海洋哺乳动物生物学特征与行为习性观察虚拟仿真实验项目建设与实践
时间：2023-03-10 10:15:01 来源：千叶帆 本文已影响人
印尤强，杨维东，唐勇，黄柏炎
（暨南大学生命科学与技术国家级实验教学示范中心，广州 510632）
动物生物学实验是高校生物类相关专业实践教学的基础课程，对于学生专业素质培养十分重要。随着教育改革的不断深入，动物生物学实验在突出基本实验技能训练基础上，以力求培养学生独立思考、综合分析能力，全面提高学生的综合素质为目标［1］。
哺乳动物是目前动物界最高等的类群，其中海洋哺乳动物则具有适应海栖等特殊的生物学特征与习性，因此综合研究海洋哺乳动物具有十分重要的意义［2-3］。因海洋现场教学风险大、成本高等现实制约因素，海洋哺乳动物通常体型大、不易观察等限制，很难在动物生物学实验教学中直接开设有关海洋哺乳动物相关真实实验，十分不利于学科专业的人才培养。
为此，利用虚拟现实（VR）、三维（3D）、人工智能（AI）等技术，突破时空限制，系统构建了以中华白海豚为代表的海洋哺乳动物有关起源与演化、形态特征、行为习性、野外调查、搁浅救助等为主要内容的虚拟仿真实验项目，将海洋哺乳动物生物学实验搬进课堂。通过虚拟仿真实验可全面了解海洋哺乳动物的生物学特征和行为习性等内容，构建更加完整的动物生物学知识体系，提高学生综合实践与创新能力。
项目从动物生物学实验课程实际出发，凭借虚拟仿真实验教学优势，树立“以学生为主体，增强信息化支撑，强化综合实践，提升创新能力”的教学理念，遵循“虚实结合、以虚促实”原则，有效拓展实验内容，丰富实验方法［4-7］。
项目主要分为实验预习、虚拟学习、考核评价、拓展学习与实验成绩5 大模块内容（见图1）。项目从学生或使用者角度出发，设计时充分考虑良好的沉浸性、交互性，突出高仿真度［8］。例如，具有主界面简洁大方（见图2），中华白海豚本身、相关环境和实验过程均与真实情况高度一致以及中华白海豚馆穿梭中的沉浸性佳等特点。同时，模块内容依次按照由浅入深，由点及面的设计方式，确保学生充分掌握以中华白海豚为代表的海洋哺乳动物的动物学知识。
图1 海洋哺乳动物生物学特征与行为习性观察虚拟仿真实验项目框架
图2 海洋哺乳动物生物学特征与行为习性观察虚拟仿真实验主界面
2.1 实验预习模块
实验预习模块主要以图文并茂的形式，直观呈现海洋哺乳动物起源、分类和珍稀海洋哺乳动物的介绍以及代表性海洋哺乳动物中华白海豚的分布、繁殖与保护等知识点。通过预习模块，保证学生在进行虚拟实验之前，了解实验目的和掌握有关海洋哺乳动物的基础知识（见图3）。预习完毕，可以立刻完成随机生成的预习题目，即时检验学习情况。
图3 海洋哺乳动物生物学特征与行为习性观察虚拟仿真实验预习界面
2.2 虚拟学习模块
虚拟学习模块是项目的重点建设内容，主要包括生物学特征、器官复位、行为习性、年龄测定、中华白海豚馆、野外调查、照片-重捕法和搁浅救助。
生物学特征和器官复位是让学生掌握海洋哺乳动物的基础知识。此部分内容非常形象直观，例如进化部分采用了移动时间轴的形式，器官和内部结构可以全方位多角度观察，外形测量则需按照要求完成测量表格等（见图4）。行为习性部分则主要是学习中华白海豚的跳跃动作、肢体行为、呼吸行为等在内的8 大类行为，以更好地了解中华白海豚的日常行为意义和生活习性。
图4 海洋哺乳动物（中华白海豚）的解剖-骨骼系统虚拟仿真学习界面
年龄测定采用石蜡切片法，通过牙齿测定中华白海豚的年龄［9-11］（见图5）。石蜡切片操作是动物病理实验中的常用实验方法，但具有实验周期长，及需接触二甲苯等有毒试剂的特点。学生通过此虚拟仿真实验能很好地掌握其石蜡切片的方法和步骤，在以后同类实验中能有效提高实验效率与效果。完成年龄测定的虚拟仿真实验，右侧边栏有关于年龄测定的习题，可及时知晓此部分知识的掌握情况。
图5 通过牙齿测定海洋哺乳动物（中华白海豚）年龄虚拟仿真实验界面
中华白海豚馆由全透明的参观长廊和主厅等部分组成，利用方向键（“W”“A”“S”“D”键）和鼠标即可穿梭其间，具有沉浸性佳、体验性强等特点（见图6）。馆内有不同体色年龄段的中华白海豚，以及许多其他种类的海洋哺乳动物。遇到不认识的海洋动物，双击身体部位，即可显示物种名称，学习十分方便。
图6 中华白海豚馆虚拟仿真界面
栖息地环境因子调查和照片-重捕法，则是调查海洋哺乳动物所必须掌握的综合性野外调查方法。环境因子的测定包括了海水深度、温度、盐度等，通过学习能很好地掌握海洋调查的方法和有关工具的使用，了解中华白海豚的分布特点与环境特征。照片-重捕法是鲸豚类调查的常用方法，通过虚拟仿真拍摄海豚背鳍和背部特征，根据形状、缺刻、永久性伤痕和斑点等信息辨识个体（见图7）。采用大数据、图像识别和人工智能等方法，利用照片-重捕法确定中华白海豚个体，通过建立模型和参数分析，获得其栖息地种群大小等数据。
图7 中华白海豚的照片-重捕法调查虚拟仿真界面
搁浅救助子模块是当发现鲸豚搁浅后的救助操作，主要有观察报告、救护器材与药品的准备和专业搁浅救护的相关步骤。专业搁浅救护包括挖沙坑、扶正身体、加水保湿等。通过此部分学习，让学生能对海洋哺乳动物救护工作的一般操作方法有所熟悉与了解。
2.3 拓展学习模块
利用无人机航拍和地面360°全景技术，对广东珠江口、福建厦门、广西北部湾北部沿岸、海南三亚西南等国内中华白海豚的主要栖息地进行了全景航拍（见图8）。共制作全景VR超过100 多个，航拍或地面录制的高清生态环境资料100 多段，保证学生对中华白海豚的真实栖息环境和分布特点有非常直观全面的感受与了解。
图8 珠海珠江口-港珠澳大桥航拍示意图
项目建立了包括鲸目、鳍足目和海牛目在内的全球130 多种海洋哺乳动物数据库，是目前高校中最为完整的海洋哺乳动物在线教学资源。学生可根据不同需要，通过关键字、目科属或形态特征的方式进行检索学习。另外，也建立了动物数字切片库，其中搜集整理海洋哺乳动物数字切片20 余种，并且在不断更新与完善。学生通过数字切片进行微观结构观察，并进行相关标记，可深入理解形态结构特征［12］。
拓展学习模块还建立有海洋哺乳动物博物馆子模块。主要包括新闻动态、科普百科、野外考察观赏、保护行动、图片库和视频库等。通过海洋哺乳动物博物馆的学习，可以掌握海洋哺乳动物的基本概念、相关研究进展、行为习性等基本知识。
2.4 考核评价与实验成绩模块
为力求科学、客观和全面评价学生学习效果，项目采用多维度评价考核方式，涵盖实验学习前、学习中和学习后［13］。本虚拟仿真项目的成绩评价包括预习测试、器官复位、牙齿测定年龄、考核评价4 个测试模块成绩以及形成实验报告和研究性报告，加权计算得出学生实验成绩（见表1）。
表1 学生虚拟仿真实验成绩构成
本项目已纳入学科专业教学体系，经过几年的实践，不仅在我校生物科学、生物技术等专业很好地进行了教学应用，而且其他专业有兴趣的学生，也积极选修学习。同时，本项目是自然保护概论、自然科学概论等校级通识课程自主学习内容的一部分，具有辐射专业面广、应用群体多的特点。此外，尤其是在2020 年春季学期，为应对疫情对高校实验教学影响，本虚拟仿真项目发挥了不可替代的重要作用［12］。
海洋哺乳动物生物学特征与行为习性观察虚拟仿真实验项目与多所高校建立了共享合作协议，已被教育部评定为首批国家级一流虚拟仿真课程，并且在国家虚拟仿真实验教学共享平台（http：／／www.ilab-x.com）开放共享2 年多。目前，共享平台显示实验浏览量39 925人，实验人数5 040 多人次，交流互动人数位居排行榜之首（2020 年），获得师生等用户一致好评。
4.1 构建更完整的动物生物学知识体系，提升实验教学质量与效果
本项目借助虚拟仿真优势，突破时空限制，解决了海洋哺乳动物由于生活在海洋，难以直接接触及不可能反复解剖观察等制约因素，将海洋哺乳动物实验搬进课堂，构建更加完整的动物生物学知识体系。项目充分遵循“虚实结合、以虚促实”的教学原则，有效拓展了教学内容、教学方法和实验方法的广度与深度，提升了动物生物学实验教学质量［5］。另外，虚拟仿真项目能通过多次反复学习和应用共享，不仅可以很好地提升学习效果，也起到了节约教学成本的作用。
4.2 依托海洋生物学研究与平台优势，促进对海洋哺乳动物的关注
本校具有水生生物学国家级重点学科，赤潮与海洋生物学研究中心等具海洋特色的一流平台，项目充分立足于水生生物学和海洋生物学的研究优势，确保虚拟仿真实验项目的科学性与先进性。此外，在我国所有的海洋哺乳动物均为国家重点保护动物，例如中华白海豚、儒艮、西太平洋斑海豹、蓝鲸等为国家一级重点保护动物，其他为国家二级重点保护动物［14］。相比于大熊猫、金丝猴等珍稀濒危动物，人们对以中华白海豚为代表的海洋哺乳动物的认知度还较低。通过虚拟仿真学习相关的海洋哺乳动物知识，很好地促进了大家对海洋珍稀动物的关注。
4.3 项目既注重实验基础，也强调综合实践与创新能力的培养
本虚拟仿真项目既注重实验基础，也强调培养学生的综合实践与创新能力［15］。在内容上，中华白海豚外形测量、身体对水生生活的适应特征、内部解剖等包含了传统而经典的动物生物学实验方法。而年龄的测定、海洋哺乳动物种群数量的调查与照片-重捕法等相关内容则强调对学生综合实践与创新能力的培养。虚拟仿真项目中的综合性实验，也为学生进一步从事动物病理学或海洋动物学等方向奠定了一定基础。另外，在评价上，采用了多维度的评价体系，也有助于学生综合实践与创新能力的培养［13］。
虚拟仿真实验技术能有效解决因成本高、风险大等受现实因素制约而无法开设项目的难题［16-17］。海洋哺乳动物生物学特征与行为习性观察虚拟仿真实验项目，突破时空限制，将海洋哺乳动物实验搬进课堂，拓展了动物生物学实验教学范围，构建了更为完整的动物生物学知识体系。本项目容实验、观察、分析、研究于一体，具有良好的沉浸性、交互性和高仿真度。应用实践表明，有效突出了学生学习的自主性，促进了对海洋哺乳动物类群尤其濒危海洋哺乳动物的了解与关注，提高了学生的综合实践与创新能力。
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