虛擬仿真實驗教學一流課程持續改進

張金菊， 孫士國， 龔思穎， 胡 原， 田志夕， 李 兵

（華中師范大學a.生命科學學院；b.生物學國家級虛擬仿真實驗教學中心；c.湖北省生物學實驗教學示范中心，武漢 430079）

0 引 言

進入21 世紀，以信息技術發展為牽引的新技術革命加速演進。從互聯網到大數據、云計算、物聯網，虛擬仿真技術、人工智能等，科技進步日新月異。為適應信息化條件下知識獲取方式和傳授方式、教和學關系等發生革命性變化的要求，深化信息技術與教育教學深度融合，2018 年教育部決定開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作。2019 年教育部頒布《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》，提出到2021 年，完成1 500 門左右國家虛擬仿真實驗教學一流課程認定，形成專業布局合理、教學效果優良、開放共享有效的高等教育信息化實驗教學體系［1］。截至目前已有1 200 個項目被認定為虛擬仿真實驗教學一流課程［2-5］。虛擬仿真實驗，一方面可以解決由于時空限制、高?；驑O端環境條件、珍稀動植物不可采集等學生難以全程參與的難題［6］；另一方面，虛擬仿真技術具有沉浸性、交互性和逼真性等特點，有利于激發學生學習的積極性和主動性，提升教學質量［7-8］。

生命科學學院建設的國家級虛擬仿真實驗教學一流課程《蘭科植物傳粉與保護虛擬仿真實驗項目》，于2018 年上線運行，2019 年在國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺（ilab-x.com）開放使用，開設線上實驗課程4 學期，注冊學員2 097 人，仿真實驗內容總瀏覽量達到40 078 人次。該課程將珍稀蘭科植物的形態結構、生境選擇、傳粉策略和保護管理等核心要素進行虛擬仿真。設置基礎理論及核心操作引導，在線幫助和討論環節，學習的沉浸感、交互性和趣味性強，激發了學生學習興趣，解決了珍稀瀕危植物不易獲得、時空因素限制等教學瓶頸問題。

隨著學科知識和信息技術的快速發展，現有項目逐漸出現一些有待解決的問題。如新的學科知識有待補充、原有課程模擬自然生境逼真度不夠高且數量不足以及教學評價體系有待完善等問題。本文依據國家級虛擬仿真實驗課程的應用實踐與學生反饋，按照“兩性一度”即“高階性、創新性、挑戰度”的“金課”標準，教學內容不斷融入新的蘭科植物學科知識，拓展實驗內容的廣度和深度，增加課程挑戰度。改進和更新蘭科植物傳粉與保護虛擬仿真實驗項目教學資源，更好地服務于本科生實驗教學和創新人才培養。

1 蘭科植物傳粉與保護虛擬仿真實驗項目持續改進

以國家虛擬仿真實驗課程蘭科植物傳粉與保護虛擬仿真實驗項目為對象，主要從知識內涵、評價體系、信息技術更新3 方面內容進行優化和改進。

1.1 蘭科植物科學知識的補充，豐富教學內容的廣度和深度

蘭科植物傳粉與保護虛擬仿真實驗項目包括形態結構、生境選擇、傳粉策略和保護管理4 個實驗模塊，現對其中3 個模塊的內容進行了補充。

（1）蘭科植物形態結構知識的補充。形態結構模塊通過虛擬仿真技術，將實驗課堂和理論課堂無法接觸到的珍稀瀕危植物的生活習性直觀化、可視化。為讓學生更好地理解蘭科植物的形態結構與傳粉策略的對應關系、植物的形態結構與功能相統一、動植物協同適應與進化的基本原理，改進后的項目增加含無苞杓蘭（Cypripedium bardolphianum）、西藏杓蘭（Cypripedium tibeticum）以及黃花杓蘭（Cypripedium flavum）在內的3 種蘭科珍稀瀕危植物。這3 種花部特征不同的杓蘭屬植物，代表3 種不同的傳粉方式。無苞杓蘭是中國特有的、國家一級保護蘭科植物，其花的結構無苞片存在，隸屬于蘭科杓蘭屬無苞組［9］。通過對其獨特的花部特征的研究表明，該種植物是由蠅類傳粉的（見圖1），通過擬態掉落的成熟果實來吸引其特化的傳粉者—蠅類［10］。西藏杓蘭為國家一級保護蘭科植物，其唇瓣較大，隸屬于蘭科杓蘭屬杓蘭組大花亞組［9］，熊蜂蜂王是其有效的傳粉昆蟲。黃花杓蘭也是中國特有的、國家一級保護植物，隸屬于蘭科杓蘭屬杓蘭組鈍瓣組［9］，其由蜂類和蠅類共同傳粉［10］。

改進的項目為3 種新增的數字建模標本提供可關閉的三維動態標簽，對每個部件進行知識點標注；同時為數字模型提供便捷的觀察方法，包括逐層隱藏、任意角度旋轉，特定部件放大、視覺距離調整等功能。例如圖2、3 形象地展示了西藏杓蘭花部形態結構，能夠對每個植物部件單獨分開處理，呈現花的花粉塊、合蕊柱、子房、花瓣、花萼等結構。新增包含無苞杓蘭等3種植物作為蘭科代表性珍稀瀕危物種，①可以讓學生身臨其境地觀察分析這3 種珍稀瀕危蘭科植物的形態特征、分類、生境、傳粉和保護策略等；②能促進理論聯系實際和示范，致力于學生自主學習和創新能力的培養；并通過知識拓展，了解珍稀瀕危植物保護的意義，增強生物多樣性的保護意識。

圖2 西藏杓蘭形態結構虛擬仿真（花部形態整體觀）

圖3 西藏杓蘭形態結構虛擬仿真（花部形態局部觀）

同時，為加強學生對蘭科植物特點的理解，促進對其他科屬植物特征的掌握，在形態結構部分構建了蘭科植物與其他科花結構比較模塊，新增了隸屬于木蘭科、豆科、石竹科、茄科、葫蘆科、唇形科、杜鵑花科、藍果樹科、車前科等9 個科的植物，這些植物均為實景拍攝，真實還原了植物原本的形態特征，克服了臘葉標本容易褪色、無法立體觀察等缺點。使用者可以通過拖拽對花部結構進行解剖，更好地掌握不同科植物的形態特征。尤其是隸屬于藍果樹科的珙桐，為國家一級保護物種，野外生境難以獲得、花期難遇；通過虛擬仿真實驗，可以近距離解剖觀察這種野外難以觀花的植物的基本特征。

（2）蘭科植物生境選擇知識的補充。生存環境的差異，導致不同區域蘭科植物種類組成和數量存在顯著差異。本項目中幾種瀕危蘭科植物生長在高海拔亞熱帶的區域，對蘭科植物的生境如土壤類型、植被郁閉程度、依附植物或共生植物、生長方式等的對比分析，有利于了解不同蘭科植物的生境特點和致瀕機制。

原項目生境選擇部分包含杏黃兜蘭（Paphiopedilum armeniacum）、暖地杓蘭（Cypripedium subtropicum）、粉葉玉鳳花（Habenaria glaucifolia）等9種蘭科植物的10 個不同生境，模仿自然生境數量不足［見圖4（a）］。通過野外實景拍攝，改進后的項目重新構建了包括麗江杓蘭（Cypripedium lichiangense）、西藏杓蘭、黃花杓蘭、無苞杓蘭等幾種瀕危蘭科植物野外生境［見圖4（b）］，可以直接觀察的蘭科植物生境點增加到15 個。同時不斷進行信息技術探索，增加虛擬實驗的仿真度，學習者通過實驗操作能夠實時與空中點全景生境切換、身臨其境體驗蘭科植物的生境特征，增強教學效果。通過對蘭科植物野外生境的特點、人為干擾程度的大小和具體致瀕機制的分析，能更好了解珍稀瀕危蘭科植物的保護與管理策略。

圖4 重新構建后的物種生境與原項目物種生境的對比

（3）蘭科植物傳粉策略知識的補充。傳粉昆蟲與蟲媒傳粉植物之間的相互適應是驅動這兩大類群多樣化的重要動力，為更好地理解蘭科植物的傳粉知識，在原有傳粉策略模塊新增了傳粉知識點的介紹；同時，在原有傳粉引導模式的基礎上新增了野外生境虛擬仿真模式。原傳粉引導模式下傳粉者與蘭花是一一對應的，傳粉過程中只有特定的傳粉者和目標花的出現，且有光標指引，操作過程中不容易出現傳粉失敗的情況［見圖5（a）］。而虛擬仿真模式模擬的是野外自然生境，該生境模式下植物物種是自然分布的，傳粉昆蟲除了遇到目標物種也會受到其他開花物種的影響，增加了傳粉昆蟲精確傳粉的挑戰性。這些新增知識點無疑對學生知識技能的掌握程度提出了更高的要求［見圖5（b）］，增強了項目的互動性和挑戰度。

圖5 傳粉策略

1.2 建立差異化的課程考核評價體系

在虛擬仿真實驗系統后臺，可清楚地掌握學生的學習時間、學習次數和學習成績等情況。目前，虛擬仿真實驗項目相關的考核主要包括虛擬操作考核和線上考試評價兩部分。虛擬操作評價利用計算機技術，對學生的操作結果進行評價；線上考核評價利用人工智能技術完成，學生完成在線試卷，獲得卷面分數。目前，大多數學生成績差異化不明顯，難以體現個人水平差異，因此有必要建立更加科學合理的課程考核評價體系。對原有考核評價體系進行了完善：①虛擬操作評價部分，建立虛擬操作的賦分規則，利用計算機技術全程跟蹤學生實驗動作，依據扣分規則對每一模塊的操作給出操作過程成績，增加操作過程部分的區分度；線上考核評價利用人工智能完成；最后，各項成績通過加權計算，獲得虛擬仿真實驗線上總評成績。②增加線下考核部分，豐富實驗課程考核因素，將實驗報告、小組科研論文撰寫情況等納入成績考核。通過細化虛擬操作、線上考核和線下考核相結合的方式，對學生學習效果進行全過程評價。

1.3 信息技術更新與不斷完善

由于信息技術的不斷發展，項目原有的生境實景展示的逼真度和交互性有待提升。高清渲染管線（HDRP）技術的快速發展為實景教學提供了一種新的表現方式；本項目應用全景攝影、無人機航拍、圖像拼接與高清渲染管線等技術，地面全景拍攝采用水平視野360°全視角和垂直視野360°全視角的全景視頻采集，還原實地實景原貌；地面生境DEM數字高程模型，采用無人機航拍、地面近距離拍攝等方案實地實景采集而成，能夠真實還原生境中全局鳥瞰、地面觀察、局部細節等不同級別的數字三維生境，體現生境原貌、地表植被、坡度、海拔差異等相關信息。實景展示和交互操作，能夠實時與空中點全景生境切換、身臨其境體驗蘭科植物的生境特征，增強教學效果（見圖6）。

圖6 重新構建后的物種生境鳥瞰圖

此外，由于我國高校在建設虛擬仿真項目方面，沒有統一的技術標準和規范，導致存在部分瀏覽器不兼容問題。為降低用戶端設備配置要求，解決瀏覽器兼容性問題，保證程序運行流暢、提高資源利用率，該項目在ilab-x.com平臺上免費共享時，增加平行云在線學習方式，用戶只需注冊后登錄，無須下載即可進行在線學習。通過信息技術不斷完善，更好地推動優質課程資源開放共享。

2 虛擬仿真實驗課程改進成效

主要從知識內涵、評價體系、信息技術三個方面對原有內容進行優化和改進，改進后的虛擬仿真實驗教學項目應用于本科教學和開放共享等方面，已在資源共享和人才培養方面收到良好效果。

2.1 改進后的蘭科植物傳粉與保護虛擬仿真實驗項目應用于本科實驗教學

通過國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺，蘭科植物傳粉與保護項目對國內高校的生物科學、生物技術、生態學等專業本科生免費開放，目前該內容總瀏覽量4 萬余次，做實驗人數2 000 余人。蘭科植物傳粉科學知識和信息技術更新方面的應用效果，采用調查問卷的方式進行評價。利用問卷星，在課堂學習期間對2019 級194 名生物科學專業同學進行了在線問卷調查，共發放194 份問卷，收回194 份，收回率為100%，采用SPSS對相關數據進行分析和歸納。結果98.5%的同學認為改進后的虛擬實驗視頻、動畫清晰明了，生動有趣。約99.5%的同學認為本實驗項目資源豐富、完備。有97.4%的同學認為虛擬實驗真實性強、還原度高，對本次虛擬實驗建設感到滿意。約99.5%的同學認為通過虛實結合，對本次實驗所涉及知識點掌握更牢固了，96.9%的師范生愿意將虛擬實驗運用到以后的教學中。由此可見，改進后的項目仿真度高、交互性強，不僅提高了師范生的學科水平，也提升了信息化素養和解決復雜問題的綜合能力。

學生虛擬仿真實驗的操作得分情況，作為課程評價體系的評價依據。2020 ～2022 年連續3 年對生物科學專業學生虛擬仿真實驗的學習情況進行了評價，參與評價的學生人數分別為183 人、205 人和208 人。其中2020、2021 年直接采用線上評價的方式進行，學生操作實驗的過程中結合知識點的講解完成在線測試，同時根據學生的操作結果綜合給出卷面分數。鑒于大多數學生成績差異化不明顯，難以體現個人水平差異的情況，2022 年建立了虛擬操作的賦分規則，利用計算機技術全程跟蹤學生實驗動作，同時增加了線下考核方式。線下考核通過學生完成小論文的方式進行，虛擬操作考核和線下考核各占50%。結果表明2020 ～2022 年3 年間學生的成績存在極顯著差異，其中2020 年有87.7%的學生成績集中在85 分以上，2021 年89.9%的學生成績集中在85 分以上，2022 年80.8%的學生成績處于85 分以上，高分率明顯降低（見圖7）。完善后的評價體系更能體現學生的真實學習情況，便于有針對性地進行學習指導，提高學習效率。

圖7 2020 ～2022年學生成績

2.2 改進后的蘭科植物傳粉與保護虛擬仿真實驗項目應用于開放共享

除通過國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺開放外，還通過不同途徑進行推廣，增加公眾的關注度。通過教育部“國培計劃”“公費師范生教育碩士培養”教育實習等為中學教學服務，引領中學生物學教學改革。如2022 年7 月，“全國科學教育暑期學?！敝行W教師培訓期間，蘭科植物傳粉與保護虛擬仿真實驗教學培訓項目，得到受訓學員高度認同。通過學術交流、科技周、科普日向社會開放共享，增加公眾的關注度和認可度。如2022 年9 月，湖北省“全國科普日”活動啟動儀式上，參與啟動儀式的社會公眾體驗了該虛擬仿真實驗項目。此外，2021 ～2022 年接待西南師范大學、寧夏大學、南陽師范學院、青海民族大學、海南瓊州師范學院，贛南師范大學，武漢市武漢長江新城管理委員會等20 多所兄弟高校領導老師來訪交流，有效促進了虛擬仿真資源建設的交流、合作與共享。

3 結 語

以國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺為依托，利用課程開放性、共享性的特點，將新的學科前沿和科學研究融入教學，有利于創新人才的培養，解決了以往實驗教學與科學研究聯系不緊密、課程教學時間和空間有限等現實問題［11-14］。通過對原有項目知識結構的補充、評價方式的完善、信息技術的改進，極大地增強了學生使用國家級虛擬仿真實驗項目的沉浸感和挑戰度，充分調動了學生參與實驗的積極性和主動性。同時，基于大數據開展的學情分析和學習過程跟蹤，促進了因材施教和個性化發展。

3 年來，植物學教學團隊將蘭科植物傳粉與保護虛擬仿真實驗項目應用于實驗教學，進行教學改革。教學團隊完成湖北省教學研究項目2 項，撰寫專著（虛擬仿真實驗教學課程建設指南）1 部，發表虛擬仿真實驗教改論文4 篇，“虛實結合的實驗教學推進生物學卓越人才培養研究與實踐”2022 年榮獲第九屆湖北省高等學校教學成果獎二等獎。實驗課程的持續改進，可為其他相關虛擬仿真實驗課程教學革新提供借鑒，各實驗項目協同提升，與時俱進地服務好高校實驗教學和創新人才培養。