玉帶鳳蝶人工飼養虛擬仿真實驗項目建設

肖煒 宋艷琦 張懿

[摘 要] 為提升普通昆蟲學實踐教學效果，提出玉帶鳳蝶人工飼養虛擬仿真實驗教學項目建設方案?；诹謽I高等院校森林保護專業在“普通昆蟲學”課程中昆蟲生物學實驗的開展，運用玉帶鳳蝶人工飼養昆蟲虛擬發育實驗，實現常規實驗不能完成的任務。該項目建設包括資源建設、流程建設、內容建設、平臺建設和共享服務建設，充分發揮虛擬仿真實驗在普通昆蟲學教學中的作用，使學生能夠系統全面地掌握昆蟲的世代、年生活史、習性等相關知識，培養學生獨立思考、獨立操作、解決問題的能力，可為后續專業課程的學習打下堅實的基礎。

[關鍵詞] 玉帶鳳蝶;虛擬仿真實驗;人工飼養;實驗項目建設

[基金項目] 中南林業科技大學校級虛擬仿真實驗項目（2020培育）;湖南省普通高校重點實驗室昆蟲系統進化與綜合管理實驗室（010211）平臺項目73402-14180946資助

[作者簡介] 肖 煒（1975—），男，湖南新寧人，碩士，中南林業科技大學昆蟲系統與綜合管理實驗室實驗師（通信作者），主要從事森林保護學昆蟲學研究。

[中圖分類號] G642.0? ? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）19-0022-04? ?[收稿日期] 2020-12-02

一、實驗項目建設背景

隨著現代信息技術的飛速發展，傳統昆蟲學教學模式的局限性顯得越來越突出，已經不能滿足教學需求。為了解決這個問題，虛擬仿真技術逐步被引入各高校實驗教學當中[1]。林業高等院校森林保護專業主干課程中“普通昆蟲學”是專業基礎課，涉及昆蟲形態學、昆蟲生物學等方面，課程由理論教學和實踐教學兩部分組成，特別是實驗教學是非常重要的環節，它不僅能使學生更好地鞏固理論教學知識，同時能使其掌握操作技能，提高分析問題、解決問題的能力。

玉帶鳳蝶（Papilio Palytes Linnaeus）是我國南方柑橘的主要害蟲之一，其幼蟲咬食柑橘嫩芽、幼葉[2，3]，易于人工飼養，但飼養周期長，在當前的普通昆蟲實驗教學中不易實現，因而限制了教學效果。因此，我們開發了玉帶鳳蝶人工飼養虛擬仿真實驗教學項目，以中南林業科技大學虛擬仿真實驗中心為依托，以林業害蟲玉帶鳳蝶（Papilio Palytes Linnaeus）為實驗對象，建設了虛擬喂養、動態觀察和發育控制的混合式教學模式，實現了“大尺度實驗微縮化”，完成傳統實驗不可能完成的實驗內容，使各個知識點無縫銜接，學生掌握的知識結構與專業技能更加完整，進而達到真實實驗不具備或難以實現的教學效果[4，5]。

二、實驗項目建設方案

玉帶鳳蝶人工飼養虛擬仿真實驗教學項目的教學對象是林業高等院校森林保護專業的二年級學生，學生已經完成了基礎課程，進入專業課程學習當中，其中“普通昆蟲學”為主干課程。該項目綜合運用虛擬仿真現代教育技術，通過玉帶鳳蝶人工飼養虛擬仿真實驗教學，使學生掌握昆蟲的年生活史、習性等相關知識[6，7]，有效解決了昆蟲飼養在普通昆蟲學實驗教學中不易實現、限制了教學效果的難題。玉帶鳳蝶人工飼養虛擬仿真實驗項目建設方案主要包括：實驗資源建設、實驗流程建設、實驗內容建設、實驗平臺建設及實驗共享服務建設等五個方面（見圖1）。

三、實驗項目建設實踐

（一）建立了虛擬喂養、動態觀察和發育控制的混合式教學模式

針對玉帶鳳蝶人工飼養耗費時間長、難以觀察等問題，結合“普通昆蟲學”教學大綱，我們建立了虛擬喂養、動態觀察和發育控制的混合式教學模式，該教學模式包括虛擬喂養、動態觀察和發育控制三個基本功能。發育控制為考查學生對“普通昆蟲學”課程“有效積溫”“滯育”等基礎知識點的掌握;而虛擬喂養、動態觀察可以促進學生對“蛻皮”“羽化”等知識點的理解[8，9]，混合式教學模式可以培養學生自主學習、發現問題和解決問題的能力，提升綜合素質。

（二）實驗項目教學資源和教學內容建設

玉帶鳳蝶人工飼養虛擬仿真實驗項目的教學資源，例如課程簡介、教學大綱、指導手冊等，已成熟并在教學過程中得到實際應用。學生通過虛擬實驗預習，可以先行了解課程簡介、教學大綱、操作指導手冊等，通過觀看平臺實驗操作視頻及實驗內容介紹，使學生在課前對整個虛擬喂養實驗有系統、全面的了解。

實驗教學內容主要有虛擬喂養、動態觀察和發育控制三個內容，“虛擬喂養”包括天然植物喂養和人工飼料喂養;“動態觀察”包括幼蟲蛻皮過程、化蛹過程、羽化成蟲過程和交配過程等方面;“發育控制”包括卵的發育控制、幼蟲的滯育控制等。實驗參數設置可預設，也可由學生自主設置，可進行人機對話和虛擬操作，動態展示了玉帶鳳蝶人工飼養條件下的發育全過程。

（三）實驗項目教學流程

學生可通過智能手機、平板及電腦等客戶端登錄玉帶鳳蝶人工飼養虛擬仿真實驗項目平臺進行實驗預習，了解和熟悉實驗簡介、實驗目的與原理及實驗內容。按照教學流程框架依次開展本項虛擬仿真實驗，教學流程框架如圖2所示。

在預習之后，學生進入教學與操作部分，教學與操作為虛擬實驗的重點部分，根據玉帶鳳蝶的生活史，我們設置了“卵”“幼蟲”“蛹”和“成蟲”四個基本模塊。根據昆蟲的發育，玉帶鳳蝶人工飼養仿真實驗從“卵”開始。首先要求學生觀察卵的形態特征，并通過點擊“參數設置”，輸入玉帶鳳蝶卵的發育最佳參數，包括溫度、濕度和光照等，當實驗參數正確時，“卵”開始進行虛擬孵化，學生可以動態觀察到整個虛擬孵化過程。

進入“幼蟲”模塊，當孵化出第一齡幼蟲后，要求學生在眾多的植物種類中選擇正確的玉帶鳳蝶寄主植物，選擇正確后，第一齡幼蟲開始虛擬取食、生長。當一齡幼蟲生長期結束時，開始進行虛擬蛻皮，學生可以動態觀察到整個虛擬蛻皮過程。蛻皮完成后進入幼蟲第二齡，第二齡幼蟲食量開始增加，同時可以要求學生人工合成玉帶鳳蝶的人工飼料[9]，進行人工飼料虛擬喂養，并同天然植物喂養進行比較。當二齡幼蟲蛻皮后進入第三齡幼蟲，要求學生比較玉帶鳳蝶幼蟲體色、體形的變化。當蛻皮后進入第四齡幼蟲，要求學生進行“滯育”觀察，輸入玉帶鳳蝶發育的參數，包括溫度、濕度和光照等，當實驗參數正確時，玉帶鳳蝶第四齡幼蟲進入虛擬“滯育”。當“滯育”結束蛻皮后進入第五齡幼蟲，要求學生進行老熟幼蟲形態觀察，并與一至四齡幼蟲進行比較，當鼠標點擊老熟幼蟲頭部時，要求學生觀察老熟幼蟲的“臭角防衛”習性。