漁業物種和種群判別虛擬仿真實驗設計

方舟　劉必林　胡松

【摘要】針對漁業資源生物學課程中物種和種群判別教學存在的問題，以頭足類為研究對象，設計了基于角質顎的物種和種群判別虛擬仿真實驗內容。通過實現頭足類角質顎的圖像化、測量和地標點等步驟的虛擬仿真過程，加深課程教學的直觀感和可視化過程，并通過增加軟件分析過程，使得學生充分理解物種和種群判別的步驟和過程，熟練掌握分析步驟和分析過程中應注意的點，能夠極大地提升學生在漁業生物學領域處理問題的能力。

【關鍵詞】物種? 種群? 判別? 虛擬仿真? 實驗設計

【Abstract】Aiming at the problems existing in the teaching of species and population discrimination in fishery resources biology， a virtual simulation experiment of species and population discrimination based on horny jaw was designed with cephalopods as the research object. Through the realization of the virtual simulation process of cephalopod horny jaw， such as visualization， measurement and landmark， the intuitive sense and visual process of course teaching are deepened. By adding software analysis process， students can fully understand the steps and processes of species and population discrimination， and master the analysis steps and points that should be paid attention to in the analysis process， which can greatly improve the students ability in fishery. The ability to deal with problems in the field of physics.

【Keywords】species; population; discrimination; virtual simulation; experimental design

【基金項目】上海海洋大學一流本科實踐教學平臺建設項目（A1-2023-18-0003）。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）08-0094-03

海洋漁業資源一直以來都是國家重要的藍色糧倉和戰略性資源。我國有著極為豐富的海洋漁業物種，經濟性漁業種類也多達上百種[1]。因此，了解海洋生物的多樣性，準確劃分漁業種類，也是在新農科教育背景下的基本任務。對海洋漁業物種的正確掌握，有助于我們更好地了解海洋生物多樣性，并為海洋物種保護和管理提供依據。

漁業資源生物學是生物學科的一個分支。主要目的是讓學生能夠掌握和了解開展魚類生物學特性以及漁業資源調查與研究的基本方法，了解我國近海和世界主要海洋漁業資源的分布狀況，也是國家特色專業海洋漁業科學與技術專業必修專業基礎課之一[1]。種群是生物群落和生態系的基本結構單元，同時也是漁業資源開發和管理的具體單元，因此，只有了解魚類種群結構的基礎，才能為漁業資源可持續利用和科學管理提供依據[2-4]。該部分不僅是漁業資源生物學的基礎內容，也是“漁業海洋學”“魚類硬組織信息分析”“人工智能在漁業中的應用”等課程的重要教學內容之一。

種群的定義是特定時間內占據特定空間的同種有機體的集合群[1]。根據定義可以發現，要確定種群，時間、空間、同種物種三者條件缺一不可。但是由于海上條件的限制性和隨機性，我們往往無法讓學生能通過實習等方式更好地了解到種群的具體概念。而如果完全依賴課程中的理論教學，也無法使學生真正掌握種群的鑒定方法和步驟[4]。AI模擬技術在近些年不斷興起[4]，同時也帶動了其在教學上的應用[5-6]。虛擬仿真實驗教學作為最重要的應用實現方式，能夠有效地作為教師教學的輔助工具，全面展示種群劃分的方法和步驟，同時為學生學習提供更為實際的真實的場景，幫助提高學生的主動學習積極性以及自主創新能力。

1.實驗設計目的和意義

水產科學基本理論知識是海洋漁業科學與技術專業所必須掌握的內容之一，漁業資源生物學更是其中的必修課。種群劃分步驟和方式是漁業資源生物學課程中的基礎和重點，因此種類識別和種群判定虛擬仿真實驗的設計目的主要是針對現有實驗課中完善和補充需求，同時對傳統理論教學進行更為生動的講解。結合漁業學科理論和實踐結合的特點，利用虛擬現實技術構建接近真實的實驗室環境和實驗種類對象，可以更好地讓學生自主開展虛擬實驗，實現與仿真方式物化的虛擬交互[5-6]，通過可重復性的虛擬實驗，充分理解和掌握種類識別和種群劃分方法的實驗步驟、所用到的工具，數據分析步驟、所需注意的細節、不同方法分析結果的差異和解讀等專業知識，極大地促使學生進行自主學習、探索研究的過程，可重復體會和領悟實驗過程[6]。

本設計以重要經濟性漁業種類頭足類的硬組織——角質顎為研究對象。角質顎種類識別與種群判定虛擬仿真系統是運用3D虛擬現實技術、現代三維圖形圖像技術、計算機網絡技術、立體顯示技術、特種視效技術，把枯燥的書本講解變成鮮活的模型，它以最新的虛擬現實信息技術為依托，以3D交互體驗、互動性為手段，讓學生對實驗有更直觀的了解，提高學生的觀察能力、分析能力、獨立思考和獨立解決問題的能力，培養學生在科學工作中的嚴肅的態度、嚴格的要求、嚴密的方法和嚴謹的作風。

2.實驗主要功能模塊

虛擬仿真實驗的主界面即為分區域的界面形式。屏幕左側顯示為虛擬仿真實驗中主要設計的四個模塊。第一模塊為實驗目的與意義，旨在告訴學生本實驗的主要目的、意義，了解實驗的背景和應用。第二模塊為實驗原理，意在告知學生本實驗分析所依據的原理內容。第三模塊為開始實驗，此部分為虛擬仿真實驗的主體內容，所有實驗的主體步驟和操作過程均在此部分進行，點擊即可進入實驗操作模塊。最后一部分為課后鞏固練習。習題由教師針對操作過程中的重點和難點進行精心設計，能夠有效地針對學生面對的主要問題進行正確的解釋。

在進入虛擬仿真實驗主體內容后，主要劃分為練習模式和考核模式兩部分。練習模式中，針對各個環節步驟均有詳細介紹和文字提醒，包括所涉及的實驗材料、實驗方法及實驗內容，能夠很好地讓學生全面詳細地了解實驗流程，掌握實驗步驟的同時，更注重專業知識的融入及注意事項提示。考核模式主要考查學生的學習效果，須完全依據學生自主學習情況，對每一個步驟進行準確操作（圖1）。兩種模式中均以傳統測量法和地標點法作為基礎，針對不同需求的方法進行了全面的介紹，全面地還原了種類識別和種群劃分的全部流程。

以練習模式為例，首先需要學生學習如何從頭足類中取出角質顎這一硬組織，所包含的知識即為角質顎所處的位置，提取過程的主要步驟（圖2）。接著需要將角質顎進行一系列的清理，保證外部清潔。隨后需要將角質顎進行拍照，保存影像圖片，以便后續進行地標點處理（圖3）。對于已拍攝完畢的照片，需要角質顎圖片的大小進行控制（圖4）。角質顎的上顎和下顎均重復上述步驟。

接下來選擇不同的分析目的和方法，分別為種類識別或者種群判定（圖5）。種類識別中，以四種不同種類的蛸類為例，通過不同的研究方法，分析角質顎形態的差異，最終通過建立判別函數，比較判別正確率來解釋不同方法的結果。

上述各個步驟均能很好地說明角質顎種類識別和種群判別的所有流程，通過虛擬實物和模擬步驟讓學生體驗和學習種類和種群判定的主要流程及注意事項，從而為今后在實際應用中能夠獨立、完整地完成整個流程，乃至進行科學研究打下堅實的基礎。

3.結語

我國目前有著全球最高的海洋捕撈產量，開拓了近海各海域及全球公海的遠洋漁場。漁獲物的種類鑒別，是漁獲物準確統計的基礎之一。而種群的正確劃分，更是漁業資源評估的重要前提之一，對后續漁業資源可持續利用有著極其重要的意義[7-9]。然而，許多漁業種類有著極為相似的外形，肉眼極難區分，而同一時空環境下的種群物種更是無法辨別，理論課程與實驗課的講授時間也有限，這給以海洋漁業科學與技術為主的漁業方向學生的學習帶來諸多困難。在漁業資源生物學相關教學中融入虛擬仿真技術，可利用可視化的互動界面，使得學生能夠改變其學習模式，真正將線下課堂理論和實驗教學與線上虛擬仿真教學做到有機結合，通過虛擬仿真實驗教學式引導，鞏固上課所學知識，反復練習具體的技能操作步驟 [10-11]，這種方式更能激發學生的學習興趣，也為希望從事相關行業工作的學生提供實際的鍛煉[12]，能夠全方位提升漁業人才培養的質量和效率。

參考文獻：

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[2]劉尊雷，馬春艷，嚴利平，等.東海中南部日本鯖種群分析[J]. 海洋漁業，2018，40（5）：531-536.

[3]陳芃，方舟， 陳新軍.基于角質顎外部形態學的柔魚種群判別[J].海洋漁業，2015，37（1）：1-9.

[4]楊東海，張勝茂，湯先峰.基于機器視覺技術的魚類識別研究進展[J].漁業信息與戰略，2019，34（2）：37-45.

[5]張春玲，胡松.海洋中尺度渦虛擬仿真實驗設計[J].中國地質教育，2019，28（2）：100-102

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[8]Fang Z， Liu B L， Li J H， et al. Stock identification of?neon flying squid （Ommastrephes bartramii） in North Pacific Ocean on the basis of beak and statolith morphology. Scientia Marina， 2014， 78（2）： 239-248.

[9]Fang Z， Fan J T， Chen X J， Chen Y Y. Beak identification of four dominant octopus species in East China Sea based on traditional measurements and geometric morphometrics. Fisheries Science. 2018， 84： 975-985.

[10]杜月林，黃剛，王峰，高翔.建設虛擬仿真實驗平臺， 探索創新人才培養模式[J].實驗技術與管理，2015，32（12）：26-29.

[11]李震彪.本科教學虛擬仿真實驗之思考[J].實驗技術與管理，2019，36（9）：5-7.

[12]熊宏齊.國家虛擬仿真實驗教學項目的新時代教學特征[J].實驗技術與管理，2019，36（9）：1-4.

作者簡介：

方舟（1988年-），男，博士，講師。

胡松（1978年-），男，安徽祁門人，上海海洋大學海洋科學學院副院長，分管本科教學工作。