滿分40分，若低于20分，重新開始實(shí)驗(yàn)并測試。同時(shí)提交實(shí)習(xí)報(bào)告。

校園植物網(wǎng)互動(dòng)平臺登錄即可開展主題討論、發(fā)送推文、上傳照片和視頻等，平臺內(nèi)包括校園植物400余種，每種植物配有二維碼，方便熱愛植物學(xué)的學(xué)生進(jìn)一步拓展學(xué)習(xí)。

三、系統(tǒng)的構(gòu)建步驟

（一）虛擬全景的拍攝

系統(tǒng)設(shè)置“葉之帆”、“復(fù)旦園”、“克威園”、“圖書館”等30余個(gè)典型觀察場景的全景VR，涵蓋整個(gè)校園的教學(xué)區(qū)域。

（二）植物種類及特征數(shù)據(jù)庫

系統(tǒng)包含了26科，150余種植物，主要為校園木本植物，每一種植物包括種名、屬名和科名，形態(tài)特征，應(yīng)用等部分，并配有二維碼，物種信息完整，尤其對校園分布做了具體描述，建立植物種類及特征描述數(shù)據(jù)庫，教學(xué)內(nèi)容資源豐富。

（三）原創(chuàng)拍攝圖庫和物種語音庫

建立圖片庫，圖片庫內(nèi)每一種植物如暴馬丁香、天女木蘭、山皂莢、珍珠繡線菊等，包含植物全株、樹干、葉、花或花序、果實(shí)、種子等典型特征圖片。所有圖片均為課程組教師原創(chuàng)拍攝，累計(jì)2000余幅。

每個(gè)物種配有專業(yè)教師的語音講解，建立語音庫。

（四）虛擬實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)參數(shù)

根據(jù)學(xué)習(xí)者預(yù)設(shè)“學(xué)習(xí)模式（包括電腦端和手機(jī)端）”、“考試模式”、“校園植物網(wǎng)互動(dòng)平臺”三種模式。

（五）軟硬件支持

軟件部分：基于虛擬實(shí)景的植物學(xué)分類實(shí)習(xí)教學(xué)系統(tǒng)軟件、沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)慕課平臺、校園植物網(wǎng)互動(dòng)平臺。

硬件部分：電腦、Ipad或手機(jī)。

四、系統(tǒng)使用方法與實(shí)施過程

（一）系統(tǒng)使用方法

第一步，打開瀏覽器，輸入網(wǎng)址，進(jìn)入虛擬實(shí)景的植物學(xué)分類實(shí)習(xí)教學(xué)系統(tǒng)。

第二步，系統(tǒng)主界面有三種模式可供選擇：學(xué)習(xí)模式、考試模式和校園植物網(wǎng)互動(dòng)平臺。

第三步，首先選擇學(xué)習(xí)模式進(jìn)行校園植物的認(rèn)知學(xué)習(xí)，方法如下：點(diǎn)擊“進(jìn)入地面”標(biāo)識，切換到第一個(gè)場景，包含“正常視角”和“小行星視角”?？煞糯?、縮小、滑動(dòng)鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)720°全景瀏覽。系統(tǒng)用“閃光標(biāo)識”標(biāo)記典型植物，點(diǎn)擊標(biāo)識可以彈出植物的圖文介紹。觀察植物的根、莖、葉、花、果實(shí)、種子器官的形態(tài)圖片，并聽語音講解。

第四步，系統(tǒng)設(shè)置2種方式實(shí)現(xiàn)既定路線的場景切換，分別為點(diǎn)擊“腳印”標(biāo)識和點(diǎn)擊“下一個(gè)場景”功能按鈕。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)置2種方式實(shí)現(xiàn)場景隨機(jī)切換，分別為點(diǎn)擊左下角的“場景切換圖片”和右下角的“地理位置導(dǎo)航”。導(dǎo)航路徑可選，方便實(shí)用。

第五步，學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)后，可以在考試模式中進(jìn)行典型科、屬、種的反復(fù)練習(xí)，最后選課的同學(xué)進(jìn)行線上考試環(huán)節(jié)。進(jìn)入植物學(xué)慕課網(wǎng)，對所見到的植物進(jìn)行識別科屬、形態(tài)特征及應(yīng)用方面的測試。

第六步，點(diǎn)擊考試模式，進(jìn)入沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)校園植物測一測。本測試系統(tǒng)依托中國大學(xué)植物網(wǎng)聯(lián)盟平臺，考試范圍為沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)校園植物圖庫，科名答對+1分，屬名答對+3分，種名答對+5分，答錯(cuò)不扣分，跳過不得分。共計(jì)答題20道。答題次數(shù)不限，可反復(fù)練習(xí)。

第七步，僅對校內(nèi)選課學(xué)生。進(jìn)入沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)慕課網(wǎng)，進(jìn)入植物學(xué)易而思平臺，點(diǎn)擊在線測試，采取隨機(jī)選擇知識點(diǎn)的方式進(jìn)行，每個(gè)知識點(diǎn)包括代表植物的根、莖、葉、花、果實(shí)、種子器官的形態(tài)描述和應(yīng)用價(jià)值，主要以選擇題的形式出現(xiàn)。

以銀杏為例：

1.銀杏屬于（）。A.裸子植物? B.被子植物

2.銀杏是（）。A.木本植物? B.草本植物

3.銀杏的葉屬于（）。A.單葉? B.復(fù)葉

4.銀杏的葉脈屬于（）。A.網(wǎng)狀脈? B.平行脈? C.叉狀脈

5.銀杏屬于（）。A.磁性異株? B.雌雄同株

6.銀杏的雄花序?yàn)椋ǎ?。A.柔荑花序? B.穗狀花序

7.銀杏“果”有（）包被。A.種皮? B.果皮

8.銀杏屬于第四紀(jì)冰川遺留下來的物種（）。A.對? B.錯(cuò)

9.銀杏為環(huán)境指示植物，主要吸收大氣中（）。A.S硫B.P磷C.N氮

10.作為行道樹，銀杏常使用（）。A.雌株? B.雄株

11.銀杏為單科單屬單種（）。A.對? B.錯(cuò)

第八步，對于實(shí)習(xí)中的體會和問題，可以通過校園植物網(wǎng)的互動(dòng)平臺，與老師分享和探討。學(xué)生需要提交實(shí)習(xí)報(bào)告和心得體會。

（二）實(shí)施過程

由于課時(shí)縮減，植物學(xué)課程在分類學(xué)模塊的學(xué)習(xí)只有課堂講授6學(xué)時(shí)，實(shí)踐4學(xué)時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了對植物種類識別的學(xué)習(xí)。因而植物學(xué)分學(xué)實(shí)習(xí)的虛擬實(shí)景教學(xué)系統(tǒng)主要采用先虛后實(shí)、虛實(shí)結(jié)合的方式實(shí)施，讓學(xué)生進(jìn)行自主式學(xué)習(xí)和探究式學(xué)習(xí)。

自主式學(xué)習(xí)是學(xué)生能力提高、創(chuàng)新精神培養(yǎng)、學(xué)習(xí)興趣激發(fā)的重要途徑。虛擬教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)化能夠使學(xué)生脫離教師和教室，教學(xué)知識點(diǎn)通過圖像、語音、文字、測試、討論等手段推送給學(xué)生，有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)的開展。

五、系統(tǒng)特色與創(chuàng)新

（一）系統(tǒng)特色

1. 虛擬實(shí)景，真實(shí)感受

通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以虛擬的方式識別校園內(nèi)常見木本植物，掌握主要形態(tài)特征及應(yīng)用。學(xué)生能夠靈活自主選擇學(xué)習(xí)時(shí)間、地點(diǎn)，學(xué)習(xí)過程生動(dòng)直觀，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

2. 虛實(shí)結(jié)合，加強(qiáng)實(shí)習(xí)效果

沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)是一所森林型校園，植物資源豐富，本系統(tǒng)內(nèi)設(shè)30余個(gè)觀測位點(diǎn)，涵蓋整個(gè)教學(xué)區(qū)域，方便學(xué)生隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)，有助于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。

3. 網(wǎng)絡(luò)平臺互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)資源共享

系統(tǒng)添加沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)校園植物網(wǎng)模塊，增強(qiáng)了互動(dòng)效果。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，經(jīng)過多所高校和中小學(xué)使用，效果良好，具有很強(qiáng)的推廣性，還可以用于植物愛好者科普使用，適用性廣泛。

（二）系統(tǒng)創(chuàng)新

1. 教學(xué)方法創(chuàng)新

打破傳統(tǒng)的植物學(xué)分類實(shí)習(xí)教學(xué)的單一模式，將現(xiàn)代信息技術(shù)與實(shí)踐教學(xué)結(jié)合起來，以學(xué)生為中心，線上線下、虛實(shí)結(jié)合。

實(shí)習(xí)時(shí)，通過虛擬現(xiàn)實(shí)場景中主要植物的形態(tài)特征描述、各部位圖片、語音講解等，結(jié)合實(shí)習(xí)地場景的實(shí)景展示，讓學(xué)生有身臨其境的真實(shí)感受。同時(shí)通過慕課互動(dòng)平臺，相關(guān)的測試題可以幫助學(xué)生加深對知識點(diǎn)的理解，教師也可以在線解答學(xué)生在實(shí)習(xí)中遇到的問題。這種不受時(shí)間、地點(diǎn)限制的虛擬實(shí)景實(shí)習(xí)模式，不僅激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，學(xué)習(xí)效果明顯。

在開發(fā)虛擬實(shí)景的同時(shí)，課程組對校園內(nèi)的所有木本植物進(jìn)行了身份識別，懸掛樹木銘牌，并配有二維碼，物種信息完整，尤其對校園分布做了具體描述，實(shí)現(xiàn)了植物學(xué)分類教學(xué)的虛實(shí)結(jié)合，充分體現(xiàn)現(xiàn)實(shí)-虛擬-現(xiàn)實(shí)資源互補(bǔ)的獨(dú)特優(yōu)勢，拓展國內(nèi)植物學(xué)分類實(shí)習(xí)的新思路。

2. 評價(jià)體系創(chuàng)新

本系統(tǒng)注重過程評價(jià)。基于虛擬實(shí)景的植物學(xué)分類實(shí)習(xí)教學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)植物學(xué)綜合知識的訓(xùn)練項(xiàng)目，要求學(xué)生要掌握實(shí)習(xí)地常見植物、常見科的識別特征和應(yīng)用等，因此評價(jià)體系主要體現(xiàn)對以上知識的考察。成績分為2部分，植物的辨識及特征描述占70%，以線上考試環(huán)節(jié)生成的成績（占40%）和實(shí)習(xí)報(bào)告（名錄+心得體會占30%）提交的形式;其次采取主要植物或部分枝條，判斷該植物所屬的科及主要特征（考察），占30%，老師當(dāng)場評判。加強(qiáng)過程引導(dǎo)，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和學(xué)習(xí)效果。

（三）對傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展

傳統(tǒng)的植物學(xué)實(shí)習(xí)是學(xué)生采集標(biāo)本，應(yīng)用工具書檢索，識別植物，這種實(shí)習(xí)方式不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，而且由于受到時(shí)間、季節(jié)等制約，對植物各部位形態(tài)特征不能一次全看到，這些現(xiàn)狀無法保證學(xué)生掌握全部知識點(diǎn)，嚴(yán)重限制學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情。

此外，由于學(xué)生大量采集植物標(biāo)本，在一定程度上造成實(shí)習(xí)地植被和生態(tài)環(huán)境的破壞，不利學(xué)生生態(tài)文明素養(yǎng)的培養(yǎng)。

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展和在教學(xué)中的有效運(yùn)用，本系統(tǒng)以校園植物為素材，依托校園全景技術(shù)，開創(chuàng)了植物學(xué)分類實(shí)習(xí)教學(xué)的新模式，克服了傳統(tǒng)教學(xué)中的多種制約因素，是對傳統(tǒng)植物分類學(xué)實(shí)踐教學(xué)的補(bǔ)充和完善，順應(yīng)現(xiàn)代教學(xué)的發(fā)展要求，得到了創(chuàng)新發(fā)展和提升。

六、系統(tǒng)的應(yīng)用效果

（一）應(yīng)用范圍廣

本虛擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了虛擬與現(xiàn)實(shí)的深度融合，植物特征一目了然，學(xué)生通過線上線下學(xué)習(xí)，大大加強(qiáng)了實(shí)習(xí)的教學(xué)效果，受到學(xué)生的高度認(rèn)可。

在遼寧省開展的大學(xué)生在線學(xué)習(xí)跨校修讀學(xué)分工作中，《植物學(xué)》課程被大連海事大學(xué)、沈陽藥科大學(xué)、遼東學(xué)院、沈陽工學(xué)院4所高校選用，本系統(tǒng)作為課程的輔助資源一并被4所高校使用，使用效果良好。

系統(tǒng)不僅適用于在校本科生用于自主探究式學(xué)習(xí)，還適用于中小學(xué)和廣大植物愛好者科普使用，目前已被鞍山、吉林和浙江等地部分高校和中小學(xué)遠(yuǎn)程使用，擴(kuò)大了我校的影響力。

（二）項(xiàng)目持續(xù)建設(shè)與服務(wù)計(jì)劃

項(xiàng)目計(jì)劃到2023年完成植物學(xué)實(shí)習(xí)地（校園、植物園、東陵天柱山）以及大連莊河仙人洞自然保護(hù)區(qū)所有實(shí)習(xí)路線（二道溝、步云山等）的虛擬現(xiàn)實(shí)場景的主要植物進(jìn)行形態(tài)特征和內(nèi)部構(gòu)造的制作，并持續(xù)開放運(yùn)行。

后續(xù)還要加入標(biāo)本制作和解剖結(jié)構(gòu)的圖片和標(biāo)本制作流程。

同時(shí)本教學(xué)團(tuán)隊(duì)將持續(xù)提供線上應(yīng)答、互動(dòng)教學(xué)等教學(xué)服務(wù)，對學(xué)生實(shí)習(xí)過程進(jìn)行指導(dǎo)，不斷更新和完善虛擬現(xiàn)實(shí)場景和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的支持等。

（三）推廣應(yīng)用計(jì)劃

1. 面向高校的教學(xué)推廣應(yīng)用計(jì)劃

系統(tǒng)的建立，預(yù)計(jì)每年不僅能為本校1500余名學(xué)生提供教學(xué)服務(wù)，同時(shí)在遼寧省開展的大學(xué)生在線學(xué)習(xí)跨校修讀學(xué)分工作中，本系統(tǒng)作為課程的輔助資源一并被推薦其他高校使用，同時(shí)對全國所有高校學(xué)生免費(fèi)開放。

2. 面向社會的推廣應(yīng)用計(jì)劃

本系統(tǒng)支持PC端和手機(jī)端，運(yùn)行過程中，經(jīng)過多所高校和學(xué)校附屬中小學(xué)使用，效果良好，具有很強(qiáng)的推廣性。還可用于植物愛好者科普使用，適用性廣泛，真正實(shí)現(xiàn)資源共享。

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