胡小平,郝興安,商文靜,朱俊平,高小寧,黃麗麗,康振生

(1.西北農林科技大學 植物保護學院,陜西 楊凌 712100;2.西北農林科技大學 信息工程學院,陜西 楊凌 712100;3.西北農林科技大學 旱區(qū)作物逆境生物學國家重點實驗室,陜西 楊凌 712100)

植物病原菌侵染過程及病害流行過程涉及植物保護、農學、園藝、林學等4個一級學科的“普通植物病理學”、“農業(yè)植物病理學”、“植物病害流行學”、“種子病理學”、“園藝植物病理學”、“果樹病理學”、“牧草病理學”、“草坪病理學”、“花卉病理學”、“森林植物病理學”、“分子植物病理學”、“植物免疫學”等12門課程,是從本科生到博士研究生不同層次的主要教學任務。我校每年教授在校本科生近2000人、碩士和博士研究生近300人,另外植物病理學系還不定期的開展基層植物保護科技人員、果農和菜農的培訓工作。這些課程都是高等農業(yè)院校植物保護、農學、園藝、林學專業(yè)的專業(yè)基礎課或研究生的學位課,是研究微觀和宏觀世界客觀規(guī)律的學科,是針對由真菌、細菌、病毒、植物寄生線蟲等生物因素引起的侵染性病害而言的,其研究對象是人們肉眼看不見的病原微生物及寄主植物受害后的病理現(xiàn)象,或者是植物病害發(fā)生發(fā)展的時間和空間變化過程及影響因素。植物病害在年際間有很大的差異,尤其一些病害在某些年份不發(fā)生,其生活史及在田間的為害過程、發(fā)生流行特點無法看到。[1][2]

我國植物病理學相關課程的教學模式是以課堂講授為主,附以簡單的實驗室及田間觀察。在這種教學模式中,教師是傳播知識的源泉,教師處于中心位置,學生則是被動接受,課堂上信息的傳遞方式主要是文字、聲音及體態(tài)語。對于植物病理學而言,這種教學方法存在以下不足：第一,不能反映植物病害生長發(fā)育的系統(tǒng)過程;第二,植物病害的發(fā)生發(fā)展除受寄主植物和有害生物的作用外,還受到環(huán)境因素的影響及人為因素的干擾,在年際之間,地域之間不盡相同,在主要病害被控制后,次要病害又上升為主要病害,這很難在短期內從教材,實驗材料,教學掛圖等輔助設施上得以補充,使得理論教學與實際脫節(jié);第三,植物病原菌侵染寄主植物的過程屬微觀過程,無法用肉眼直接觀察。如果教師通過三維動畫模擬植物病害的發(fā)生發(fā)展過程,使一些抽象概念形象化、零散知識系統(tǒng)化、微觀現(xiàn)象直觀化,把計算機多媒體技術、動畫技術與傳統(tǒng)的教學方法巧妙地結合在一起,精心設計每個植物病害的發(fā)生發(fā)展過程,來展示知識點,化難為易,可培養(yǎng)學生的學習興趣,提高教學效果,準確地達到預定的教學目標。

為了克服植物病理學相關課程教學中存在的上述缺陷,自1997年開始,[3][4]我們運用計算機多媒體技術,以 window、Flash、數(shù)據(jù)庫、Photoshop及Borland Delphi等為開發(fā)平臺,將圖象處理技術、聲音處理技術、攝影技術、視頻插轉技術融為一體,以圖象、動畫、文字說明和聲音等相互結合的手段來展現(xiàn)植物病理學相關課程的教學內容,總結多年來的教學經(jīng)驗和科研資料,并參照國際上最新的教學體系,陸續(xù)制作了近15種植物主要病原菌侵染植物并引致植物發(fā)病的微觀過程 (表1)。以蘋果黑星病菌 (Venturia inaequalis(Cooke)Wint)侵染蘋果葉片引致發(fā)病過程的動畫模擬為例,[5-8]說明制作過程。

表1 植物病原菌侵染過程動畫模擬

一、制作過程

這里以蘋果黑星病菌侵染和病害流行過程為例(圖1)說明黑星病菌侵染蘋果葉片的微觀過程。蘋果黑星病又稱瘡痂病 (App le scab),是世界各蘋果產區(qū)的重要病害之一,廣泛發(fā)生于除我國以外的世界各蘋果產區(qū),具有流行速度快、危害性大、難于防治等特點。黑星病菌主要侵染蘋果葉片和果實,也可侵染葉柄、花、萼片、花梗、幼嫩枝條和芽鱗等,嚴重時造成落葉、落果,受害果實開裂畸形,直接影響蘋果的產量、品質及商品價值。在我國渭北旱塬,蘋果黑星病菌以假囊殼的形式在蘋果落葉中越冬,次年春天在適量降雨或露水條件下子囊孢子開始釋放,隨氣流傳播,在角質層和表皮細胞間隙擴展,經(jīng)過一個潛育期,產生大量的分生孢子,借雨水飛濺并進行多次再侵染傳播。這只是一個靜態(tài)圖片,如果動態(tài)地展現(xiàn)病原菌侵染過程、寄主組織的病理變化過程和病害流行過程,效果將更好。具體的步驟如下。

圖1 蘋果黑星病菌侵染過程和病害流行過程線條圖

1.制作元件。在繪圖紙上繪制蘋果黑星病菌的分生孢子、假囊殼、子囊、子囊孢子、分生孢子梗、菌絲、蘋果芽、蘋果、蘋果葉片、落葉樹及落葉、蘋果葉片橫截面等素描圖,經(jīng)掃描儀掃描并保存為位圖。新建立一個 Flash文檔,單擊 【文件】/【導入】/【導入到庫】,在打開的對話框中把要導入的圖片 (蘋果黑星病菌及蘋果樹相關的圖片)一起選中,單擊 【打開】,完成圖片導入到庫面板中。

2.創(chuàng)建動畫。默認狀態(tài)下第一幀是關鍵幀。單擊第一幀,將庫面板中的蘋果葉片放置在中央位置 (作為背景),從庫面板中調入黑星病菌分生孢子,放置在畫面的左上角,繪制雨水降落的軌跡,形成一個包含2個分生孢子的水滴,沿著一個水滴飛濺的軌跡正好落在了蘋果葉片上 (這個過程給出大約5秒的時間),經(jīng)過約24小時 (模擬一個大概時間段)后,分生孢子萌發(fā),產生芽管并帖著葉片表面生長 (這個過程給出大約5秒的時間),形成附著孢并產生侵染釘,穿透角質層 (這個過程給出大約5秒的時間),菌絲在表皮細胞和角質層間擴展 (這個過程給出大約5秒的時間)。

二、教學效果

近15年來,在西北農林科技大學教學改革項目的陸續(xù)支持下,我們制作完成了15種作物和果蔬主要病害發(fā)生為害的微觀過程,自2004年開始在涉及植物病理學相關課程中使用。通過對近10年來植物病理學課程考試題的答對率 (正確率)統(tǒng)計分析 (表2),可以看出,“小麥條銹菌侵染過程及吸器特征”試題的答對率從動畫教學使用前的40.6%提高到了動畫教學使用后的91.5%;“蘋果黑星病菌主要傳播方式及菌絲擴展部位”試題的答對率從動畫教學使用前的1.6%提高到了動畫教學使用后的99.5%;“黃瓜霜霉病菌流行的主要因素分析”試題的答對率從動畫教學使用前的61.6%提高到了動畫教學使用后的97.2%;“馬鈴薯晚疫病菌孢子囊侵染部位”試題的答對率從動畫教學使用前的36.9%提高到了動畫教學使用后的97.0%;“玉米大斑病菌引起病變的原因”試題的答對率從動畫教學使用前的64.4%提高到了動畫教學使用后的94.3%。因此,在植物病理學相關課程中使用動畫模擬病原菌侵染植物的過程,可以使微觀現(xiàn)象直觀化,增強了學生的學習興趣,同時,大幅提升了植物病理學相關課程的教學效果。

表2 動畫教學效果統(tǒng)計表

三、討論

近15年來,我們課程組在西北農林科技大學教學改革項目、國家級植物病理學教學團隊的陸續(xù)支持下,并根據(jù)植物病理課程的特點,利用科研平臺資源將田間病害發(fā)生危害現(xiàn)狀、不同病害的發(fā)生規(guī)律和識別特點、不同防治技術和藥劑進行收集、整理、加工、分類,按教學內容和課程分別整理,如將大量的病害識別癥狀照片、病原菌形態(tài)識別電鏡照片等圖片資料、病害侵染過程的二維及三維動畫采用教學多媒體、網(wǎng)絡等教學形式應用于課堂教學,從而使課堂教學內容更加豐富、直觀、具體、生動形象,使微觀物體可視化,使零散的知識系統(tǒng)化,使抽象的事物形象化、動畫化。實驗課使用顯微鏡CCD成像系統(tǒng)來觀察病原真菌形態(tài),播放實驗電教片等現(xiàn)代教學手段,使學生能夠直觀地了解和掌握各種植物病害的診斷癥狀特點、病原菌形態(tài)識別特點等。另外,植物病理類系列課程的省級和校級精品課程、主干課程的教學課件、植物病原真菌形態(tài)結構素材庫、植物病害癥狀圖片和視頻庫、病害循環(huán)圖庫和動畫庫等均在建立的植物病理學網(wǎng)站上展示。通過課堂和網(wǎng)絡,促進了學生自主學習的積極性。通過問卷調查以及教學成果質量的分析可以看出運用動畫模擬植物病原菌侵染過程教學法后,學生的學習興趣、積極性均明顯提高,變被動學習為主動學習,大大提高了教學效果。

當然,植物病原菌侵染過程動畫模擬的教學法在植物病理學專業(yè)教學實施過程中還存在一些問題,比如病原菌侵染過程中的一些問題包括寄主在生理生化及信號轉導、病原菌的識別機制等涉及分子水平上的細節(jié),如何采用二維或者三維的方式展現(xiàn),仍需要在今后的科學研究和教學研究中進一步探討。

[1]馬占鴻.植物病流行學 [M].北京：科學出版社,2010.

[2]宗兆鋒,康振生.植物病理學原理 [M].北京：中國農業(yè)出版社,2002.

[3]胡小平,范三紅,楊之為,張管曲,羅都強.多媒體教育面面觀[J].西北農林高等教育,1997,(2)：64-65.

[4]張管曲,胡小平,成祥瑞.多媒體教學軟件制作初探 [J].高等農業(yè)教育,1999,(專刊)：73-75.

[5]HUANG Li-li,KANG Zhen-sheng,Guo Jingquan,YAN Yong-gan,YANG H ua.Development of Venturia inaequa lis on apple leaves observed by electron microscope[J].Mycosystema,2003,22(3)：494-497.

[6]李保華,董向麗,徐向明.蘋果黑星病菌在葉組織內的擴展形態(tài) [J].萊陽農學院學報,2005,22(1)：1-4.

[7]胡小平,張吉光,陳婧,周書濤,楊家榮,康振生.新疆野蘋果和秦冠的抗黑星病特性[J].植物病理學報,2010,40(6)：609-614.

[8]康振生,黃麗麗,李金玉.植物病原真菌超微形態(tài)[M].北京：中國農業(yè)出版社,1997.