珍稀動物生物學習性觀察研究虛擬仿真實驗項目的建設

周 權，阮 君，張洪茂，李 兵

（華中師范大學 生命科學學院，湖北省生物學實驗教學示范中心，生物學國家級虛擬仿真實驗教學中心，湖北 武漢 430079）

動物學是生物科學、生物技術、生物工程、動物科學、動物醫學、林學等專業本科生的專業基礎課，在各專業學生培養中具有重要地位[1]。動物學教學依賴野外觀察和實驗研究[2]。珍稀動物多樣性及保護是哺乳動物多樣性綜合實驗教學的重要拓展[3-4]，是學生掌握基礎知識、學習專業課程的基礎，也是學生認識珍稀動物保護的意義，增強環境友好、生態文明理念的重要途徑，同時還是動物科學、動物醫學專業向珍稀動物保護、救護、飼養、繁育等延伸的專業基礎。但是，珍稀動物遠離人類，生活環境難以觸及，不可獲得；傳統講授型課堂教學難以做到直觀性、互動性；一般視頻資料無法讓學生參與和互動交流，也無法隨心所欲地觀察細節；動物園圈養種群觀察無法讓學生了解動物的自然習性，難以理解動物對環境的適應性。學生學習的積極性和主動性不高，以學生為主體的研究型教學體現不足，教學效果不理想[5-7]。

為此，本文以神農架川金絲猴為例[8]，通過采集標本的形態、頭骨特征、自然及招引種群生態行為習性等基礎數據及圖片、視頻等資料，利用虛擬現實（VR）[9-11]、三維數字還原等技術[12]，將川金絲猴的形態結構、行為習性、飼養與管理等進行虛擬仿真，開發了“珍稀動物生物學習性觀察研究虛擬仿真實驗項目”。

1 項目建設

1.1 項目建設思路

“珍稀動物生物學習性觀察研究虛擬仿真實驗項目”以野外實習教學實際需求為導向，通過衛星掃描神農架川金絲猴分布區地形地貌虛擬沙盤模型、分布區120~300 m的航拍點、地面觀察點和生物學知識點4個層級進行建設布局，分別介紹神農架地形地貌、野生川金絲猴生境、川金絲猴生物學習性和知識點，如圖1所示。

圖1 項目整體布局

1.2 項目建設內容

1.2.1 虛擬數字大廳

神農架為典型的構造地貌生態綜合地質公園，位于大巴山、川東雪峰山及鄂西大洪山 3大弧形構造帶的交匯處，包含山體地貌、構造地貌、喀斯特地貌等多種地貌類型[13]，是川金絲猴等珍稀瀕危動物的宜居家園。

本文建設的項目以神農架衛星掃描地形沙盤為基礎，主要展示神農架的地理位置、地形地貌、山系走勢及垂直落差區分等，并將川金絲猴分布區劃分為 9個特色生境點，展示神農架川金絲猴種群分布概況，如圖2所示。學生可以通過放大縮小沙盤視野來觀察神農架林區概況及金絲猴種群棲息地概況。

圖2 神農架川金絲猴分布區地形地貌虛擬沙盤模型

1.2.2 航拍層

通過無人機航拍技術獲得大龍潭、金猴嶺路段、木魚鎮路段、瞭望塔、板壁巖、大九湖和老君山共 9個航拍點影像。學生可以通過鼠標 360°觀察每一個航拍點的完整場景范圍，能更全面地了解片區自然特征和川金絲猴的棲息生境。同時，每一個航拍點涵蓋多個地面觀察點，地面觀察點下包含多個生物學知識點，進而形成3層的觀察結構，每層又涵蓋不同季節的內容，使學生對猴群的種群大小、遷移、擴散及生境選擇等生物習性及所在地理地貌有更全面直觀的認識。圖3為神農架老君山航拍點示意圖。

1.2.3 地面觀察點

圖4為神農架川金絲猴地面觀察點示意圖。在各觀察點，采集川金絲猴在神農架國家公園的分布區、棲息地等視頻資料；以神農架大龍潭招引群為對象，采集川金絲猴形態特征、社群結構、生活習性、食性、活動節律、群飼養管理等數據及視頻、圖片資料。結合我校生科院相關研究團隊對神農架川金絲猴的研究成果，本項目從形態結構、生物學習性、飼養、保護與管理等方面綜合展示神農架川金絲猴，解決了實驗教學中珍稀動物不可獲得、時空限制等瓶頸問題。

圖4 神農架川金絲猴地面觀察點示意圖

學生可以通過對神農架川金絲猴覓食行為的觀察，掌握川金絲猴的覓食行為及其適應性意義；通過對神農架川金絲猴家庭單元的觀察，了解川金絲猴家庭單元組成和結構，理解川金絲猴一雄多雌的家庭單元結構組成及意義，了解家庭單元雌性間的親緣關系及雄性替換模式及意義；通過對神農架川金絲猴社群行為的觀察，了解川金絲猴松散母系社會的社群結構模式及維持機制，理解家庭單元外交配（混交制）對川金絲猴社群穩定及遺傳多樣性維持的意義。

1.2.4 生物學知識點展示

以神農架國家公園標本館及華中師范大學標本館庫存川金絲猴標本為對象，采集川金絲猴形態特征、頭骨特征等數據及視頻、圖片等資料，知識點展示如圖 5所示。學生可以通過對神農架川金絲猴形態特征的觀察，掌握哺乳動物形態特征描述和測量方法；通過對神農架川金絲猴頭骨的觀察、測量和描述，并與不同屬、科、目哺乳動物頭骨比較，掌握哺乳動物頭骨結構、描述、測量及其與動物發育、食性等的關系。

圖5 川金絲猴生物學知識點示意圖

1.3 項目建設實踐

本項目集成了問題導向、實驗操作、專題討論、總結研究等教學方法，即“問題引導學習方向、操作體驗學習過程、專題討論系統化提高、總結研究探究性拓展”，環環相扣、層層深入，能夠保障學生系統地、主動地開展學習，從而最大限度地解決以往教學中過分注重實驗操作過程、實驗目的不明確、知識整合提高和研究性教學不足等問題。本項目整體上教學思路清晰，知識點針對性強，軟件技術先進，人機交互強，操作簡單，趣味性強。

1.3.1 基于問題導向的預習及背景知識準備

學生通過查閱資料了解川金絲猴的特征、分布、生境習性、社群結構、行為習性；了解神農架國家公園地質地貌、水文水系、植被及生物多樣性概況；了解神農架川金絲猴種群現狀、致危因素、招引、保護、管理概況；了解以川金絲猴為代表的珍稀動物資源與保護概況等。

1.3.2 基于虛擬仿真項目的實驗操作

以科學問題為導向，基于前期的知識準備，學生通過操作虛擬軟件從不同的角度認識川金絲猴的形態結構、頭骨的特征、種群分布、生境需求、食物組成、社群行為、招引群的飼養與管理等，旨在深入理解相關科學問題，掌握動物學相關知識，拓展知識面。

1.3.3 針對科學問題，組織專題討論

在前期知識儲備及實驗操作基礎上，教師可以針對性地凝練討論專題，讓學生分組討論，并寫出討論報告。專題討論旨在針對相應問題，在實驗操作基礎上，拓展理論知識，引發思考和系統總結。

1.3.4 總結研究，提出創新性問題

在問題導向、實驗操作、專題討論基礎上，教師可以針對相應的科學問題進行總結和研究，讓學生分小組撰寫研究報告，旨在讓學生學會系統地總結知識和思考，并提出新的科學問題，鍛煉學生文獻綜述、學術觀點總結及科學問題凝練等能力，最終培養學生的創新能力。

1.3.5 學生評價體系

學生需要提交實驗操作前針對科學問題的預習報告、實驗操作學習報告、實驗操作后針對科學問題的總結報告以及針對某一科學問題的總結研究報告，再進行考核評價。教師首先根據學生對不同場景的停留時間、有效操作和無效操作的比例形成初步評價；其次，利用虛擬仿真平臺的自適應學習系統對學生實驗操作及學習情況作出綜合評價；最后，從問題導向、實驗操作、專題討論、總結研究各個環節，綜合評價學生的學習成績。

2 項目建設技術手段

本項目的教學資源可實現面向國內各大院校開展相關必修課或選修課的虛擬仿真實驗教學。本項目以VR技術、Unity3D、三維數字采集還原、全景攝影、無人機航拍、計算機仿真技術、多媒體技術和網絡技術為依托，采用面向服務的軟件架構開發，具有自主知識產權。本項目集實物仿真、場景虛擬、創新設計、智能指導為一體，具有良好自主性、交互性和可擴展性，同時為其他學科的相關實驗課程提供互聯網標準接口和底層的構件庫，并為上層的調用提供標準化的調用接口，為用戶提供統一的訪問接入服務和通用的用戶服務工具包。

3 結語

由于珍稀動物不可獲得和時空限制，對“珍稀動物資源與保護”課程的傳統教學主要以教師講授為主，輔以圖片、標本、視頻、動物園參觀等手段，存在直觀性不足、互動性不強、對動物野外生活習性了解不足等問題。本項目通過對川金絲猴形態結構及生物學特性等虛擬仿真，解決了傳統教學川金絲猴等珍稀動物標本難以獲得、野生生境難以到達的不足，最大限度地實現了教學的直觀化和互動性；同時，突破了時空限制，保障學生可以開展全天候學習，最大限度地拓展了動物學課程關于珍稀動物資源與保護的教學內容，提高了學生的學習主動性，突出了學生的教學主體地位，最大限度地實現了教學過程從以教師為主體的講授型向以學生為主體的研究型轉變。