一、教学虚拟植物开发特点分析
由于科研与教学所面对的感知对象、应用领域不同。其性质、功能、表现形式、结构展现各有其异。
(一)教学虚拟植物的应用领域特点分析
开发教学虚拟植物的目的是为辅助农业教学，是围绕实现教学效果为最终目标的研究。其与科研虚拟植物的应用领域存在“质”的差别。科研虚拟植物对应领域研究会突出研究对象的功能或结构并予以强化。如新西兰几维果研究就是从发芽到开花、结果的全过程，侧重功能研究建模。又如国家农业信息化工程技术研究中心与大连理工大学计算机技术研究所的玉米叶片形态建模［4］，主要是侧重结构的重塑。而教学中，涉及的植物种类及其广泛，每个知识点带出的不只是一目一科植物，会是多植物的比较学习。每个知识点所对应的都是多种植物特定阶段的组织结构、功能的分析、展示。教学虚拟植物不用专注于某植物从发芽到结果全过程，仅选取同目不同科，或同科不同属不同种的植物典型的功能与结构阶段。展示相互间的功能与结构的异同点，以便学生进行比较学习。
(二)教学虚拟植物结构表现特点分析
教学建模是以辅助教学为目的，让学生更直观了解所学知识，激发学习兴趣为主。用于科研的建模主要服务科学研究为目的，三维建模要求精确、细致，对结构表现更为深入、精准、针对性更强，大都是基于算法开发的模型。而教学虚拟植物是与授课知识点相对应的，反映植物典型形态、功能和组织结构，是基于植物学原理建立的三维模型，所以建模相对简略［5］，更注重可视化的研究。
(三)教学虚拟植物可视化开发特点分析
教学植物主要功能是辅助教学，提高学生专业学习兴趣，更好的掌握专业知识。因此，可视化开发的重点会突出感观刺激性，激发学生兴奋度。在尊重科学的前提下，会对能引起感官愉悦性刺激的色彩加以关注，会对不同组织结构赋予不同色彩以便学生更好的区分。其对研究对象周围空间的渲染亦是围绕激发学生的学习兴趣为最终目的。而科研植物主要针对科学研究。可视化渲染要的是精确。色彩是以科研为目的，要真实、准确，一般忽略背景空间渲染。对环境与色彩的美观不做太高要求。
二、教学虚拟植物的开发与应用
根据上述分析得出，教学虚拟植物是通过刺激学生感官，激发学习兴趣，提升教学效果为目的的非科研用建模。其开发要遵循教学原则，以教育学、心理学为指导思想，根据植物学原理，利用虚拟现实技术，开发应用于农类教学的可视化虚拟植物。
(一)研究对象的选定与分析
要完成农业教学中虚拟现实的研究，首先根据课程内容选取教学中典型的，具有代表性的植物。对该研究对象进行结构分解，观察分析外形，获取各部分组成、形态结构、色彩、肌理等数据，做出初步的拓扑图形。再通过计算机模拟研究，获取研究对象特定阶段生长初始参数及试验数据，对植物三维模型中涉及的功能及形态结构方面的数据加以汇总、统计。严格遵照科学结构，进行三维视图和坐标的定义，确定其在教学中的可行性。
(二)建立教学应用型模型库
教学植物模型具有“多、广、浅”的特点，“多”即不同知识点对应讲解的植物皆不同。“广”一门课程涉及的植物种类广泛。“浅”即每个知识点都会选取具有典型特征的代表植物，每一植物都不会深入分析各阶段特点，仅选取明显典型阶段。鉴于教学研究对象的特殊性，用计算机来模拟典型植物在三维空间中的生长、发育等各阶段不同状况。建立以植物生长发育典型阶段为研究对象，以植物的功能结构为研究重点，基于植物学原理的教学应用植物模型库。建模中，应对不同植物、不同部位结构特点采取相应的建模方式。
1.花叶建模。对于截面较不一致的部位，如花朵、开裂形的叶、果实、种子等，选择IndexedFaceSet造型节点进行建模(图1)。对于植物叶片建模，可以采用plane建模，然后适当分段后，使用Modifiers中的ConverttoEditableMesh命令，在plane各段点利用控制点进行编辑形成所需要的叶形(图2)。对于凹凸面如花瓣、花萼等，可采用简单的几何元素如Sphere、Capsule，通过Boolean形成凹面，再使用Modifiers中的ConverttoEditableMesh命令调整。对于复杂的模型可用样条曲线绘制轮廓后使用Ex-trude命令，再使用ConverttoEditableMesh进行调整，也可用NUＲBS进行曲面建模，NUＲBS命令比传统的网格编辑更好地控制物体表面的曲线度，可制作圆滑的面，创建出更真实、生动的造型，因此，NUＲBS命令适用于复杂而多变的花瓣建模。花瓣建模完成后将花瓣的轴心归零，将花瓣通过Array命令获得完整的花朵。在教学中花叶建模的研究开发有助于精确学习。如花的组成、花图式的学习中油菜花或百合花不可能人手一朵观察学习。若用实物投影仪，在投影灯的照射下花朵会快速脱水。通过三维建模获得的花朵，学生可以随时随地打开屏幕，精确、细致、深入地学习花的组织结构。特别是对珍稀植物如BlueBellTuni-cate(蓝色响铃)及具有时效性植物如昙花，由于地理位置、时间、经费等客观因素的制约只能通过图片进行学习。虚拟花卉不受上述因素制约，可随时展现立体、真实的拟真花朵，使教学更直观、生动，知识的剖析更为精确。
2.根茎建模。对于已经有试验数据的植物和组织，可以进行更精细的建模。如果建模对象截面较一致，且纵向无太大变化的植物根、茎、梗、柄等部位，可选用几何建模命令做圆柱体或圆锥体，也可用Ex-trude与Loft命令进行基础建模，再通过分段生成网格，对网格节点进行细节调整。以根系建模为例，先通过Pyramid命令生成基础建模(图3)。再通过Modifiers中的Bend与ConverttoEditableMesh命令形成根的形状，设置Noise数值使根的表面形成粗糙感。再反复复制多根，用重复Noise、Bend命令修改获得不同形态的根系。主茎(根)和分枝(根)也可采用Loft建模，最后用Attach命令将把主茎(根)和分枝(根)合为一体。在农类教学中，植物根部教学一直是教学实践中的难题。一是鲜活的植株不可能反复拔离泥土，大型植株根系学习更是缺乏可实践操作性;二是地域限制，在南方无法观察黑土地高粱根、茎发育情况，在北方看不到江南水稻播种长势;平原不了解高原青稞植株形态。三是植物根系的成长周期长，从幼苗到成株不同植物皆不同，短的数月，长的要几年。不管长短，任何植物都不可能在几天内完成成长周期，虚拟植物却能在一分钟内完成这一过程，并且不受地域限制。通过三维技术建立的虚拟植物，无论南北或是高原、沙漠的植物在任何地方都能无限制的进行观察、研究。并且不用担心反复学习造成根系损伤。虚拟植物的可视化开发不仅解决上述问题，还从一定程度上节约教学成本。
3.细胞组织建模。对于细胞组织如细胞核、线粒体、质体、溶酶体等造型简单的细胞器，可用几何建模技术，进行简单的植物形态和组织建模。如胞核、质膜、微体、叶绿体可用Sphere做基础建模，通过ConverttoEditableMesh进行局部编辑。如内质网、线粒体等由膜形成的组织结构可用Line生成可分段的空间自由形态样条曲线，再执行Extrude命令。若象高尔基体这类由成摞的扁囊和小泡形态物可通过Line或Capsule、OilTank生成，再设置Bend数值。植物拓扑结构是植物学基础内容，由于缺少直观性，显得枯燥而乏味。传统教学模式下象细胞组织，根茎拓扑结构的学习主要是通过挂图、显微镜前有限时间的观察。当学生学习中有疑惑时，往往不能及时解决。虚拟技术建立的细胞组织及植物拓扑结构建模可改变这一困局。学生通过电子设备就能随时将理论与实际相对应，进行更直观的精确学习，从而激发学习兴趣，极大程度的提高学习效果。
(三)可视化开发及应用
根据教学虚拟植物的开发特点，在尊重科学的前提下，着重研究可视化的感观刺激性开发。这是能否刺激学生学习兴奋度的关键。因此植物建模之后要对植物模型进行材质贴图、灯光设置等渲染技术处理，以实现植物形态结构的可视化。基于3D材质库，对植物进行渲染，渲染的内容包括混合、UV贴图、纹理映射和光照处理等。通过建立植物模型空间坐标(x，y，z)与材质贴图空间坐标(u，v)之间的对应关系，可将二维的植物的纹理图片映射到三维植物的各部件表面。因此获取研究对象的第一手肌理结构图像是决定可视化真实性的关键。复杂表面可使用UV贴图参数设置，使植物建模更具有真实感。
1.非透明物质可视化。在虚拟植物可视化开发中，第一手肌理结构素材图像可采取数码摄像、扫描、显微成像等采集手段将植物肌理输入电脑，通过Ma-terialEditor进行肌理材质编辑设置U、V、W值。
2.透明物质可视化。对于透明物质可通过Ma-terialEditor数据设置获得。如水、晶体等光滑的透明体可将明暗器基本参数摄为各向异性，Blinn基本参数中的不透明度、反射高光做适当设置，根据实际环境给与反射与折射参数。若是细胞质、液泡类具有黏稠性或不平滑的透明物质，需在Blinn基本参数中设置漫反射添加Noise效果。
3.动态可视化。借助三维动画在虚拟环境中实现各时期结构与功能，并输出作物生理生态参数及其关系。可有效的再现植物生长环节的细部过程。如进行“水份从根部向地上部运输的途径”教学时，可以为水分子设置轨迹，让水分子沿规定路线运行。设置AssignedControllers中空间坐标(x，y，z)位置选择PathConstraint(路径约束):指定物体沿着预先设置的轨迹运动，就可将水分子附加到规定路径上实现水份从根部向地上部运输的过程演示。TrackView轨迹窗可以控制水分子的运行速度。此外，3D动画技术亦可模拟植物细胞结构与演变、元素吸收过程、代谢过程等等。用摄像机与轨道结合可以实现植物细部结构三维立体全角度的展现。
4.可视化开发的应用价值。可视化技术开发出的虚拟植物绚丽而生动，将有效刺激学生感官兴奋度，激发其主观能动性。如植物细胞的教学，传统挂图呆板、单一。用三维技术渲染的虚拟细胞，色彩对比鲜艳且强烈，透明富有弹性的细胞质、液泡直接作用于学生的视觉神经，刺激其神经兴奋度，促进学生主动观察组织结构达到精确学习的目的。可视化的开发也促进教师的教学主动性。以叶的形态教学为例，传统教学环境下，受地域、季节经费等客观因素的制约，教师只能被动选择能获取的有限资源进行教学活动。虚拟植物模型库的建立，可视化技术的开发，教师在虚拟环境中可根据教学需要获取任意植物叶片，将被动教学转换为主动教学，促进教学手段的进步。除叶片外，象不常见的稀有植物，非季节或具有时效性植物都能随时根据教学需要出现在课堂。同时动态可视化的开发研究使不可视状态变可视。如植物对水份的吸收、蒸发、光合作用等肉眼不可视的状态，通过三维可视化技术将其以动态可视状态显现，使教学更清晰、明了，有助于学生对知识的理解与掌握。动态可视化的开发能极大限度的缩短教学周期，如植物根系成长，种子发芽，花卉开放皆能在一分钟内完成。并可无限循环反复，加深学生对性状、功能的认识。可视化开发是虚拟植物的最终形式，也是关键。它决定学生的主观能动性的激发，教学效果的提升，促进农类课程教学手段的进步。
三、结语
利用计算机虚拟技术生成的植物无论个体或群体极具真实感。其不仅可以反映现实，而且可以摆脱空间于时间的限制。教学虚拟植物使学生足不出户便可以认识各地的植物，完成各种各样的实验，获得与真实世界一样的体会。从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。通过虚拟现实技术建立展现虚拟植物结构与功能的教学虚拟学习系统，将解决教学中无法实现的环节，缩短教学试验周期，节约教学成本，使理论知识教学从枯乏的二维空间转向绚丽的三维世界，试验空间从物理空间向虚拟空间扩展，为农类课程教学提供先进的教学手段。
作者：陈旭 叶珍 单位：温州科技职业学院
