——实验特点——

植物纤维分离及其纤维微细结构解析虚拟仿真教学实验：植物纤维作为林木资源日常应用以及科研中常见一种形式，从宏观的植物形貌到微观的纤维形态，其各尺度的结构和特点得到了较为充分的研究，但是由于检测分析、观察和展现等技术手段局限，纤维的立体展示以及纤维更微细尺度的结构无法直观、准确的展现，为后续学习和研究带来一系列的问题。

本项目选择林学类、轻工类、植物学类，以及相关学科的专业或核心课程《植物纤维化学》中的“纤维生物结构”和“植物纤维分离”这两个最为基础、也最为关键的内容作为本项目的实验内容，同时增加其微观结构解析部分作为现有实验教学的必要补充。

植物纤维化学理论教学、实验教学与虚仿教学的关系

——实验原理——

(1)实验认知

该部分主要是对具有代表性的三种植物做宏观介绍，针对三种植物的最根本结构，做模型展示，对比其树叶特点，掌握其分类的根据，同时也提供了这些植物的照片供学生认知和学习；

(2)植物纤维生物结构与纤维形态观察

该部分实验主要是生物结构和形态观察，有一个较为简单的切片、制样的操作和三切面的观察，以及一个能够交互式操作观察的3D立体结构模型。该部分按照三种代表性植物的特点，先进行切片的制作，需要选择切片的厚度，然后展示实验观察到的各个切面的特点，在此基础上，将实际实验中不可能见到的、汇集了三个切面特点的立体模型以虚仿的交互式展现出来，增加学生的认知和理解；

(3)植物纤维分离

该部分按照三种代表性植物的特点，先展示实验中对分离成单根纤维的形貌，然后通过虚仿展示纤维的细胞结构以及不同形态的纤维模型，突出不同种类纤维的特点。该部分内容在实际实验中难以充分观察到，但同时又是需要学生重点掌握是典型的以虚补实；

(4)植物纤维微观结构解析

该部分从宏观的林木以及到微观的各主要组分分子结构，以三维立体结构展示其结构特点，并可以对比各尺度下的结构特点，准确认知其特性，与前面的实验展示内容形成“虚实结合”的教学方式。由于三组分：纤维素、半纤维素和木素的分子结构现有技术手段无法观测到，而仿真的模型能够准确的展现出来，将三组分分子结构首次以纤维微观结构的立体模型交互式展示。

——实验步骤——

step1整理框架熟悉： 实验教学项目共分为三个部分：实验认知、虚拟仿真实验、交流讨论区。其中虚拟仿真实验部分是主体，包括了主要的实验部分，另外两个部分是辅助作用。实验的整体构架如下图所示

【虚仿实验整体构架图】

step2实验认知：对三种代表性的植物原料的概况介绍。分别配以图文，让学生对于此三种植物原料建立初步的认识。

【阔叶木原料概况介绍】

step3植物纤维生物结构及其形态观察：在实验的最开始部分有整个实验的说明，包括：实验目的、实验仪器与试剂、实验步骤和实验报告等几个部分。学生需要先初步了解实验的情况，然后再开始实验。

【针叶木纤维生物结构及其细胞形态观察实验】

step4植物纤维分离实验：学生预习了解后，开始实验。与刚才的实验相同的是，按照指引可以往下进行实验。由于此过程中为了分散纤维，有用药品硝酸-氯酸钾溶液加热煮小木条样品的环节，由于此环节条件影响到纤维的分离，因此此处会有选项选择合适的条件。同样，如果条件不对，实验将不能继续往下进行。

【植物纤维分离实验硝酸-氯酸钾条件选择】

step5针叶材纤维微观结构解析：进入针叶木的页面，首先展现松树及松木块的三维结构。页面呈现响应的提示内容，包括针叶材细胞成分介绍，针叶原材料等信息，之后依次是松木块、松木管胞形态、细胞壁微细结构、微细纤维结构等部分内容，均可以三维模型的方式观察学习。

【针叶木微观结构解析3D剖面图】

step6纤维素超微观实验：纤维素页面展示单根纤维素分子长链（三维模型），包含结晶区、非定型区等三维结构，以及简单的文字说明，页面其他区域可以按钮的形式存在，点开可查看纤维素Ⅰα、纤维素Ⅰβ、纤维素Ⅱ、纤维素Ⅲ的晶体结构（三维模型）；纤维素多晶格变体的转变（二维图片形式），页面配合有简单提示按钮，点开可查看具体的内容。

【纤维素结构解析图】

step7半纤维素超微观实验：半纤维素页面，点击进入之后，首先进入一个交互操作选择页面，在此页面中，学生根据不同类型聚糖结构式，确定主链及侧链的单糖类型、化学键连接等参数及类型，如设定正确，则软件生成正确的对应聚糖结构模型；若设定错误，则失败，无法正确生成三维结构。

【半纤维素结构交互选择生成】

step8木素超微观学习实验：木素页面，点击进入之后， 学生根据所学知识，选择合适的木素单体及连接方式，软件根据学生的选择，生成对应的三维结构模型，通过相应的交互选择生成，达到熟悉了解木素分子增长相关内容知识的目的。

【木素结构交互选择增长图】

step9实验结果提交：纤维素、半纤维素和木素结构基本一致，三种纤维均以同样的模型展示。且以上各尺度的展示没有顺序的区分。以上实验认知部分交互式学习后进入实验考核页面，页面设置有相关问题，学生在该部分的学习完成之后，填写并提交。

【实验结果提交】

——运行配置——

最低配置

CPU：酷睿i5 8代以上 主频：2.4GHz及以上

内存：16G 以上

网卡：千兆网卡

显卡：英伟达系列显卡，GTX1060以上

系统：win7 64位及以上。

显示：要求分辨率为1920x1080。

硬盘：30GB硬盘空间

推荐配置

CPU：酷睿i7 9代以上 主频：2.4GHz及以上

内存：32G 以上

网卡：千兆网卡

显卡：英伟达系列显卡，GTX2060以上

系统：win10 64位及以上。

显示：要求分辨率为1920x1080。

硬盘：30GB硬盘空间