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摘要：植物分类学是生物科学类专业必修课。庐山拥有丰富的植物种类，是植物分类学野外实习的重要教学基地。然而，庐山地形复杂，气候多变，且受课时影响，该课程的开展面临重重困难，学生的安全也很难得到保障，因而构建“信息化、智能化”教学环境十分紧迫。植物分类学虚拟仿真实验教学项目通过开发相关软件，将户外植物识别、植物标本制作、显微镜下植物组织观察等教学内容进行有机整合，让学生在虚拟平台上实现野外植物识别、植物显微结构观察及标本制作。
关键词：植物学；虚拟仿真；实验教学
本文引用格式：鲁顺保，等.植物分类学虚拟仿真实验教学项目在植物学野外实习中的应用[J].教育现代化,2019,6(13):103-105,111.
一前言
通过野外实习，初步学会和掌握植物学最基本的野外工作方法，培养独立能力；采集植物标本，掌握植物标本制作的方法；掌握显微镜的使用，并练习植物根、茎、叶的显微观察，辨别根、茎、叶的形态结构。本项目包含“庐山野外场景及植物的认知”、“植物标本的制定”、“生物显微镜”、“根的形态结构观察”、“茎的形态结构观察”和“叶的形态结构观察”共6个实验模块，包括了户外实习、室内标本压制及显微镜下植物组织的观察。
（一）庐山野外场景及植物的认知
植物学野外教学实习是生物科学专业学生能力培养的一个不可缺少的环节，通过野外实习，观察比较分析植物界各大类群的典型代表植物，认识并学会分析植物与环境之间的关系，真正做到理论联系实际，同时，按照规范填写植物采集记录表，为植物标本的压制做好准备。
（二）植物标本的制定
没有腊叶标本，也就没有分类学。腊叶标本是经过采集、加工和消毒处理，能够长期保存的植株片段或整体，标本的制作要符合规范，记录完全，才能成为合用标本。植物分类学对近50万种植物进行分门别类，按照界、门、纲、目、科、属、种逐级归类，最后要确定到物种，而腊叶标本就是物种的具体佐证或模式。这些大量的腊叶标本是科学研究和教学的宝贵资料，标本的时间越久，越有研究价值。
（三）生物显微镜
生物显微镜可以对生物切片、生物细胞、细菌以及活体组织培养、流质沉淀等观察和研究，同时可以观察其他透明或者半透明物体以及粉末、细小颗粒等物体。显微镜主要由目镜、物镜、载物台和反光镜组成。目镜和物镜都是凸透镜，焦距不同。物镜的凸透镜焦距小于目镜的凸透镜的焦距。物镜相当于投影仪的镜头，物体通过物镜成倒立、放大的实像。目镜相当于普通的放大镜，该实像又通过目镜成正立、放大的虚像。经显微镜到人眼的物体都成倒立放大的虚像。反光镜用来反射，照亮被观察的物体。反光镜一般有两个反射面:一个是平面镜，在光线较强时使用;一个是凹面镜，在光线较弱时使用，可汇聚光线。
（四）根的形态结构观察
根生活在底下，具有固着、吸收、疏导和合成的功能。根的最先端是根尖，由根冠、分生区、伸长区和根毛区组成。从分生区到根毛区，根由原分生组织细胞分裂、分化形成初生分生组织，进一步发育形成初生结构。根的初生结构包括表皮、皮层和维管柱。表皮具根毛，有吸收的功能；皮层的最内层为内皮层，细胞有凯氏带加厚，使根对物质的吸收具有选择性；维管柱的最外层是中柱鞘，中柱鞘细胞与形成层、木栓形成层和侧根的发生有关。维管柱的中心是辐射状排列的初生木质部，在木质部辐射角之间是初生韧皮部。初生韧皮部和初生木质部相间排列，两者之间保留有未分化的原形成层。由于形成层和木栓形成层的活动，形成根的次生结构。根的次生结构包括周皮、次生韧皮部、形成层、次生木质部和初生木质部。在次生结构中具有维管射线和宽大的次生维管射线。
（五）茎的形态结构观察
茎是植物地上部分的轴，具有支持和疏导的作用。茎尖分为分生区、伸长区和成熟区。从成熟区（横切）可观察茎的初生结构。茎的初生结构由表皮、皮层和维管柱组成。维管柱分为维管束、髓和髓射线。维管束是复合组织，由初生韧皮部、初生木质部以及两者间的束中形成层组成。维管束之间是髓射线。髓位于茎的中心部分。茎的初生结构形成以后，由维管束中保留的原形成层细胞恢复分裂的能力，形成束中形成层，同时维管束之间的部分髓射线细胞脱分化形成束间形成层，两者共同组成维管形成层。形成层细胞向外分裂产生次生韧皮部，向内分裂产生次生木质部，次生木质部占茎次生结构的大部分。
（六）叶的形态结构观察
叶是植物的重要光合器官。一个完全叶由叶片、叶柄和托叶组成。叶片是叶的主体。叶片的结构分为表皮、叶肉和叶脉三部分。表皮覆盖在叶片的表面，具气孔和表皮毛的分化。叶肉分布在上下表皮之间，靠近上表皮的柱状细胞构成栅栏组织，以其长轴与表皮垂直，排列紧密，且细胞内含有较多的叶绿体；靠近下表皮的细胞构成海绵组织，细胞形状不规则，细胞间隙大，且细胞之间含有少量的叶绿体。由于栅栏组织与海绵组织含有的叶绿体数量不同，而使叶片上下两面呈现不同的颜色，这样的叶成为异面叶。有些植物叶肉细胞没有分化，均由同样的细胞组成，这样的叶称等面叶。
二 实验教学方法
（一）教学思路
将“以教师为中心的教学”转变为“以学生为中心的学习”的教育理念，理论联系实际，实行以自身为主导、以教师为引导的自主式、启发式、合作式、研究式、个性化的实验教学方式。
（二）使用目的
利用信息化手段的优势，模拟户外的三维仿真环境、实验室内的真实条件以及显微镜下植物组织的真实形态，让学生在类似游戏的过程中，实现野外实习的过程，实验室内标本压制的过程等操作，充分调动学生实验的积极性、主动性，从有利于学生实践能力和创新能力培养的角度出发，提升学生的自主学习能力和创新思维，有助于学生今后在工作中能创造性的运用所学知识，为社会培养创新型人才。
（三）实施过程
本虚拟仿真项目包括六个模块，采用分模块集中分段教学的方式，将课堂教学、实验教学、野外实践教学三个教学结合在一起，虚拟实验和实际实习结合在一起。依照先理论教学，再虚拟仿真教学，最后实际实验和实习的顺序依次进行，让学生在掌握基础知识的基础上，进行体系化的软件练习。每个实验模块，都设置了知识点，学生在对相关知识有了初步了解的基础上，才进行虚拟实验的开展。让学生不仅知其然，更要知其所以然。该虚拟仿真实验项目可以让学生理论指导实践，并且通过虚拟实践学习巩固理论。最后在老师组织安排下，进行理论和仿真考核，让学生和老师都能对自己的理论知识水平，和动手实验能力有所了解，并能在了解的基础上，进行有侧重点的进一步学习。
1.教学过程使用：项目中的模块结合老师课堂教学使用，通过软件让学生对植物标本采集与制作过程、显微镜使用、显微镜下根、茎、叶的观察技术进行掌握。
2.预留作业使用：项目中的第一模块户外实习模块课下使用，在真实的实习前或者因天气无法正常开始实际实习前，让学生通过软件进行模拟实习，包括实习路线、高等植物的观察、高等植物的鉴定方法进行掌握。学生充分利用业余时间，在自习室、宿舍等可以联网的地方，登录系统进行随时随地练习。
3.实际考核使用：包括虚拟仿真考核和实操考核。结合实际实验，老师进行软件操作，并由学生代表进行软件操作；考核结束后，由学生进行实际实验的操作，解决实际实验实习中受天气、实验室预约等导致的无法正常开课问题。结合仿真达到线下和线上结合的教学目的。
（四）实施效果
理论为基础、仿真实践为方法，虚实结合。软件高度仿真的实验场景，让学生仿佛置身于真实的实验室当中，实验操作步骤的细节化处理，可以将整个实验操作形象化的展现在学生的眼前以及脑海中。通过软件的练习使用，解决户外实习危险性因素、一些记载植物找不到、实验室预约无法在自习时进行、操作不当带来昂贵设备（如显微镜）的损坏等因素带来的限制；通过虚拟仿真实验，让学生方便联系，随时随地联系，同时也提高学生专业兴趣和理论联系实际的能力。
三 实验方法与步骤要求
1.从路线起点出发，沿路识别植物并填写采集记录表，撰写实验报告。
2.植物标本采集与制作模块，这一模块主要是 设计标本制作工具的操作。如标本夹、吸水纸、消毒液以及台纸等。
3.生物显微镜的使用、根的形态结构观察、茎的形态结构观察、叶的形态结构观察。这部分主要是显微镜的使用及样品的观察等。
四 实验结果与结论要求
1.是否记录每步实验结果： 是£否。2.实验结果与结论要求： 实验报告£心得体会£其他。3.其他描述：互动评价——支持在线评分与教学互动。
五 考核要求
1.能完成野外实习的过程。2.能完成植物标本的压制。3.能使用显微镜并能观察植物根、茎、叶的形态结构。
六 面向学生要求
1.专业与年级要求：植物学、林学、生物科学、生物技术及热爱植物学相近专业的大学二年级学生。2.基本知识和能力要求等：具备植物学基础理论和野外植物识别能力，掌握植物分类检索知识。
七 实验教学项目特色
（一）项目建设的必要性及先进性
通过开展虚拟仿真教学实验项目弥补实际实验中的不足，解决实际操作的各种不稳定因素，比如第一模块，真实实验存在标本采集困难（如生长在悬崖峭壁上）、一些记载植物暂找寻不着（如一些濒危物种）等，对这些非可见或难采集的植物标本现象难以向学生全面展示和解释的多种困难；或者排好实习课程后，忽然因天气原因导致课程推迟，这时候就让学生先通过软件进行真正实习前的路线熟悉、实习内容熟悉，为实际的实习打好基础，减少在实际实习中的意外发生。而通过对实验原理模块的软件使用，解决实验室显微镜预约带来的限制性因素，让学生随时随地进行显微镜的联系，植物组织显微结构的观察方法，同时也减少在在真实的实验中对显微镜等设备的不正当操作带来的损耗。通过虚拟仿真实验，让学生方便联系，随时随地联系，同时也提高学生专业兴趣和理论联系实际的能力。
（二）教学方法
课堂教学与在线仿真实践操作相结合，学生使用计算机与互联网登录平台进行自主学习与实践，交互式操作，不受外界干扰，自主探索，培养解决实验过程中出现问题的能力，确保取得的实践效果等效甚至优于真实实验所取得的效果。
（三）评价体系
本项目软件运行同时进行评价，按照实验的操作规范进行评分，完成操作后自动给出客观分数，实时反馈评价，与学生的交互性良好。同时，将虚拟仿真实验教学项目纳入相关专业培养方案和教学课程，制订教学效果评价办法。
（四）传统教学的延伸与拓展
传统的教学实验，一个班的学生就是一个组，各成员跟着老师讲解，由于人数较多，无法保证全体学生全部掌握知识点，使得学生的学习只能停滞于课堂教学，缺乏实践经历，这些现状严重限制学生自主学习的热情。虚拟仿真项目可以很好地解决这一问题，将传统的课堂教学与信息技术联用，学生可以在时间和空间上获得更高的自由度，并且可以尝试各种方案进行实验，在短时间内获得不同的实验结果，让野外实习不再受天气和环境的影响，让实验室内枯燥的实验变得有趣。
八 实验教学项目持续建设服务计划
（一）持续建设与更新
特色与创新资源项目建设和更新：逐渐更新丰富软件中植物的种类，增加不同的实习场景和相应的不同植物，让学生通过软件了解多种植物的生长习性及植物形态；不断丰富显微结构观察的植物玻片，建设具有专业特色的虚拟仿真实验项目，增加植物种类及植物与环境的关系等内容，满足教师和学生对于创新型实验的设计需求。
开放式虚拟仿真管理平台建设和更新：增强平台对优质资源的共享能力和稳定性，满足更大的用户并发访问。加强虚实统一管理能力，结合我校虚拟仿真实际教学情况，建立校级开放式虚拟仿真管理平台。
（二）面向高校的教学推广应用计划
满足课程需求：计划增加动物生物学虚拟仿真实验课程，建立生命科学专业实验教学体系，帮助学生理解动植物实验课程相关理论；满足专业需求：面向生物科学类专业学生，系统掌握专业相关的理论基础知识，具备植物专业知识和应用能力，能从事技术指导、试验研究等方面的工作；满足时间需求：虚拟实验中心应满足全天候开放的要求；受益人数：全校师生。
（三）面向社会的推广与持续服务计划
中心通过举办会议、成立论坛、接待参访等形式，与校内外及国内外兄弟院校、相关机构的对口院系和实验室进行实验室建设思路、经验和成果的资源共享；多市及省内的其它相关专业的学校和学生能共享我们的建设成果，为培养学生的综合创新能力服务；本虚拟仿真教学项目综合应用多媒体、大数据、三维建模、人工智能、人与植物交互、虚拟现实、增强现实、云计算等网络化、数字化、智能化技术手段，丰富虚拟仿真实验内容，优化植物学实验；举办植物教学或植物学知识技能大赛，促进和提升学生的专业实践能力。
参考文献
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