虛擬仿真技術(shù)在“植物物種多樣性的調(diào)查”中的應(yīng)用

摘要：運(yùn)用樣方法調(diào)查某種植物的種群密度是理解種群特征的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之一。本文針對辨認(rèn)植物特征耗費(fèi)精力、有限的綠化面積有礙于隨機(jī)取樣、無法即時觀察入侵物種的影響等實(shí)際問題，開發(fā)了虛擬仿真“植物物種多樣性的調(diào)查”的教學(xué)系統(tǒng)。實(shí)踐表明，該虛擬仿真系統(tǒng)簡化了樣方計(jì)數(shù)的繁瑣過程，激發(fā)了學(xué)生的探究興趣，有利于學(xué)生對影響植物物種多樣性的因素展開的深度思考，從而提高了教學(xué)效率，使學(xué)習(xí)內(nèi)容更加直觀、生動。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；植物物種多樣性；種群密度；樣方法；外來物種入侵

文章編號：1003-7586（2024）04-0055-03 中圖分類號：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）在選擇性必修課程模塊2“生物與環(huán)境”的次位概念要求學(xué)生能“列舉種群具有種群密度等特征”。學(xué)業(yè)要求建議學(xué)生能“舉例說明不同類型群落的結(jié)構(gòu)、特征”。為幫助學(xué)生達(dá)成上述要求，強(qiáng)化對生命系統(tǒng)與環(huán)境關(guān)系的認(rèn)識，人教版、浙科版、北師大版普通高中教科書《生物學(xué)·必修2·遺傳與進(jìn)化》（以下簡稱“教材”）中均安排了用樣方法調(diào)查某種植物的種群密度的實(shí)驗(yàn)或活動，滬科版教材也對樣方法的運(yùn)用進(jìn)行了詳細(xì)說明。但在實(shí)際教學(xué)實(shí)踐中，常存在以下問題：需要花費(fèi)精力熟悉植物的鑒別特征；校園草坪多為人工種植，種類單一，不能體現(xiàn)自然狀態(tài)下物種的多樣性；學(xué)校綠化面積有限，難以實(shí)現(xiàn)隨機(jī)取樣；受季節(jié)影響，枯枝敗葉易對計(jì)數(shù)形成干擾；不易進(jìn)行不同生態(tài)系統(tǒng)中植物物種多樣性的比較觀測；不能直觀判斷外來物種入侵對某物種種群密度的影響等。這些問題影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)種群的影響因素、群落和生態(tài)系統(tǒng)等造成了阻礙，同時也成為教師亟待解決的教學(xué)難點(diǎn)。《課程標(biāo)準(zhǔn)》在教學(xué)建議中指出：“教師可以采用生物材料設(shè)計(jì)和開展實(shí)驗(yàn)，也可以利用電子設(shè)備設(shè)計(jì)、完成模擬性實(shí)驗(yàn)；有條件的學(xué)校還可以充分利用多媒體、互聯(lián)網(wǎng)及無線通信技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)”。虛擬仿真借助圖形、圖像、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)創(chuàng)建一個可視化虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，以人機(jī)交互的方式，使學(xué)生可以運(yùn)用各種虛擬機(jī)械設(shè)備對實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行虛擬操作，為原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供重要補(bǔ)充和拓展。基于虛擬仿真技術(shù)開發(fā)的“植物物種多樣性的調(diào)查”系統(tǒng)極大改善了上述問題，豐富了教學(xué)內(nèi)容，拓展了學(xué)生的思維廣度與深度。

1 “植物物種多樣性的調(diào)查”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的框架

針對“植物物種多樣性的調(diào)查”在教學(xué)中存在的上述問題，筆者運(yùn)用C語言和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，制作了虛擬仿真模擬系統(tǒng)，包含“森林生態(tài)系統(tǒng)中的物種多樣性的調(diào)查”和“荒漠生態(tài)系統(tǒng)中的物種多樣性的調(diào)查”兩個模塊，每個模塊下設(shè)有“生物群落多樣性調(diào)查記錄表”和“數(shù)據(jù)匯總表”兩個頁面。其中前者又包含三個內(nèi)容，分別是“某草本植物入侵前”“入侵后”和“入侵前后比較”，框架如圖1所示。每個模塊內(nèi)還加載了柱狀圖進(jìn)行數(shù)據(jù)的比較。學(xué)生可通過PC端或智能終端設(shè)備進(jìn)入系統(tǒng)，在問題的指引下，進(jìn)入不同的模塊開展學(xué)習(xí)，系統(tǒng)PC端的主界面如圖2所示。

2 “植物物種多樣性的調(diào)查”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 森林生態(tài)系統(tǒng)中植物物種多樣性的調(diào)查

打開主界面，是上海市某森林公園生態(tài)系統(tǒng)的整體描述：“以水杉為優(yōu)勢種的森林生態(tài)系統(tǒng)，喬木層主要有水杉、馬尾松、側(cè)柏和旱柳，灌木層以海桐為主，草本層主要以高羊茅為主，有明顯的凋落物層，土壤類型為棕色土。”在這個模塊中，設(shè)置了10 m×10 m、4m×4m、1m×1m、0.1 m×0.1 m四種面積不同的樣方，分別對喬木、灌木、草本和苔蘚進(jìn)行取樣調(diào)查，學(xué)生可以拖拽不同的樣方框進(jìn)行取樣，屏幕一角會出現(xiàn)樣方中對應(yīng)植物的數(shù)量，樣方旁邊會出現(xiàn)反應(yīng)物種多樣性的辛普森多樣性指數(shù)。

設(shè)計(jì)意圖：通過上述模塊的操練，學(xué)生能夠熟悉樣方法基本的操作步驟，對區(qū)域內(nèi)植物展開隨機(jī)取樣調(diào)查，虛擬仿真系統(tǒng)可以自動進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取、計(jì)算和統(tǒng)計(jì)自動生成，學(xué)生可以基于數(shù)據(jù)比較不同物種的種群密度，闡釋種群的相關(guān)特征。

2.2 外來物種入侵森林系統(tǒng)后的植物物種多樣性的調(diào)查

當(dāng)某外來草本植物入侵后，植物物種多樣性會發(fā)生什么變化？學(xué)生可以進(jìn)入“物種入侵”模塊，采用相同的方式進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查記錄表和數(shù)據(jù)匯總表也會同時生成。

設(shè)計(jì)意圖：由于植物的生長周期一般長達(dá)數(shù)月甚至數(shù)年，傳統(tǒng)的板書、掛圖、文檔等手段在表示外來物種入侵對于本地植物物種多樣性的影響方面缺乏真實(shí)性、連貫性、交互性。虛擬仿真技術(shù)的模擬使學(xué)生只需進(jìn)入不同的界面環(huán)境即可跨越時間界限，形象直觀地了解物種入侵帶來的影響。

2.3 入侵前后植物物種多樣性的比較

在完成外來物種入侵后的多樣性的調(diào)查后，系統(tǒng)會生成入侵前后的對比柱狀圖，可以看出辛普森多樣性指數(shù)比入侵前都發(fā)生了下降，如圖3所示。教師提問：外來物種應(yīng)該增加本地的物種多樣性，但是卻產(chǎn)生了下降，這種改變是什么原因?qū)е碌模繉W(xué)生思考入侵物種與其他植物間的關(guān)系，分析可能的原因。

設(shè)計(jì)意圖：由數(shù)據(jù)生成的結(jié)果能夠激發(fā)學(xué)生的探究思維，促進(jìn)其運(yùn)用出生率和死亡率、遷入率和遷出率等種群特征的知識對問題進(jìn)行解答，為后續(xù)學(xué)習(xí)群落及生態(tài)系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

學(xué)生點(diǎn)擊進(jìn)入物種“均勻度”和“豐富度”的數(shù)據(jù)界面，如圖4所示。教師提問：為何物種沒有以前豐富？均勻度可能會發(fā)生什么變化？它們是如何影響物種的多樣性的？學(xué)生分小組對數(shù)據(jù)展開討論，深刻理解物種多樣性與均勻度、豐富度的關(guān)系。

2.4 荒漠生態(tài)系統(tǒng)中植物物種多樣性的調(diào)查

第二個模塊由問題引出：“治沙造林一直以來是我國政府堅(jiān)持的政策，為什么要這樣做？這樣做對于物種多樣性會產(chǎn)生什么影響？”學(xué)生也會好奇荒漠里的植物種群具有什么特征，接著進(jìn)入“新疆某戈壁灘上的荒漠生態(tài)系統(tǒng)”進(jìn)行樣方調(diào)查，如圖5所示。具體的操作同森林生態(tài)系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生知道荒漠地區(qū)貧瘠，但如何通過分析數(shù)據(jù)得出物種數(shù)量上的差異，獲取定量認(rèn)知？這個模塊的操作會讓學(xué)生有深人體會，同時能幫助其理解“綠水青山就是金山銀山”的含義，對國家的荒漠化防治政策有所了解，形成生態(tài)意識，培養(yǎng)社會責(zé)任。

3 反思與展望

3.1 選擇適宜的內(nèi)容進(jìn)行開發(fā)

生物學(xué)是一門依賴于觀察、實(shí)驗(yàn)、調(diào)查等探究方法逐步構(gòu)建的學(xué)科，研究動物、植物和微生物的生命物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能、它們各自發(fā)生和發(fā)展的規(guī)律、生物之間和生物與環(huán)境之間的相互關(guān)系。真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作對于學(xué)生認(rèn)識生命、發(fā)現(xiàn)生命規(guī)律是十分必要的。虛擬仿真并非將所有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都進(jìn)行轉(zhuǎn)化，要遵循“能實(shí)不虛、提升實(shí)效”的原則，借助虛擬仿真技術(shù)，使學(xué)生從核心素養(yǎng)的培育角度真正獲益。

3.2 應(yīng)以新課標(biāo)的對應(yīng)要求為設(shè)計(jì)依據(jù)

《課程標(biāo)準(zhǔn)》是規(guī)范國家課程實(shí)施與發(fā)展的綱領(lǐng)性文件，是編寫教材、實(shí)施教學(xué)、評估學(xué)生學(xué)業(yè)質(zhì)量和教師教學(xué)質(zhì)量的依據(jù)。教師分析解讀《課程標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)內(nèi)容，把握教學(xué)內(nèi)容之間的關(guān)系，對于開發(fā)虛擬仿真教學(xué)資源具有指導(dǎo)意義。教師在設(shè)計(jì)虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容時，可以關(guān)注大概念、大單元、跨學(xué)科等內(nèi)容，與《課程標(biāo)準(zhǔn)》的要求保持高度一致。

3.3 注意虛擬仿真互動效果的呈現(xiàn)

虛擬仿真技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢為學(xué)生提供親臨其境的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。讓學(xué)生在體驗(yàn)中經(jīng)過質(zhì)疑、探索、轉(zhuǎn)化、創(chuàng)造，提升對真實(shí)世界的認(rèn)知體驗(yàn)、具體經(jīng)驗(yàn)和主動實(shí)踐的能力。