VR技术在植物分类学课程中的应用

［摘要］信息技术的不断发展有效地提升了高校课程的教学效果，尤其是虚拟现实技术（VR）与课程的深度融合产生了划时代的教育新范式。高校植物分类学课程教学中，为培养学生分类观察与分析能力，应用 VR技术，构建虚拟植物标本馆、模拟植物分类环境、助力野外采集与标本制作，可提升植物分类学课程教学效果，提高学生学习兴趣与积极性，培养学生的空间想象力，丰富标本资源，拓展课程知识。

［关键词］虚拟现实技术；植物分类学课程；高校；教学

［中图分类号］G712 ［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2024）12-0046-04

随着计算机技术和三维虚拟仿真技术的发展，虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术在医疗、工业、教育、交通等领域的应用日益广泛。VR技术可以创建沉浸式的虚拟环境和模拟情景，让使用者可以身临其境地进行交互式学习。这对于提高学生学习兴趣，增强学习效果，特别是对于需要进行场景体验的学科而言，具有独特的优势。植物分类学是生物类专业的重要基础学科，需要学生通过大量标本观察、鉴定来掌握植物的分类方法与原则。但当前的植物分类学教学仍然存在一些问题，例如，学生仅仅依靠对图片的观察很难建立起在立体空间中对植物形态结构的直观认知。因此，将VR技术引入高校植物分类学课程，对激发学生学习兴趣，提高教学质量具有重要意义。本研究将探讨VR技术在植物分类学课程中的具体应用方式，并对存在的问题及未来的发展趋势进行分析，以期推动VR技术在生物科学及相近专业教学领域的应用，从而丰富植物分类学课程的教学手段，提高教学效果。

一、VR技术在教学领域的应用情况

近年来，VR技术在教育领域的应用日渐广泛。在自然科学教学中，VR技术可以模拟宇宙空间、细胞结构、植被生态等模型，学生可以身临其境地观察各种事物的运动变化，有助于加深对抽象科学概念的理解[1]。在历史文化课程中，VR技术可以重建古文明遗址或重要历史事件场景，帮助学生通过虚拟时间旅行，增强历史触感。例如，学生可以穿越到古罗马角斗场，亲身感受那个时代的建筑奇观和角斗氛围[2]，这相比于仅仅观看图片或视频无疑能带来更深刻的历史体验。在语言学习中，VR技术可以模拟真实语言环境，如街景、商店、餐厅等，让学生通过沉浸式的角色扮演对话来提高口语能力。这种沉浸式学习可以降低学生学习外语时的焦虑情绪，提高其学习兴趣[3]。在职业教育、技能培训等方面[4-5]，VR技术更是将其优势和潜能展现得淋漓尽致，它可以通过打造沉浸式的学习环境，提供安全的可以反复练习的条件，从而激发学生的学习兴趣、提升教学效果，这种创新的教学模式对传统教育产生了深刻的影响。

二、高校植物分类学教学课程的现状及存在的问题

高校植物分类学课程以植物的形态分类知识为主线，通过理论教学和实验实习两种教学形式，使学生掌握植物形态特征的观察与描述方法，了解植物命名法则与分类体系，最终能够准确地识别和鉴定不同的植物分类群[6]。理论与实践相结合是该课程的主要特点，学生既要掌握植物分类学的基础理论，又要具备运用所学知识进行植物观察和鉴定的基本技能。

长期以来，高校植物分类学课程较为注重理论知识的传授，忽视了学生分类观察与分析能力的培养[7]，这与当代分类学研究的新发展脱节。具体来说，课程知识更新不够及时，仍停留在传统的分类体系上；课程设置过分强调记忆，而不足以激发学生的分类兴趣与主动学习精神；理论教学与实际应用仍有差距；标本保存状况与实验实习条件较为欠佳。这些问题容易导致学生在现有的教学条件下，学习效果不佳，限制学生分类观察、分析与鉴定能力的培养[8]。因此，有必要通过调整教学内容与方法、丰富教学手段、完善实习条件等方式，使植物分类学教学更贴近学科发展前沿，以提高人才培养质量。

三、VR技术在高校植物分类学课程中的应用

（一）构建虚拟植物标本馆

利用VR三维建模技术，可以构建虚拟的植物标本馆。在虚拟标本馆中，可以按照科学的标本布局（如按分类系统和地域区系）展示各类数字化植物标本[9]。学生戴上VR设备进入虚拟标本馆后，可以自主地在标本馆内翻看所有的虚拟标本[10]。同时，虚拟标本馆可以模拟真实标本室的光照条件、空间氛围等，营造沉浸式的虚拟学习环境。这可以打破实体标本馆的空间限制，实现标本资源的共享，使更多学生在虚拟环境中获得观察标本的机会[11]。

VR虚拟植物标本是将实物植物标本数字化建立的三维虚拟植物标本，学生可以通过VR设备观察虚拟标本的形态结构，从而解决实物标本数量有限、保存状态差等问题[12]。在VR环境中，学生可以自由选择观察标本的角度和方位，进行全方位立体观察，甚至可以放大标本的局部微小结构。同时，VR植物标本还可以展示一些标注信息，如植物组织名称、特征等，辅助学生学习[13]。此外，VR植物标本展示还可设置不同的情景模式，模拟野外环境，让学生身临其境地观察虚拟植物标本，增强空间想象力和分类鉴定能力。

（二）模拟植物分类环境

利用VR技术，可以高度仿真构建多种虚拟植物分类环境，为学生提供沉浸式的虚拟野外教学体验[14]。例如，营造逼真的热带雨林环境，虚拟植被层次分明，学生可以深入观察热带雨林中的植物形态特征；可以构建干旱的沙漠环境，让学生观察沙漠植物的适应性状。同时，在模拟的人工栽培环境（如植物园、植物温室、种植基地等）中，学生可较好地观察人工管控下不同植物的状态。相比实际野外教学的种种限制，VR虚拟环境可以自主控制季节、气候等参数，全方位展示植物形态特征，帮助学生培养立体的植物分类思维。这种沉浸式的虚拟分类环境，可以弥补现有教学条件的不足，达到事半功倍的教学效果[15]。

（三）助力野外采集与标本制作

利用虚拟现实技术构建沉浸式的野外植物采集环境，是应用VR辅助植物分类学课程教学的重要环节。在逼真的虚拟森林、草原、湿地等复杂场景中，学生可以身临其境地使用虚拟工具采集各类野生植物[14]，虚拟植物标本涵盖不同植被类型中的代表种，采集工具能够实现真实的物理碰撞、切割等效果，而且可以设置随机天气、动物干扰等情境，提高采集难度。学生完成虚拟野外采集后，可以进入功能齐全的虚拟植物标本加工室。这里提供按压机、烘箱、枝剪刀等虚拟仪器设备，用于对采集的虚拟植物进行精确的标本加工[16]。软件可以检测标本制作的精确度，对标本质量、压平效果等给出即时反馈。虚拟标本制作能够避免损伤真实植物，实现资源的保护与可持续利用。制作完成的高质量虚拟植物标本会上传到系统数据库中进行统一管理，学生可以在虚拟植物标本馆中翻阅自己的采集成果。通过重复的虚拟野外采集体验，学生可以有效培养野外观察、采集和制作能力。相比现实的野外采集限制，虚拟环境的最大优势在于可以自定义植物分布、气候、地形等条件，提供系统而全面的野外教学效果。这种沉浸式的虚拟植物采集与标本制作体验，能够强化学生对实际野外植物进行分类的能力，促进理论与实践的有机结合。

四、VR技术对植物分类学课程教学效果的提升

（一）提高学生学习兴趣与积极性

虚拟现实技术可以构建高度仿真的沉浸式的虚拟植物分类环境，让学生身临其境地观察各类植物标本，加深对不同植物类群的印象，激发学习兴趣[12]。例如，可以利用VR技术模拟植物的进化过程，让单细胞到多细胞的形成这一抽象知识变得直观。在这样的虚拟环境中，学生可以更好地理解植物分类的由来。此外，VR技术能够可视化地呈现植物的分类系统，学生可以在分类树不同的分支上“行走”，对各分类群的代表植物进行观测，加深对植物分类系统的认知。总体而言，VR技术通过沉浸式体验，将枯燥的植物分类知识转化为新颖的探索体验，能够调动学生学习的积极性，培养学生对植物分类学课程的兴趣。

（二）培养学生的空间想象力

虚拟现实技术可以高度逼真地模拟植物的三维特征，相比传统的二维平面教学能更有效地培养学生的空间想象力。在VR环境中，学生可以自主调整视角和距离，全方位观察精细的三维植物模型，从不同的角度检视植物的形态结构，加深对其特征的理解。这种自主探索的学习方式，极大激发和增强了学生的空间思维能力。除了静态的三维植物模型，VR技术还可以模拟复杂的三维场景，培养学生运用和组织空间信息的能力，如根据周遭植被变化判断自身方位、绘制思维导图等。这些虚拟场景还可以设置随机出现的各种动植物，学生需要根据周边环境变化做出快速反应，判断方位，从而增强空间观察力。VR技术通过多种交互式的三维环境与任务的模拟，切实培养和提升学生的空间想象与思维能力，这对学习准确分类识别植物至关重要。

（三）丰富标本资源，拓展课程知识

由于采集、保存及运输等方面的限制，许多高校的植物标本数量有限，且种类较为单一，这在很大程度上制约了植物分类学课程教学的内容拓展。利用虚拟现实技术能够构建高度仿真的数字化三维植物标本，有效弥补真实标本的种类和数量不足的问题，大幅拓展了植物分类学课程教学的知识范围。VR技术能够实现快速构建包含海量植物图片的数据库，搭建出任意数量的三维植物模型，覆盖包括珍稀、外来种在内的各类植物，而真实标本则难以做到。同时，VR技术能够构建放置在不同的环境下，如雨林、草原等多个虚拟场景的植物，从而帮助学生了解植被分布规律，突破单一标本的限制。此外，VR数字标本还能实现内容的持续动态更新，且不像实物标本那样容易被损坏。因此，VR技术构建的数字化植物标本，在数量、种类、结构等方面弥补了真实标本的不足，显著拓展了植物分类学课程的知识内容。

五、问题与展望

当前VR技术在植物分类课程教学中还存在一些问题。首先，VR内容制作需要耗费较大的人力与物力。植物结构复杂多样，要构建精细、逼真的三维模型，需要专业制作人员投入大量时间，且多次修改调整细节。比如构建一株典型的蔷薇科植物的模型，需要经过收集图片、建模、添加纹理等环节，至少需要设计师耗费1～2周的工作量。其次，VR设备的高价格也制约了其在植物分类学课程教学中的大规模普及。配备符合要求的VR头显、数据手套等一套虚拟仿真系统，需要投资数万元以上，而学生人数众多，很难确保每名学生获得独立的虚拟实验体验。最后，VR教学效果评估体系还不够完善。

但是，随着数字信息技术的进一步发展，上述技术层面的限制正逐步被打破。基于深度学习的三维重建算法，可以快速自动生成植物模型。比如利用循环神经网络，只需要输入菊花的数十张不同角度的照片，就可以快速生成出高逼真的三维菊花模型。这样可以大规模自动批量生成不同的VR植物标本。此外，新型轻便的VR设备更易于学习使用。以最新一代Oculus Quest 2头显为例，它采用便携一体设计，内置处理器，不需要额外电脑连接。学生只需佩戴头显，手持操作杆，就可以自由观察VR中的植物标本，提供完整的沉浸式体验。面向未来，云端技术支持下的虚拟植物标本馆能够提供更加开放丰富的VR植物分类学资源，打破课程地域限制，将深刻拓展植物分类学课程的教学模式。学生甚至可以通过互联网访问位于世界顶尖大学的云端VR植物标本馆，自主选择并深入了解丰富多样的植物类群，获得开放式的虚拟学习体验。

可以预见，基于视听技术的快速发展，VR技术支持下的植物分类学教学在算法、设备、内容及模式上都会得到长足发展。这不仅将大幅提升学习效果，而且将深刻改变和优化植物分类学的教学模式。

［参考文献］

[1] JENSEN L， KONRADSEN F. A review of the use of virtual reality head⁃mounted displays in education and training [J]. Education and information technologies， 2018， 23（4）： 1515-1529.

[2] TURAN Z， MERAL E， SAHIN I F. The impact of mobile augmented reality in geography education： achievements， cognitive loads and views of university students [J]. Journal of geography in higher education， 2018， 42（3）： 427-441.

[3] CARROZZINO M， BERGAMASCO M. Beyond virtual museums： experiencing immersive virtual reality in real museums [J]. Journal of cultural heritage， 2010， 11（4）： 452-458.

[4] EBADI S， EBADIJALAL M. The effect of Google Expeditions virtual reality on EFL learners' willingness to communicate and oral proficiency [J]. Computer assisted language learning， 2022， 35（8）： 1975-2000.