虛擬仿真技術在動物繁殖技術教學中的應用

李蓓 王步鈺 王園 安曉萍 劉娜 齊景偉

摘? 要：近年來，隨著信息化技術的發展，虛擬仿真技術在本科教學領域中得到廣泛應用。胚胎移植技術作為畜牧業生產和教學中一項重要的繁殖技術，由于實驗條件所限，不能讓學生去動手實踐。該文介紹綿羊胚胎移植虛擬仿真平臺在教學中的應用，利用線上線下混合模式，以虛實結合的手段為學生充分展示胚胎移植的原理及過程，提高家畜繁殖技術的教學效果，培養學生的綜合能力。

關鍵詞：虛擬仿真；胚胎移植；虛實結合；實驗教學；動物繁殖

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）20-0103-06

Abstract： In recent years， with the development of information technology， virtual simulation technology has been widely used in undergraduate teaching. Embryo transfer technology is an important reproductive technology in animal husbandry production and teaching. Due to the limited experimental conditions， students cannot practice it. This paper introduces the application of sheep embryo transfer virtual simulation platform in teaching， using online and offline mixed mode and the combination of virtual and real means to fully demonstrate the principle and process of embryo transfer for students， improve the teaching effect of livestock breeding technology and cultivate students' comprehensive ability.

Keywords： virtual simulation; embryo transfer; combination of virtual and reality; experimental teaching; animal reproduction

基金項目：內蒙古自治區教育廳學科建設項目“智慧養殖虛擬仿真平臺建設項目”（無編號）；內蒙古農業大學教學綜合研究重點項目“采用虛實結合教學手段構建畜牧學概論課程”（ZD202002-02）

第一作者簡介：李蓓（1983-），女，滿族，山西汾陽人，博士，副教授，碩士研究生導師。研究方向為動物遺傳育種與繁殖。

*通信作者：齊景偉（1967-），男，漢族，內蒙古通遼人，博士，教授，博士研究生導師。研究方向為智慧畜牧、動物營養與飼料等。

動物繁殖技術是動物生產中的關鍵技術環節，在優質、高產、高效的現代畜牧業發展中占有十分重要的地位。其主要內容包括生殖生理、繁殖控制技術、繁殖管理與生殖病理等。隨著科學研究和畜牧業的發展，有關動物繁殖的理論知識、實踐經驗迅速積累，研究范圍不斷拓展，如從常規的人工授精、發情控制、妊娠檢查到胚胎移植等。人為地改變和控制動物繁殖過程，調整其繁殖規律，進一步開發其繁殖潛力，以及對配子和胚胎進行操作和加工，如卵母細胞的體外培養、成熟與受精，卵子和胚胎的長期冷凍保存，精子的分離和性別控制，早期胚胎性別鑒定，胚胎的分割和卵裂球移植，卵母細胞的無性繁殖等。通過這些現代繁殖技術，充分挖掘生殖潛力，促進畜牧業向更高水平發展。

一? 傳統的動物繁殖技術在教學中存在的問題

目前，由于受各種條件的限制，傳統的動物繁殖技術教學中存在很多亟待解決的問題，主要集中在以下幾個方面。①學生代入感不強：常規的實驗課一般由老師準備好實驗樣品，安排好實驗步驟，學生按部就班操作。其在機械操作的同時，對知識的具體細節沒有概念和意識，理解較為抽象和困難，無法實現培養學生動手能力的目的。②使用實驗動物存在一定的風險：實驗動物在使用過程中存在安全隱患，如感染、繁殖病原體以及向環境擴散的危險，感染健康動物甚至是實驗人員。實驗動物的生物安全是保證實驗課開展的重要前提，目前得到極大的關注，在實驗動物操作前要進行檢疫與篩查，如解剖后還要進行無害化處理，客觀上也增加了實驗課開設的成本。實驗時，由于學生操作不熟悉，不規范，很可能造成嚴重的后果[1-2]。③動物繁殖技術需要在實踐中反復練習，理解理論知識和掌握操作技能。但目前絕大多數高校只能開展一些簡單的實驗項目；校外實踐則采用參觀實習的形式，學生只能觀摩，很難有機會親自動手操作。無法進行連續、系統的生產實踐活動，無法真正進行技術的操作，畢業后無法真正實現“零距離”上崗[3]。

二? 虛擬仿真教學特點

所謂虛擬仿真，就是虛擬和現實相互結合（虛實結合）。虛擬仿真技術是一種計算機仿真系統，該系統利用現實生活中的數據，通過計算機技術產生的電子信號，將其與各種輸出設備結合使其轉化為能夠讓人們感受到的現象[4-5]。教育部下發的《關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》，其內容是虛擬仿真實驗教學依托虛擬仿真、多媒體、人機交互等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，讓學生在虛擬環境中開展實驗，達到教學大綱所要求的效果。培養學生以綜合設計和創新能力為出發點，創造性地建設與應用高水平軟件共享虛擬實驗、儀器共享虛擬實驗和遠程控制虛擬實驗等教學資源，提高教學能力，豐富教學內容，拓展實踐領域，降低成本和風險，開展綠色實驗教學[6-7]。

目前大多數實驗教學流程是，教師課前講解，學生模仿驗證，整個實驗過程機械化、流水化，學生的個體差異不能體現。針對動物科學專業，因研究對象多為大型家畜，所以實踐時不能保證每位同學都能上手操作，甚至不能開設大型實驗，學生僅能通過教師播放視頻了解實驗過程。隨著虛擬仿真技術引入教學中，教師逐步發現虛擬仿真實驗對改進實驗教學的現狀具有獨一無二的作用。近幾年的研究文獻以“虛實結合”為論述基調，對虛擬實驗的作用闡述集中在真實實驗不具備或難以完成的教學功能，比如涉及高成本、大型或綜合訓練等方面[8-11]。為解決動物繁殖技術教學開展的現實問題以虛擬仿真技術應用在綿羊胚胎移植教學中為例，通過分析虛擬仿真技術在胚胎移植實訓中的優勢，初步探討動物繁殖技術虛擬仿真教學建設的主要內容，在此基礎上進一步研究動物繁殖技術虛擬仿真教學實例，促進動物科學學科發展。

三? 虛擬仿真技術應用于胚胎移植教學的優勢

胚胎移植即對遺傳基因和生產性能優秀的母畜經過超數排卵處理后，將多出自然排卵數幾倍甚至幾十倍的受精卵取出，分別移植到其他普通母畜體內，使之產出優良后代的技術。胚胎移植可以充分發揮良種母畜的繁殖潛力，提高繁殖效率；加速品種改良，擴大良種畜群；誘產雙胎，提高生產效率及防疫需要、克服不孕。由于胚胎移植在科研及生產實踐中具有重要的意義，作為一項成熟的技術，在國內外科研、教學及生產實踐中得到了廣泛應用。因此，在動物科學專業教學及企業培訓時，胚胎移植均為一項重要的內容為學生所學習，不但要求學生基礎知識掌握的能力，更需要學生具有一定的操作實踐能力。

（一）? 改變傳統教學模式，使學生更多地參與到實驗操作中

胚胎移植技術綜合性較強、復雜度較高。體外受精部分在實驗室操作，其實驗步驟較多，某一環節出錯則會導致整個實驗失敗，極大地考驗學生的操作水平。除此之外，因其涉及細胞操作實驗，對實驗場所清潔度要求較高，因此要限制一定的操作人數，更不能保證每名學生都能進行操作。胚胎移植手術是一門難度較大的手術，需要對母羊進行剖腹、取出子宮角、移植，這樣的操作是學生無法駕馭的。因此，在開設實驗課時，通常只能由教師進行演示，學生通過觀摩進行模仿，這樣極大限制了學生的參與度，降低了學生學習的積極性，僅在課堂上僅通過講授和觀摩實驗無法吸引學生的注意力，達不到理想的教學效果[12-13]。虛擬仿真以計算機和專用設備為工具，為操作者提供視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，同時在操作環節中設計人機交互，讓使用者身臨其境，雖然不能現場操作，但能夠對實驗的大致流程熟悉并掌握[14-15]。

（二）? 解決實驗材料和實驗動物的準備問題

胚胎移植實驗除實驗操作外，實驗材料的準備也是對實驗準備人員的一大考驗。涉及的實驗材料有綿羊的卵巢、母羊等。綿羊的卵巢組織有限且極易腐壞，首先限制了操作人數，不能保證實驗的正常開設。對于初入實驗室的學生，從卵巢中抽取卵子是極大的挑戰。在母羊的使用方面也存在著一定的安全隱患，為保證實驗室動物安全，需要對母羊進行檢疫后才能進行同期發情實驗，胚胎移植涉及手術操作，對生物安全要求更高，無形中增加了實驗成本，延長了實驗周期，不能保證實驗課的順利進行。虛擬仿真技術不必真實操作，解決了實驗動物準備的一大難題。

（三）? 促進實訓教學

搭建虛擬仿真實驗平臺完成胚胎體外制作的全過程實驗，學生能在逼真的虛擬教學環境中學習胚胎移植相關知識，教學效果顯著，能夠提高學生自主學習能力及實踐創新能力。在此基礎上，教師可以借助虛擬仿真教學手段，開展一些由于實驗教學資源不足而不能開設的教學內容。這種教學方式既不需要準備卵巢、母羊等生物材料，也無需指導教師抽象地講解，可以很好地完成實驗教學目的，提高實驗教學的質量，也大大地提高了學生的學習興趣，拓寬了學生的實驗操作思維。在時間允許的條件下，可以讓學生多操作幾次，如果沒有虛擬仿真技術是不可能做到的[16]。

四? 實驗內容

綿羊胚胎體外生產制作完整的實驗過程十分復雜，包括體外受精、早期胚胎發育、胚胎移植、妊娠和分娩等。這是一項復雜的工程，時間漫長且影響因素眾多，不利于學生實際操作。因此本實驗操作部分主要集中在“體外受精”及“胚胎移植”部分；“早期胚胎發育”“妊娠”“分娩”模塊以虛擬仿真“虛實結合”為學生展示。課后附有考核模塊，包括理論考核和過程考核。構建虛擬仿真實驗教學互動平臺，將綿羊胚胎體外制作虛擬仿真實驗做成五個模塊化系統。仿真實驗模塊中包括實驗目的與原理、五個模塊的虛擬實驗操作。學生在進行理論課程學習和實際實驗操作的同時，加上虛擬實驗操作。實驗細節用視頻和動畫代替，最終讓學生掌握整個胚胎體外制作的全部流程。實驗采用視頻結合動畫，還原胚胎移植所需實驗場景和條件，動態展示了體外受精、早期胚胎發育、胚胎移植、分娩和妊娠的方法和過程。將學生平時難以理解的復雜生物過程充分展現出來，便于學生更加形象地記憶和理解。

（一）? 體外受精

體外受精是胚胎移植的第一部分，學生首先要熟悉卵母細胞收集前的實驗臺及工作液的準備流程（圖1）；準備工作完成后，要掌握卵母細胞體外成熟流程（包括收集、清洗及培養）（圖2）。卵母細胞準備完成后，要進行體外受精前的各種準備工作（圖3），隨后進行體外受精（包括精子成熟、洗卵、精子濃縮及精卵共孵育）（圖4）。最后，進行胚胎工作液的準備和胚胎培養（圖5）。此環節是本虛擬仿真實驗設計實驗室部分的關鍵環節，要求每一步都由學生操作，由學生選擇正確的儀器進行操作；儀器選擇錯誤，則不能觸發下一步的事件；同樣在操作時，學生只有進行正確的操作才能觸發下一步的內容，操作不正確則不能觸發下一步。

（二）? 早期胚胎發育

本模塊要求學生，①熟悉胚胎發育各個時期的形態特征；②能夠手動挑選受精成功的受精卵。學生觀看受精卵發育的動畫，熟悉受精卵發育的形態特征（圖6）。這部分設計考核操作環節，列出受精成功和未受精成功的受精卵，學生需要手動挑選出受精成功的受精卵進行下一步實驗。

（三）? 胚胎移植

本環節首先虛擬一個羊圈場景和一只受體綿羊。胚胎移植前先進行發情處理：虛擬消毒、放栓、撤栓、注射操作。同期發情后七天進行胚胎移植（圖7）。胚胎移植模塊要求學生掌握各個環節及細節，包括剪毛，在離乳房前端約2 cm處（腹中線的兩側）剪去毛發，范圍約20 cm×20 cm。剃凈毛茬，用清水洗凈。用碘酒消毒、酒精脫碘，蓋上術巾。手術刀縱向切開6～8 cm，暴露子宮，取出子宮角。確認具有黃體的一側的子宮角，將移植器插入該側子宮角腔內，將胚胎輕輕推入（圖8）。移植結束后，用生理鹽水沖洗，子宮推回，再用生理鹽水沖洗。最后，縫合時在肌肉與皮膚間撒適量青霉素粉。皮膚層縫合完畢，噴灑碘伏，防止感染。本環節是本虛擬仿真實驗設計部分的最關鍵環節，采用視頻和文字描述相結合的方法為學生講解，要求每一步都由學生操作，由學生選擇正確的儀器進行操作，觸發動作事件，順序錯誤則事件不觸發。

（四）? 妊娠

本環節要求學生了解B超下母羊空懷及懷孕不同時期的B超圖片特征，了解妊娠陽性依據。本模塊不涉及操作，學生觀看視頻和動畫即可。

（五）? 分娩

本環節要求學生了解綿羊的妊娠期。本模塊不涉及操作，學生觀看視頻和動畫即可。

本實驗平臺充分體現了虛擬仿真中“虛實結合”的特色。所謂“虛實結合”，即實驗流程由虛擬仿真實驗完成，但實驗操作細節，如顯微鏡下無法用動畫展示的部分則用視頻展示。以本實驗為例，模塊二中撿卵和洗卵環節引入實驗視頻，讓學生經過操作后，直觀觀察到鏡下撿卵和洗卵的過程；精卵共孵育環節中，加入精卵結合的鏡下視頻，讓學生了解精卵結合的真實過程；在胚胎移植剪毛、剃毛、消毒、剖腹、移植、子宮回位及縫合等操作流程中，在制作仿真動畫的同時，將實際操作視頻附上，讓學生在虛擬操作后，再觀看視頻，虛實結合，對真實的實驗操作有了更直觀的學習體驗。

五? 過程性考核

（一）? 引導式操作

學生使用虛擬仿真平臺的引導提示，進行虛擬操作。引導模式在操作過程中會有對每一步操作的要點和需要掌握知識點的提示，學生可以根據引導完成全部實驗操作，在操作過程中繼續對相關知識進行學習。

（二）? 考核操作階段

學生使用虛擬仿真平臺的考核模式進行虛擬實驗操作。考核模式沒有提示內容，所有操作需要學生根據所掌握的知識獨立完成。操作正確，則可以進行下一步，操作沒有達到要點要求，則不能進行下一步。學生在考核模式下完成全部實驗操作視為通過。

（三）? 理論知識考核

學生完成操作模式考核后，系統會從題庫中隨機抽取一定數量的題目，對學生進行理論知識的檢驗，包括實驗原理知識要點的考核和實驗操作理論要點的考核，學生回答完畢后系統自動生成相應分數。

（四）? 綜合分數

指導教師根據系統對學生的操作情況、理論考核情況及學生實驗報告情況，對學生進行總體評價，并給出實驗分數。

六? 思考與展望

目前，虛擬仿真技術要應用在教學中，應注意以下幾點問題。①真實，即虛擬所展示的科學問題要與實際情況一致。②交互，即操作者與虛擬系統可以互動。③顯隱，即虛實結合，將真實操作中不易呈現的部分用虛擬技術顯現出來。④廣用，指虛擬仿真操作平臺網絡化、多用戶化、用戶廣域化等[4，17]。針對本文中提到的虛擬仿真胚胎移植教學平臺，雖然可以有效彌補線下教學中的不足，但仍存在一定的局限性。例如，在操作流程上，虛擬操作能夠讓學生了解整個實驗的大概流程，細節部分稍有欠缺，因此，需要學生在操作前掌握深厚的理論知識，而不是直接上手操作，否則只會機械地重復步驟，不了解其真實意義。另外，虛擬仿真技術的實現需要較高的硬件條件，如可穿戴設備、智慧教室等，因此在廣用化方面仍有欠缺。

七? 結束語

在虛擬仿真技術應用在具體實驗課題教學中，只有將虛擬仿真實驗與實際實驗有機結合做到相輔相成、優勢互補，才能從根本上提升實驗教學效果，調動學生積極性和主動性，激發學習興趣，增強創新創造能力。在教學過程中引入虛擬仿真技術，不僅增加了實驗教學趣味性和操作性，并且提高了教學質量，培養了學生的思考和創新能力。在具體教學中，仍必須將虛擬仿真技術與傳統教學相結合，虛擬仿真實驗教學可以作為傳統實驗的補充和輔助，通過理論講授和實景操作，使學生夯實理論基礎，深入理解理論知識，為培養新時代畜牧人才提供新手段、新方法。

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