易 敏，賴 猛，胡冬南，劉 娟，靳藏馥，馬際凱

（江西農業(yè)大學 江西省森林培育重點實驗室/江西特色林木資源培育與利用2011協(xié)同創(chuàng)新中心，江西 南昌 330045）

林木育種學是運用遺傳學原理，研究林木良種選育與繁殖理論及技術的科學，為林學專業(yè)必修課程[1]。通過教學，可以使學生較全面、系統(tǒng)地掌握林木育種的基本理論技術，為今后從事林木良種選育研究、資源管理、良種擴繁和推廣應用等工作奠定基礎[2]。林木育種學課程包括理論和實踐兩部分。實踐包括實驗和實習[3]。但因教學計劃的安排，林木育種學并未安排單獨的實習，因此實驗教學效果的好壞就直接影響著教學質量。由于課程學時的壓縮，林木育種學的教學時長只有40學時，其中24學時的理論教學，16學時的實驗教學，共包含4個實驗，而林木有性雜交作為實驗教學的核心內容之一，與實際生產實踐緊密相連[4-5]，卻只有4個學時的教學時間。因此，在實驗教學時長嚴重不足的情況下，想在有限的時間內完成教學目標，達到較好的教學效果，就要求學生必須掌握牢固的專業(yè)知識和較強的專業(yè)技能。所以，如何成系統(tǒng)、熟練靈活地綜合運用雜交理論進行林木有性雜交實際操作是目前該實驗教學的難點。

VR技術又稱虛擬現實技術（virtual reality，VR），是一種多維化的信息空間處理技術，可以構建出視、聽、觸覺等多方面為一體的仿生現實環(huán)境，具有沉浸性、交互性、想象性等優(yōu)點[6-7]，已廣泛應用于農林教育領域，如植物組織培養(yǎng)[8]、森林防火[9]、植物鑒別及病蟲害防治[10]、風景園林設計[11]等，但在林木育種教學中未見報道。本文結合有性雜交實驗教學的現狀及VR技術的優(yōu)勢，探討VR技術在有性雜交實驗教學中的應用前景。

1 傳統(tǒng)林木有性雜交實驗教學中存在的主要問題

林木有性雜交實驗在林木育種學實驗教學中發(fā)揮了重要作用，通過實驗教學可增進學生對雜交理論知識的理解，同時也提高學生的實踐能力，但由于其自身的特點，實驗教學開展仍存在一定的局限性，主要包括以下幾點：

1.1 實驗材料選擇有限，地方特色不突出

有性雜交實驗課程設置時間為4—5月份，此時開花的林木較少，使得開展實驗時材料往往不足，學生可選擇的材料有限，導致實驗盲目性較大，最終取得的實驗效果不佳。江西是全國油茶中心產區(qū)，全省各地均有油茶分布。截至目前，全省油茶林總面積已達到106.53萬公頃，年產茶油23.97萬t，油茶林面積和產量均居全國第二位[12]。雜交育種是改良油茶品質，培育油茶優(yōu)良品種，加快油茶產業(yè)化發(fā)展進程的重要途徑。但油茶一般從9月中旬開花起到次年2月下旬止，不同品種開花時間有所差異，當年9—10月，果實生理成熟時進行采收[13-14]，與理論教學時間不能匹配，實際教學中無法將油茶作為實驗對象，導致地方特色不突出。

1.2 傳統(tǒng)授課方式難理解

傳統(tǒng)的實驗教學以老師為中心，老師在課堂上以文字和圖片的形式通過多媒體課件等二維結構來講授實驗操作的原理和步驟，并到室外進行實際操作的演示，隨后學生再按照老師的操作進行模仿。在這樣的實驗教學模式中，缺乏臨場感和交互體驗，無法調動學生的積極性，學生學習被動，導致教學內容理解困難，動手操作能力不足，難以達到理想的教學效果。

1.3 實際雜交過程難體驗

林木有性雜交過程復雜、步驟較多、持續(xù)時間長，由于教學時長的限制，學生無法在有限的4個課時內全程體驗從雜交到收獲種子的有性雜交整個過程。到學期末課程結束時，往往觀察不到座果情況，導致實驗結果不理想。

因此，單純依賴理論課程和真實實驗教學無法滿足教學效果，必須要采用信息化手段，通過引入VR技術，針對油茶花結構解析、油茶花粉采集、油茶有性雜交過程、雙受精及油茶果實發(fā)育等，真實、生動地展示每一雜交步驟的效果?；赩R技術的林木有性雜交實驗可大大縮短教學周期，由于不受實驗場地要求和時間的限制，能夠較好地保證林木有性雜交實驗的完整性。另外，VR教學能夠與理論課程相結合，學生通過虛實結合的實驗教學，豐富了教學內容和形式，能更加系統(tǒng)、全面地掌握雜交的理論知識和實際操作技能，拓展了教學的深度和廣度，綜合實踐能力和創(chuàng)新能力得到提高。

2 VR技術在林木有性雜交實驗教學中的具體應用

基于VR技術的油茶有性雜交技術緊密結合林木育種學的教學重點和油茶行業(yè)發(fā)展的需求，通過油茶花結構分析、油茶花粉采集、油茶有性雜交過程展示、油茶雙受精及果實發(fā)育過程等環(huán)節(jié)，真實、生動地展示每一雜交步驟的效果。

在教學內容的安排上，按照林木育種學實驗課程的教學大綱及教學內容，采用線上線下混合式教學的模式，教學過程分為課前預習、課堂實施和課后鞏固3個階段。由此，鍛煉學生發(fā)現、分析、解決問題的能力，由被動學習轉變?yōu)橹鲃訉W習，達到提高學生綜合運用能力的目的。

2.1 課前預習

利用線上網絡平臺，搜集雜交相關視頻、經典案例、最新研究成果等向學生展示有性雜交所取得的成就以及油茶在江西所處的地位，激發(fā)學生的學習興趣和熱情，提高學生自主學習的積極性。

2.2 課堂實施

利用VR技術針對教學重點、難點進行展示，通過人機互動、場景重現的方式，綜合運用相關的理論知識，體驗和掌握油茶有性雜交各個環(huán)節(jié)過程。

2.2.1油茶花結構分析了解油茶花結構是開展油茶有性雜交過程的基礎，但由于課程開設時間為上半年，而油茶開花在下半年，導致學生實際接觸油茶花的機會較少，對油茶花結構的認知有限。通過VR技術構建油茶花結構的仿真模型（圖1），并對油茶花的雌蕊、雄蕊、花瓣和萼片等4個組成部分進行分解和組裝，過程生動有趣、形象逼真，讓同學們在拆分和組合過程中加深對油茶花結構的理解，為后續(xù)順利開展油茶有性雜交打下基礎。

圖1 油茶花結構VR示意圖

2.2.2油茶花粉采集當雜交親本花期不遇時，收集花粉就成為開展有性雜交實驗的必要步驟。以往學生開展室外雜交實驗時，只能選擇花期一致的材料開展實驗，花粉現采現用，導致可供選擇的親本材料十分有限。另外，花粉采集與生活力測定是林木育種學實驗教學的另一個重要實驗內容，以往是作為兩個單獨的實驗來開展。通過VR技術，將兩個實驗進行整合形成關聯(lián)性的實驗內容后，可使實驗教學更加系統(tǒng)、目的性更明確。

2.2.3油茶有性雜交過程利用道具場景和道具模型形象地展示野外油茶林的環(huán)境，通過仿真實驗頁面的文字提示，引導學生進行去雄、套袋、授粉、去袋等實驗操作，通過虛擬仿真實驗平臺進行反復練習，掌握正確的操作步驟，從而在真實的雜交實驗中做到規(guī)范和準確。

2.2.4雙受精及油茶果實發(fā)育有性雜交持續(xù)時間長，一般要到下半年才能收獲果實，由于實驗條件和時長的限制，學生很難觀察到油茶的雙受精作用及收獲油茶果實。通過VR技術即可使學生感受油茶雙受精的整個過程，又可利用時間軸完整展示油茶從雙受精到果實發(fā)育成熟的動態(tài)過程，縮短了教學時長，提高了學生的興趣。

2.3 課后鞏固

2.3.1理論鞏固以思維導圖的形式將課程知識點進行總結，利用網絡教學平臺發(fā)布練習題，并以小游戲的形式對油茶雜交過程進行簡單操作，提高同學們的學習興趣和參與度，加強學生對油茶有性雜交的理解和認識。

2.3.2技能鞏固通過VR實驗的模擬訓練，學生已經十分了解有性雜交的實驗原理及操作過程，因此，在線下開展室外的有性雜交實驗時，所有的實驗步驟學生都需要自己再實際操作一遍，這樣將虛擬與現實相結合的方式，可明顯降低操作的錯誤率，達到掌握相應實驗技能的教學效果。

3 VR技術在林木有性雜交實驗教學中的應用成效

3.1 打破時間和空間的限制，完整展示油茶從開花到結果的全過程

傳統(tǒng)的林木有性雜交實驗所利用的材料選擇范圍小，對時間的要求較高，從開花的觀察到雜交果實的收獲需要6個月以上的時間，而受限于教學時長，學生很難體驗到雜交全過程。通過VR技術，學生能夠在線進行油茶花結構的拆解；花粉的采集、儲存；有性雜交過程，并能體驗到雙受精及果實發(fā)育變化，可以在4個課時內完成整個實驗操作流程，有效地解決了因有性雜交周期過長及課時限制導致實驗結果難以跟蹤的難題，節(jié)約了時間和成本，同時也加深了學生對油茶的了解，體現了地方特色。此外，應用VR技術，可以突破時空的制約，隨時隨地進入學習環(huán)境，自主安排學習的進度[15]。以往在受到不可抗力因素的影響時（如新冠疫情），林木育種學的實驗課程只能延期或者自學，但有了VR技術以后，線上試驗課程也能順利開展。

3.2 通過VR技術打造身臨其境的虛擬場景，極大提高學生的學習興趣

通過VR技術，打造了實驗室、油茶林等虛擬場景，給學生帶來了沉浸式體驗，仿佛置身于真實的實驗室和油茶林中，學生可以按照自身意愿從多個角度對有性雜交過程進行實時的觀察，從視覺、聽覺、觸覺等多感官進行全身心的體驗，使情境體驗與互動在課程學習過程中的比重加大，極大的提高了學生的學習興趣。

3.3 通過人機互動，真實體驗操作過程，加深對雜交技術的理解程度

VR技術操作簡單，易于掌握，學生可通過佩戴VR頭盔，可通過手柄碰觸選擇實驗過程，實現人機互動[16]。通過VR技術可對有性雜交具體過程進行模擬，實驗可以無限重復進行，學生通過反復的操作可以判斷實驗設計是否合理，同時也可加深對雜交技術的理解和操作的熟練度，提高學生在實際有性雜交實驗過程中的成功率。