易 敏，赖 猛，胡冬南，刘 娟，靳藏馥，马际凯

（江西农业大学 江西省森林培育重点实验室/江西特色林木资源培育与利用2011协同创新中心，江西 南昌 330045）

林木育种学是运用遗传学原理，研究林木良种选育与繁殖理论及技术的科学，为林学专业必修课程[1]。通过教学，可以使学生较全面、系统地掌握林木育种的基本理论技术，为今后从事林木良种选育研究、资源管理、良种扩繁和推广应用等工作奠定基础[2]。林木育种学课程包括理论和实践两部分。实践包括实验和实习[3]。但因教学计划的安排，林木育种学并未安排单独的实习，因此实验教学效果的好坏就直接影响着教学质量。由于课程学时的压缩，林木育种学的教学时长只有40学时，其中24学时的理论教学，16学时的实验教学，共包含4个实验，而林木有性杂交作为实验教学的核心内容之一，与实际生产实践紧密相连[4-5]，却只有4个学时的教学时间。因此，在实验教学时长严重不足的情况下，想在有限的时间内完成教学目标，达到较好的教学效果，就要求学生必须掌握牢固的专业知识和较强的专业技能。所以，如何成系统、熟练灵活地综合运用杂交理论进行林木有性杂交实际操作是目前该实验教学的难点。

VR技术又称虚拟现实技术（virtual reality，VR），是一种多维化的信息空间处理技术，可以构建出视、听、触觉等多方面为一体的仿生现实环境，具有沉浸性、交互性、想象性等优点[6-7]，已广泛应用于农林教育领域，如植物组织培养[8]、森林防火[9]、植物鉴别及病虫害防治[10]、风景园林设计[11]等，但在林木育种教学中未见报道。本文结合有性杂交实验教学的现状及VR技术的优势，探讨VR技术在有性杂交实验教学中的应用前景。

1 传统林木有性杂交实验教学中存在的主要问题

林木有性杂交实验在林木育种学实验教学中发挥了重要作用，通过实验教学可增进学生对杂交理论知识的理解，同时也提高学生的实践能力，但由于其自身的特点，实验教学开展仍存在一定的局限性，主要包括以下几点：

1.1 实验材料选择有限，地方特色不突出

有性杂交实验课程设置时间为4—5月份，此时开花的林木较少，使得开展实验时材料往往不足，学生可选择的材料有限，导致实验盲目性较大，最终取得的实验效果不佳。江西是全国油茶中心产区，全省各地均有油茶分布。截至目前，全省油茶林总面积已达到106.53万公顷，年产茶油23.97万t，油茶林面积和产量均居全国第二位[12]。杂交育种是改良油茶品质，培育油茶优良品种，加快油茶产业化发展进程的重要途径。但油茶一般从9月中旬开花起到次年2月下旬止，不同品种开花时间有所差异，当年9—10月，果实生理成熟时进行采收[13-14]，与理论教学时间不能匹配，实际教学中无法将油茶作为实验对象，导致地方特色不突出。

1.2 传统授课方式难理解

传统的实验教学以老师为中心，老师在课堂上以文字和图片的形式通过多媒体课件等二维结构来讲授实验操作的原理和步骤，并到室外进行实际操作的演示，随后学生再按照老师的操作进行模仿。在这样的实验教学模式中，缺乏临场感和交互体验，无法调动学生的积极性，学生学习被动，导致教学内容理解困难，动手操作能力不足，难以达到理想的教学效果。

1.3 实际杂交过程难体验

林木有性杂交过程复杂、步骤较多、持续时间长，由于教学时长的限制，学生无法在有限的4个课时内全程体验从杂交到收获种子的有性杂交整个过程。到学期末课程结束时，往往观察不到座果情况，导致实验结果不理想。

因此，单纯依赖理论课程和真实实验教学无法满足教学效果，必须要采用信息化手段，通过引入VR技术，针对油茶花结构解析、油茶花粉采集、油茶有性杂交过程、双受精及油茶果实发育等，真实、生动地展示每一杂交步骤的效果。基于VR技术的林木有性杂交实验可大大缩短教学周期，由于不受实验场地要求和时间的限制，能够较好地保证林木有性杂交实验的完整性。另外，VR教学能够与理论课程相结合，学生通过虚实结合的实验教学，丰富了教学内容和形式，能更加系统、全面地掌握杂交的理论知识和实际操作技能，拓展了教学的深度和广度，综合实践能力和创新能力得到提高。

2 VR技术在林木有性杂交实验教学中的具体应用

基于VR技术的油茶有性杂交技术紧密结合林木育种学的教学重点和油茶行业发展的需求，通过油茶花结构分析、油茶花粉采集、油茶有性杂交过程展示、油茶双受精及果实发育过程等环节，真实、生动地展示每一杂交步骤的效果。

在教学内容的安排上，按照林木育种学实验课程的教学大纲及教学内容，采用线上线下混合式教学的模式，教学过程分为课前预习、课堂实施和课后巩固3个阶段。由此，锻炼学生发现、分析、解决问题的能力，由被动学习转变为主动学习，达到提高学生综合运用能力的目的。

2.1 课前预习

利用线上网络平台，搜集杂交相关视频、经典案例、最新研究成果等向学生展示有性杂交所取得的成就以及油茶在江西所处的地位，激发学生的学习兴趣和热情，提高学生自主学习的积极性。

2.2 课堂实施

利用VR技术针对教学重点、难点进行展示，通过人机互动、场景重现的方式，综合运用相关的理论知识，体验和掌握油茶有性杂交各个环节过程。

2.2.1油茶花结构分析了解油茶花结构是开展油茶有性杂交过程的基础，但由于课程开设时间为上半年，而油茶开花在下半年，导致学生实际接触油茶花的机会较少，对油茶花结构的认知有限。通过VR技术构建油茶花结构的仿真模型（图1），并对油茶花的雌蕊、雄蕊、花瓣和萼片等4个组成部分进行分解和组装，过程生动有趣、形象逼真，让同学们在拆分和组合过程中加深对油茶花结构的理解，为后续顺利开展油茶有性杂交打下基础。

图1 油茶花结构VR示意图

2.2.2油茶花粉采集当杂交亲本花期不遇时，收集花粉就成为开展有性杂交实验的必要步骤。以往学生开展室外杂交实验时，只能选择花期一致的材料开展实验，花粉现采现用，导致可供选择的亲本材料十分有限。另外，花粉采集与生活力测定是林木育种学实验教学的另一个重要实验内容，以往是作为两个单独的实验来开展。通过VR技术，将两个实验进行整合形成关联性的实验内容后，可使实验教学更加系统、目的性更明确。

2.2.3油茶有性杂交过程利用道具场景和道具模型形象地展示野外油茶林的环境，通过仿真实验页面的文字提示，引导学生进行去雄、套袋、授粉、去袋等实验操作，通过虚拟仿真实验平台进行反复练习，掌握正确的操作步骤，从而在真实的杂交实验中做到规范和准确。

2.2.4双受精及油茶果实发育有性杂交持续时间长，一般要到下半年才能收获果实，由于实验条件和时长的限制，学生很难观察到油茶的双受精作用及收获油茶果实。通过VR技术即可使学生感受油茶双受精的整个过程，又可利用时间轴完整展示油茶从双受精到果实发育成熟的动态过程，缩短了教学时长，提高了学生的兴趣。

2.3 课后巩固

2.3.1理论巩固以思维导图的形式将课程知识点进行总结，利用网络教学平台发布练习题，并以小游戏的形式对油茶杂交过程进行简单操作，提高同学们的学习兴趣和参与度，加强学生对油茶有性杂交的理解和认识。

2.3.2技能巩固通过VR实验的模拟训练，学生已经十分了解有性杂交的实验原理及操作过程，因此，在线下开展室外的有性杂交实验时，所有的实验步骤学生都需要自己再实际操作一遍，这样将虚拟与现实相结合的方式，可明显降低操作的错误率，达到掌握相应实验技能的教学效果。

3 VR技术在林木有性杂交实验教学中的应用成效

3.1 打破时间和空间的限制，完整展示油茶从开花到结果的全过程

传统的林木有性杂交实验所利用的材料选择范围小，对时间的要求较高，从开花的观察到杂交果实的收获需要6个月以上的时间，而受限于教学时长，学生很难体验到杂交全过程。通过VR技术，学生能够在线进行油茶花结构的拆解；花粉的采集、储存；有性杂交过程，并能体验到双受精及果实发育变化，可以在4个课时内完成整个实验操作流程，有效地解决了因有性杂交周期过长及课时限制导致实验结果难以跟踪的难题，节约了时间和成本，同时也加深了学生对油茶的了解，体现了地方特色。此外，应用VR技术，可以突破时空的制约，随时随地进入学习环境，自主安排学习的进度[15]。以往在受到不可抗力因素的影响时（如新冠疫情），林木育种学的实验课程只能延期或者自学，但有了VR技术以后，线上试验课程也能顺利开展。

3.2 通过VR技术打造身临其境的虚拟场景，极大提高学生的学习兴趣

通过VR技术，打造了实验室、油茶林等虚拟场景，给学生带来了沉浸式体验，仿佛置身于真实的实验室和油茶林中，学生可以按照自身意愿从多个角度对有性杂交过程进行实时的观察，从视觉、听觉、触觉等多感官进行全身心的体验，使情境体验与互动在课程学习过程中的比重加大，极大的提高了学生的学习兴趣。

3.3 通过人机互动，真实体验操作过程，加深对杂交技术的理解程度

VR技术操作简单，易于掌握，学生可通过佩戴VR头盔，可通过手柄碰触选择实验过程，实现人机互动[16]。通过VR技术可对有性杂交具体过程进行模拟，实验可以无限重复进行，学生通过反复的操作可以判断实验设计是否合理，同时也可加深对杂交技术的理解和操作的熟练度，提高学生在实际有性杂交实验过程中的成功率。