珍稀植物传粉与保护虚拟仿真教学项目的构建与应用

1、珍稀植物传粉与保护虚拟仿真教学项目的构建与应用摘 要：综合利用unity3D、三维数字采集还原、全景摄影、无人机航拍、测绘数字高 程模型（DEM）、计算机仿真等先进信息技术，将珍稀兰科植物的形态结构、生境选 择、传粉策略和保护管理等核心要素进行虚拟仿真，开发了兰科植物传粉与保护虚 拟仿真实验项目。项目呈现手段多样，设置基础理论及核心操作引导，在线帮助和 讨论环节，学习的沉浸感、交互性和趣味性强，激发了学生学习兴趣，解决了珍稀濒 危植物不易获得、时空因素限制等教学瓶颈问题；增进了学生对以兰科植物为代表 的珍稀濒危植物资源与保护的理解，为植物学虚拟仿真教学项目提供了良好范例。 关键词：植物学；传粉

2、；保护；虚拟仿真实验教学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引言植物学是研究植物细胞组织形态特征及其生理功 能、植物营养及繁殖器官形态结构与发育以及植物界 主要分类群系统演化的一门学科，是大学生物类专业 以及植物生产类专业学生必修的专业基础课#在 植物学有关植物繁殖的教学中，学生更多的是了解繁 殖器官的组织形态，对植物繁殖中重要生物学过程 （如传粉过程）缺乏了解。植物的传粉是植物获得后 代以及种群扩张的保证,是植物生活史过程中重要的 事件。由于传粉观察需要在野外进行,特别是一些珍 稀濒危的植物的传粉过程更为独特，经常遇到材料和 观察对象难以获取的情况，使得珍稀植物传

7、粉生物学 的实验教学显得尤为困难。虚拟仿真是解决实验条件 不具备或极端环境等问题的有效手段# 2019年“教育 部关于一流本科课程建设实施意见”中指出，从2019 年到2021年，完成1 500门左右国家虚拟仿真实验教 学一流课程认定。2017、2018年教育部批准国家级 虚拟仿真实验教学项目403项,其中生物科学类项目 35项，占比8.68%算#兰科植物种类丰富，形态美观，极具观赏价值，大 部分兰科植物被列为濒危物种，是物种保护中的“旗 舰,，类群。兰科植物具有独特的传粉特征,种子往 往需要在特定的共生真菌环境下才能生长为成年植 株。从达尔文发表物种起源以来，兰科植物的传粉 和保护一直受到全

8、世界植物学家的广泛关注。生物学 国家级虚拟仿真实验教学中心S,以兰科植物为例, 开发了兰科植物传粉与保护虚拟仿真教学项目。该项 目促使学生了解以兰科植物为代表的珍稀濒危植物的 形态特征、传粉对策与生物多样性保护策略，为今后学 习珍稀植物资源、植物保护与管理等课程打好基础，提 高学生对珍稀濒危植物保护意义的认识，增强环境友 好、生态文明理念。1兰科植物传粉与保护虚拟仿真项目构建与 应用1.1虚拟仿真实验资源建设以珍稀濒危的兰科植物为例，通过采集其原生生 境、植物的形态（包括花部构成、根茎和叶子形态、开 花过程等），野外生存状态和生活史（种子库、原地保 护、迁地保护、资源开发与利用、种质回归等）等

9、基础 数据及图片、视频等资料，采用unity3D、三维数字采集 还原、超景深显微摄影、全景摄影、无人机航拍、测绘数 字高程模型（Digital Elevation Model,DEM） #计算机仿 真等技术,将具有代表性兰科植物的形态结构、传粉与 生殖策略、濒危机制与保护措施等方面进行虚拟仿真, 构建了兰科植物传粉与保护虚拟仿真项目#项目方法主要包含兰科植物的形态结构观察、不 同属植物之间的分析比较、分类检索、生境的鸟瞰和地 面观察、传粉方式和传粉过程模拟、保护管理措施浏览 以及在线测试等内容。该项目包括形态结构、生境选 择、传粉策略、保护管理4个模块,28个交互性步骤。 此外，还有随堂小知识

10、和在线测试对学生学习效果进 行评价，具体的项目框架如图1所示。图1兰科植物传粉与保护虚拟仿真教学项目构架图4图4杏黄兜兰等高湿度亚热带生境虚拟仿真截图1.1.1兰科植物形态结构任意选取5种珍稀濒危兰科植物虚拟标本，用鼠 标拖曳即可进行整体观察、旋转查看、拖曳缩放、分拆 复原等虚拟操作，学生可对兰科植物的花、茎、叶和种 子等器官进行形态与结构学习，了解兰科植物的形态 特点和演化地位。如图2所示，本模块设计5个交互 性步骤。图2杏黄兜兰花结构解剖虚拟仿真截图与其他被子植物花形态结构比较:选取8种被子 植物的花器官与兰科植物进行比较观察，通过拖曳缩 放、分拆拼合，逐层剥离、结构解剖以及不同植物之间

11、的切换等操作，帮助学生理解、掌握兰科植物几种代表 属的分类依据和识别要点。本模块设计有8个交互性 步骤。例如，图3为玉兰花解剖结构，可以帮助学生了 解兰花和其他具有相似形态特征植物的区别。图3玉兰花结构观察与解剖虚拟仿真截图1.1.2兰科植物生境选择为帮助学生了解兰科植物的主要生境，将几种濒 危兰科植物生长在高海拔亚热带区域，定位到我国云 南省。该区域有大量兰科植物分布标识，点击标识热 点进入到对应的宏观生长环境,鸟瞰兰科植物原生生 境，分析植被、坡度、湿度等环境因子的影响，再进入与 航拍点对应的7个地面观察点，了解不同兰科植物生 存条件，如土壤类型、植被郁闭程度、依附植物或共生 植物、生长方

12、式等，如图4所示。本模块设计7个交互 性步骤。1.1.3兰科植物传粉策略进入原生生境还原场景，用户化身为传粉昆虫，使 用鼠标和键盘的WASD按键进行方向操作，空格与C 键进行升降操作,控制传粉昆虫在几种兰花中寻找食 物、配偶或者巢穴等，展示泛化食源欺骗、性欺骗、产卵 地欺骗、长喙昆虫等传粉方式，传粉昆虫进入兰科植物 的花朵“陷阱”之后，按兰花设计的逃逸路线携带花粉 块爬出，然后飞到另一朵兰花，并将花粉块移送到该花 柱头上，如出现逃逸失败或昆虫在不同种类的兰花访 问时，则判定传粉失败，系统仍然作为有效成绩记录, 如图5所示。本模块设计4个交互性步骤。图5传粉者找到杏黄兜兰仿真截图1.1.4兰科植

13、物原位保护和迁地保护点击兰科植物原位保护选项，浏览兰科植物自然 保护区的保护措施、管理方法和效果对比分析。本模 块设计1个交互性步骤。点击兰科植物迁地保护选 项，浏览代表性兰科植物迁地保护的案例，了解迁地保 护的一般步骤和实施方法，如图6所示。本模块设计 1个交互性步骤。图6原位保护虚拟仿真截图1.1.5随堂小知识点击随堂小知识选项，系统将自动对学生的实验 操作进行归纳总结,既可复习巩固知识点，强化学习效 果，也可记录用户使用进度。本模块设计1个交互性 步骤。1.1.6在线测试仿真实验完成后，学生在线进行答题，将随机从题 库中抽取单选题和多选题进行回答，系统自动评定成 绩。本模块设计1个交互性

14、步骤。1.2项目建设实施效果由于兰科植物分布区域的限制、花期的不可遇和 珍稀濒危等因素的限制，传统兰科植物实验教学主要 以讲授为主，辅以图片、标本等资料，教学的直观性、互 动性和趣味性不够，教学效果不理想。该项目通过对 兰科植物形态结构、传粉对策、资源保护等核心要素进 行仿真，突破了珍稀植物实验材料、原生生境和时空等 因素的限制，实现了教学的直观化和互动性，拓展了植 物学实验课程关于植物分类、形态适应、传粉策略和资 源与保护等教学内容的深度和广度，使原来无法完成 的实验内容成为可能，极大地激发了学生的学习兴趣， 实现了教学过程从以教师为主体的讲授型向以学生为 主体的转变。1.3项目开放共享目前

15、，兰科植物传粉与保护虚拟仿真实验项目面向 全校多个专业开放,包括生物科学、生物技术、化学B生 物交叉培养班、化学等。截至2019年，兰科植物传粉与 保护仿真项目的用户使用量达到1 300人次，学生的满 意度为91.23% #此外，该项目已对省内外多所高校免 费共享应用，实现兄弟院校的资源共享、共同发展。2植物虚拟仿真实验建设与应用思考在传统的植物学实验教学中，由于实验经费有限、 很多植物学实验无法开展，开展植物学仿真项目的建 设势在必行。作为实体实验的一种补充，虚拟仿真在 全世界得到很大发展。目前国内有关植物学虚拟仿真 实验项目还比较少,主要建设有国家级虚拟仿真项目， 例如2017年度示范性虚

16、拟仿真项目有，“不同生态区 生物学野外实习” “生物学野外实习虚拟仿真、轸稀 保护药用生物资源研究与应用的综合性虚拟仿真实验 教学项目”“光合作用光能的吸收、转化及不同类型植 物的光合测定与应用的虚拟仿真”等，2018年度国家 虚拟仿真实验教学项目有“秦岭生物学野外实践教育 虚拟仿真实验教学项目漳江口红树林植物学实习 虚拟仿真项目”“秦岭火地塘植物学综合仿真实训” “细胞动态虚拟仿真实验被子植物双受精”等w ;此 外，还有一些省级或者校级植物学仿真实验项目侦的， 但是总体而言相比于国外，我国在生物学虚拟仿真教 学项目建设上还有较大差距。在实体教学的基础上，通过虚实结合，在很大程度 上能够激发了学生学习兴趣，提高学生的学习效 率口1扳。在目前植物学实验大纲的植物传粉观察实 验中，大部分高校由于课时限制以及野外环境的复杂 性，传粉实验没有开展或者深度不够，特别是对于珍稀 濒危植物的传粉实验较为缺乏。利用现代信息技术， 将室外实验可视化，学生可以近距离了解植物的传粉 状况，极大地促进了