项目描述

1.实验方法与步骤要求

(1)实验方法描述:
1)设备与辅助认知
对本虚拟仿真实验教学中涉及的苗圃圃地总体规划、组培室、温室、炼苗场以及超净工作台、灭菌锅、枝剪等进行3D建模,搭配文字说明等让学生进行观察,并对相关工具的功能和使用方法进行认知。
2)基本知识点的预习
将实验辅导资料整合进虚拟仿真实验教学系统中,充分利用“实验预习”模块,结合教师的引导式教学方法,引导学生主动学习实验内容的相关原理和知识点,并结合理论测试,保证学生对实验内容的充分理解。
3)教师在线答疑
在开放教学形式下,学生在线学习过程中,可就难以理解的知识点和操作环节进行提问,教学团队定期安排教师对提问进行解答,从而保证学生利用虚拟仿真实验教学系统掌握林木多圃配套良种高效繁育技术的相关知识点和操作技能,提高教学效果。
4)实验操作
进入实验操作环节后,整个系统界面类似“开心农场”的形式,学生点击采穗圃、砧木圃、根繁圃、繁殖圃或组培室后,进入各相应圃地,开始对圃地进行营建和管理,实现本虚拟仿真实验的各个实验内容。
5)在线考核与步骤记录
在学生进入系统,给定80生命值作为初始生命值基础上,学生按照步骤要求通过人机互动操作、选择过程中,虚拟仿真教学系统自动判定操作的正确与否,并给学生增加或减少一定的生命值,如生命值低于60,则学生需停止操作,重新返回“实验演示模块”学习。同时,系统记录下学生操作过程的错误环节,最终形成实验操作分值,并给实验报告的生成提供记录数据。
6)实验报告的生成与提交
学生完成实验后,系统将根据学生的操作步骤以及实验操作得分情况,结合实验目的、实验原理、实验结果等自动生成实验报告,实验报告中尤其将包含一个实验流程图,其中会将学生实验过程存在问题的步骤进行特别标注,便于学生课后进行回顾,学生还需要在线提交实验报告,用于教师审查,并给出学生完成实验的综合成绩。同时,要求学生在报告系统中填写有关该虚拟仿真实验设计的问卷调查和实验心得,便于教师和开发者对该仿真系统进行改善以不断提高教学效果。
具体学习过程如图5:
 


图5 林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验教学系统学习流程

 

(2)学生交互性操作步骤说明(所有关键的交互性操作以<1>、<2>等标出):
1)登入虚拟仿真实验教学平台
学生在虚拟仿真实验室内或于系统开放状态时在能联网的环境下,打开浏览器,输入实验项目网址:http://jwc.bjfu.edu.cn/xnfz/index.html,点击“林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验”,进入林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验门户网站(图6),可查看实验名称、实验目的、所属课程、实验方法与步骤、实验要求以及实验视频等信息。
 


图6 林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验教学系统教学平台界面

 

对本虚拟仿真实验的背景信息了解清楚后,学生需点击“开始实验”按钮,进入到林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验教学管理平台(第一次打开系统可能需要安装所需的插件)。在实验过程中,如果点击运行,实验结果不出现,请检查插件是否启动。插件启动后在电脑下方的任务栏右下角有图标显示。
学生使用自己的学号进行系统注册(图7),只有在授权范围内的学号才具有注册资格。
 


图7 林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验教学平台登录界面

学生以学号登录后,进入导航界面。选择“虚拟实验”菜单,系统提示“请详细阅读操作手册”,点击确认后,选择“林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验”,点击“开始实验”,进入到“虚拟实验”菜单。其中,包括“实验预习”、“实验演示”、“实验考核”、“实验报告”、“问卷调查”等模块(图8)。
 


图8 林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验教学平台界面

2)知识点预习与考察
点击“实验预习”模块,进入预习界面。了解实验目的、实验原理、各圃地介绍、实验步骤等,详细浏览实验流程图(图9)。
 


图9 林木良种多圃配套育苗技术操作流程

 

在完成知识点预习后,点击“理论测试”按钮,进入预习考察环节,屏幕出现相关试题,完成后自动显示得分,分数高于90分者可继续进入实验操作环节。
3)实验操作环节
点击进入“实验演示/考核模块”(其中演示模块有系统提示,考核模块无系统提示),出现毛白杨多圃配套育苗苗圃总览地图,学生可通过点击各圃地,再次了解各圃地的功能。通过点击“开始实验”按钮,学生开始实验环节的操作。此时,界面右上角出现初始生命值80(对于考核模块而言,需要记录生命值;在考核模块中,学生操作正确能加分,而操作错误将扣分;当学生操作过程中,由于多次操作错误导致生命值低于60,则系统提示停止实验,重新完成实验演示模块),左上角是地图,屏幕顶部显示虚拟日期等信息,并显示包括“整地”、“建圃”、“施肥”、“培土”、“浇水”等一系列按钮,以供学生在操作过程中,适当选择正确的操作按钮。
采穗圃营建与管理:
点击采穗圃,界面进入采穗圃圃地。建圃前,系统提示:首先请对圃地进行翻耕,以使其符合建圃要求。<1>学生需要选择屏幕上方的“整地”+“施肥”按钮,从工具包中选择“肥料”,拖动到土地里,动画显示耕机对土地进行深耕,并施足底肥(每亩施饼肥75公斤,二铵20公斤,尿素15公斤),一并翻入土中(操作按钮和工具选择错误,系统将扣除一定的生命值,并解释错误原因。下同)。之后,界面提示:请选择合适的建圃材料。<2>学生需要从出现的毛白杨大树的不同部位材料中选择幼态材料(根段)作为采穗圃的建圃材料。选择正确,系统将会增加一定的生命值;而如果选择错误,系统将扣除相应生命值(以下同理),并提示学生应该选择哪种正确材料用于建圃,解释其原因,以便学生理解。
系统提示利用插根的方式建圃,屏幕同时显示相应内容。采穗圃母株定植密度一般以0.5米×1.2米的株行距为宜,每亩1110株。当根萌苗生长至50-60厘米高时,系统提示:需要对采穗圃苗木进行截顶操作。此时,<3>学生需要点击“截顶”按钮,并从工具包中选择“枝剪”将苗木的顶端剪去,从而去除顶端优势,促进其萌生出较多侧枝,防止领头枝的出现,培养成丛枝型采穗圃(含4-6个粗细均一、长短一致的丛式侧枝)(图10)。每个侧枝上有饱满芽20-25个,每株有饱满芽平均约为120个以上,每亩采穗圃可产饱满芽10万个以上。
 


图10 采穗圃苗木截顶操作与苗木生长

在6-7月,应给圃地追肥1次,以促进采穗苗木的快速生长。根据系统提示,<4>学生需点击“施肥”按钮,并选择工具包中的“肥料”,每亩施加尿素15公斤。
采穗圃在采穗供给穗条后,每年应在春季树液流动前进行平茬,使所有穗条每年均从根颈处萌生,保持幼态。此处有系统提示,<5>学生需点击“平茬”按钮,并从工具包选择“枝剪”,于苗木的根颈处进行平茬修剪,当年会从此处萌生出新的幼嫩枝条用于采穗。
同时,系统特别提示:由于年龄效应导致的品种退化因素,因此为保证采穗圃能可持续利用,并永葆幼态。每隔2-3年,需要对采穗圃进行挖根重建,即将地上部分苗木挖除,剩下地下部分的根系,促使从根部重新萌生幼芽,发育建立新的采穗圃。
砧木圃的营建与管理:
点击砧木圃,进入砧木圃圃地。首先应营建砧木圃。建圃前,系统提示:首先请对圃地进行翻耕,以使其符合建圃要求。<6>学生需要选择屏幕上方的“整地”+“施肥”按钮,从工具包中选择“肥料”,动画显示耕机对土地进行深耕,并施足底肥(每亩施饼肥75公斤,二铵20公斤,尿素15公斤),一并翻入土中。
对于毛白杨嫁接繁殖而言,最好的砧木应为群众杨、大青杨或大官杨,切忌使用沙兰杨、加杨等黑杨和欧美杨系号。因此,系统提示学生选择建圃砧木品种,<7>此处由系统随机出3-4个选项,由学生选择适宜的砧木树种。选择后,系统弹出相应的解释,如选择错误,系统将扣除生命值。
砧木选择完毕后,应将砧木插条扦插于砧木圃中(动画显示该过程),生长形成砧木苗。每亩扦插2500根(存活约2200株),株行距约0.3米×1.0米。砧木插条萌发后,将长出许多萌芽。此时,系统提示:需要对萌芽进行抹芽操作。<8>学生需要点击“抹芽”按钮,并从旁边的工具包中选择“枝剪”对多余萌芽进行抹芽操作,最终只保留处于上部的1个生长健壮、直立的稍条作为主干即可。此后,<9-11>学生还应按照系统提示,选择相应按钮和工具完成清除侧枝、施肥、浇水等操作。尤其,插条萌发后,挑选一个粗壮、直立的梢条作为主干加以保留,其他侧枝全部去掉,随着主干的生长,上边新发出的侧枝也需要及时清除,直到2米左右的地方为止(图11),用于芽接。
 


图11 砧木圃苗木生长

进入6月后,连续进行追肥,每亩施加尿素25公斤,20天1次,连续追肥3次,结合灌溉、除草等,以保证砧木的快速生长,<12>学生根据系统提示,点击“施肥”按钮,完成相应操作。到8月中旬,砧木能生长至2.5米以上。
进入8-9月,立秋之后,可开始进行“一条鞭”嫁接(芽接)操作。学生通过点击“一条鞭”,显示相应图片与CG视频。观看完成后,<13>学生应点击“嫁接”按钮,并共工具包选择“枝剪”和“嫁接刀”,从采穗圃中采集接芽,并选择适宜的接芽形状和砧木切口形状,拖动接芽与砧木相应位置进行贴合,迅速用塑料条绑缚结实,完成嫁接操作(图12)。芽接时,现在砧木基部贴近地面处接第一个芽(根芽),以后每隔17-18厘米接1个芽,依次类推,每棵砧木接8-10个芽为止。所有“一条鞭”嫁接的材料,需要在11-12月份,砧木休眠后,将插穗剪下,保存在冷库中,与次年春天进行扦插繁殖。根据系统提示,<14>学生需点击“平茬”按钮,并选择工具包的“枝剪”,将砧木圃地嫁接的“一条鞭”进行平茬,仅保留最下部的根芽在圃地里,其余全部剪下,修剪为15-18厘米长的插条保存于冷库内。
 


图12 “一条鞭”嫁接

次年春季,树液流动前,开展“炮捻”嫁接操作。学生通过点击“炮捻”,显示响应图片与CG视频。观看完成后,<15>学生应点击“嫁接”按钮,并共工具包选择“枝剪”和“嫁接刀”,从砧木圃中将砧木剪下,从采穗圃中采集穗条,并选择适宜的穗条形状和砧木切口形状,拖动穗条与砧木相应位置进行贴合,迅速用塑料条绑缚结实,完成嫁接操作(图13)。
 


图13 “炮捻”嫁接

系统提示:砧木圃非常重要。1株砧木,基部可接根芽,次年可培育成二根一干的大苗;中间可形成“一条鞭”插条;顶部1/3可继续作砧木的扩繁材料,扦插重新建立砧木圃。
繁殖圃的营建与管理:
点击繁殖圃,进入繁殖圃圃地。建圃前,系统提示:首先请对圃地进行翻耕,以使其符合建圃要求。<16>学生需要选择屏幕上方的“整地”+“施肥”按钮,动画显示耕机对土地进行深耕,并施足底肥(每亩施饼肥75公斤,二铵20公斤,尿素15公斤),一并翻入土中。
在繁殖圃圃地内,将嫁接形成的“一条鞭”和“炮捻”等繁殖材料,在圃地内进行扦插,株行距0.3米×1.0米。根据系统提示,<17>学生应点击“扦插”按钮,扦插前,学生拿到插穗后,应首先仔细检测接穗是否脱落,以免扦插后造成缺株;检查无误后,将插条的形态学下端朝下插入土中,插条上的接芽低于地面3-5厘米,这样灌水后由于土壤的沉降,接芽更好与地面齐平。
扦插后1个月内,系统提示:需要进行抹芽操作。<18>学生应点击“抹芽”按钮,并选择枝剪工具,对由砧木长出的所有萌芽进行剪除,以免影响接穗生长;同时对接穗长出的萌芽,只保留1-2个生长健壮的幼芽即可,以促使其生长为健壮苗木。
在5月下旬和6月中旬,当苗木生长至15厘米以上时,应进行两次培土操作。系统提示:请对扦插的苗木进行培土操作。<19>学生需要点击“培土”按钮,选择铁锨工具,给毛白杨苗木进行培土,培土的目的是将生长的接穗幼苗基部用土埋覆,促使其自行生根,以形成砧木和接穗2层根系,防止接穗和砧木亲和力苗木生长的影响,这对于毛白杨苗木的粗壮生长至关重要。
在6月上旬和7月下旬应给苗木进行追肥,根据系统提示,<20>学生需点击“施肥”按钮,并选择工具包中的“肥料”,每亩追施尿素10-12.5公斤,促进其生长(图14)。
 


图14 繁殖圃苗木生长

同时,生长过程中,应及时对1.5米以下的侧枝进行修剪,以使1年生苗木形成冠幅,抑制顶稍过分生长,保持圃地通风、光照。根据系统提示,<21>学生点击“修枝”按钮,选择枝剪工具,进行修枝操作。
在次年春季,起苗造林时,需要将原来嫁接的砧木去除,以便使毛白杨以自生根系造林生长。
根繁圃的营建与管理:
根繁圃主要是由采穗圃复幼过渡转化为根繁圃的苗圃,也是生产带根小苗进行二次育苗的苗圃。在根繁圃中,一切苗木均起源于根周皮不定芽,都统一到最年幼的阶段,所以由此获得的苗木都是阶段性最幼态的。
在多圃配套系列育苗中,根繁圃往往是由采穗圃挖根促萌而转化而来的,也可直接通过埋根的方式建立根繁圃。<22>学生根据系统提示,选择“起苗”和“铁锨”组合,将采穗圃苗木挖走,保留部分根段在大田里,从而萌蘖形成根繁圃。由于根繁圃也同时会产生大量根蘖苗(图15),在实际生产中,可对生长形成的根蘖苗进行分级选择,合格苗可直接用于造林,等外苗可用于硬枝扦插,繁殖更多苗木。
 


图15 根蘖苗生长

 

组培生产线的营建与管理:
点击组培大楼,进入组培车间。可观察到准备室、接种室、培养室等房间。其中在准备室内,有试剂柜、操作台、移液器、高压灭菌锅等设备。培养基配制过程不详细展示,有关高压灭菌锅的使用要点需要提示,以防止危险发生。
在接种室内,根据系统提示,<23>学生应点击“接种”按钮,选择适宜的材料作为外植体材料,建立无菌体系,并从工具包中选择“手术剪”、“长镊子”、“培养基”、“组培瓶”、“超净工作台”、“高温灭菌器”、“乙醇”、“次氯酸钠溶液”、“灭菌水”等工具和耗材,动画展示灭菌以及接种的过程(图16)。
 


图16 组培苗无菌培养

 

40天后,接种后的茎段在培养室内生长形成无根的幼苗,将这些幼苗继续剪断形成若干个无菌茎段,从而继代增加幼苗的数量,此时每株无菌幼苗可形成4-5个新的茎段。根据系统提示,<24>学生点击“继代培养”按钮,从工具包中选择“组培苗”、“超净工作台”、“高温灭菌器”、“手术剪”、“长镊子”、“培养基”、“组培瓶”等工具,动画展示继代培养过程。将这些无根的幼苗转入到生根培养基中,诱导发育形成不定根,从而形成带根幼苗。根据系统提示,<24>学生点击“生根培养”按钮,从工具包中选择“组培苗”、“超净工作台”、“高温灭菌器”、“手术剪”、“长镊子”、“培养基”、“组培瓶”等工具,动画展示生根培养过程。
下一步,将带有生根幼苗的组培瓶放到温室内缓苗,让幼苗逐渐适宜外界的环境条件,大约7天后,将幼苗移栽到带土的穴盘中,仍放置于温室内,进一步适应环境条件。10天后,幼苗对温室内条件逐渐适宜,将其转入炼苗场进一步炼苗,使其逐渐适应正常阳光照射,便于移栽到大田。根据系统提示,<25>学生点击“炼苗”按钮,选择“基质土”、“穴盘”等工具,动画展示炼苗过程。
炼苗完成后,需要将幼苗全部移栽到大田,促进其生长。根据系统提示,<26>学生点击“移栽”按钮,选择铁锨工具,先在苗圃地里开沟,然后将幼苗从穴盘从取出,动画展示幼苗移栽过程。
各圃地配套用地比例:
屏幕显示:如采用“一条鞭”繁殖方法,采穗圃以0.5米×1.2米株行距计算,每亩可产生10万个接芽;砧木圃以0.3米×1.0米株行距计算,每亩产2200棵砧木,每株砧木平均接8个芽,则每亩砧木圃将接1.76万个芽,即每亩可生产1.76万个“一条鞭”插条;繁殖圃以0.3米×1.0米株行距计算,每亩可扦插“一条鞭”插条2220根。<27>提问:那么,为保证苗圃圃地的高效利用,应如何安排采穗圃、砧木圃和繁殖圃的圃地面积呢?学生需经计算后,得出采穗圃:砧木圃:繁殖圃=1:5:40。
各圃地的功能转换:
多圃配套育苗的关键在于各圃地间相互流转,功能转换,保证圃地的高效利用和优质苗木的可持续生产,将幼化复壮措施贯穿于育苗的各个环节,从而实现免耕育苗。<28>此处可通过图示的方式(图17),向学生展示各圃地的功能转换要点,学生通过点击箭头,系统详细说明各操作步骤的意义。其中,采穗圃的营建除采用插根建圃法外,还可由前1年的繁殖圃起苗后留下的根段萌蘖而来(留根苗方式),也可以由砧木根芽萌发形成(根芽平茬式)。
 


图17 林木良种多圃配套系列育苗各圃地功能转换与苗木流转

 

同时,组织培养过程的接种、继代、生根等过程也是与各圃地的功能相对应的,<29>学生应根据屏幕上显示的框格进行连线,以将组织培养过程的各流程与各圃地的功能相匹配,便于对多圃配套育苗体系的理解。
实验报告的生成与提交:
实验完成后,学生点击“完成”。系统自动计算实验成绩,进入到实验报告模块,学生撰写实验报告,生成实验报告并提交给任课教师。进入问卷调查模块,填写该虚拟仿真实验问卷调查表和实验心得。