中華鱉繁殖技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建與應(yīng)用

楊 輝 魏文志 張瑩瑩

（揚(yáng)州大學(xué)動(dòng)物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，揚(yáng)州江蘇 225009）

中華鱉苗種繁育是水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)中水產(chǎn)動(dòng)物苗種繁育、特種水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)等課程的重要實(shí)驗(yàn)課之一。該實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生在掌握中華鱉親鱉交配、產(chǎn)卵、胚胎發(fā)育和苗種培育的基本原理基礎(chǔ)上，重點(diǎn)掌握交配、產(chǎn)卵和苗種培育操作過程及注意事項(xiàng)，為學(xué)生養(yǎng)成科學(xué)的學(xué)習(xí)方法、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)踐態(tài)度及提高其對水產(chǎn)經(jīng)濟(jì)品種養(yǎng)殖的認(rèn)識打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)是基于已有實(shí)驗(yàn)流程，通過在虛擬網(wǎng)絡(luò)搭建平臺(tái)，使用計(jì)算機(jī)的軟硬件來部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)流程的一種技術(shù)[1-2]，目前在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域已被廣泛使用。越來越多的高校也已建立起虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，采用線上虛擬實(shí)驗(yàn)與線下傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式教學(xué)[3-6]。用虛擬實(shí)驗(yàn)來輔助傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，既豐富了教學(xué)形式，滿足了學(xué)生個(gè)性化教學(xué)的需求，又引起了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)習(xí)效率[7-9]。本研究通過將虛擬仿真技術(shù)引入中華鱉苗種繁育實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建了云端實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式，以期提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整體效果。

1 傳統(tǒng)中華鱉繁育實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題

1.1 實(shí)驗(yàn)周期過長

中華鱉從交配到苗種培育歷經(jīng)2 個(gè)多月的時(shí)間，其中需要學(xué)生觀察交配、產(chǎn)卵、孵化、苗種培育等過程，所需學(xué)時(shí)長，也會(huì)影響育苗場的正常工作。這是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所難以解決的問題。

1.2 繁殖過程不易被觀察

中華鱉親鱉交配和苗種培育在水中進(jìn)行，胚胎發(fā)育在專門的孵化室中進(jìn)行，中華鱉喜歡安靜，所有過程包括親鱉的交配、產(chǎn)卵、孵化和苗種培育都需要在安靜的環(huán)境中進(jìn)行。為防止病菌等帶入苗種培育場，限制外人包括實(shí)驗(yàn)期間學(xué)生的進(jìn)入，導(dǎo)致學(xué)生對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容缺乏感性認(rèn)識，學(xué)習(xí)效果較差。通過引入二維及三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)中華鱉交配、產(chǎn)卵、、孵化、破殼等內(nèi)容的逼真可視化，將虛擬過程與實(shí)物、實(shí)體操作相結(jié)合，可提升教學(xué)效果。

1.3 復(fù)習(xí)和考核困難

繁殖實(shí)驗(yàn)的開展需要親鱉、繁殖場、產(chǎn)卵室等大量資源，學(xué)生無法開展預(yù)習(xí)與復(fù)習(xí)，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中對整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程缺乏認(rèn)識，課后也做不到有效復(fù)習(xí)鞏固所學(xué)知識與技能。傳統(tǒng)繁殖實(shí)驗(yàn)的考核偏重理論知識，缺乏實(shí)驗(yàn)操作考核部分，這對于學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)是不利的。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生在課前模擬一整套的實(shí)驗(yàn)流程，在對實(shí)驗(yàn)有充分認(rèn)知的情況下參與線下實(shí)驗(yàn)，課后還可以在虛擬實(shí)驗(yàn)中將還未掌握的實(shí)驗(yàn)部分重復(fù)模擬，加強(qiáng)鞏固知識和技能。同時(shí)，還可以利用虛擬仿真技術(shù)，在云端考核學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作。

2 中華鱉繁殖技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建

項(xiàng)目收集了中華鱉繁育全過程的視頻材料，制作了中華鱉交配和胚胎發(fā)育平面動(dòng)畫模型，并在此基礎(chǔ)上升級優(yōu)化，制作三維動(dòng)畫模型，將項(xiàng)目從虛擬現(xiàn)實(shí)升級為增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，以增強(qiáng)學(xué)生的體驗(yàn)感和沉浸感。在網(wǎng)絡(luò)版基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于移動(dòng)終端的“中華鱉繁殖全過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”及其測試系統(tǒng)，其主要功能架構(gòu)如圖1 所示。用戶可借助電腦等網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，通過虛擬仿真服務(wù)器訪問本教學(xué)系統(tǒng)，就可開展在線虛擬觀摩、仿真操作練習(xí)。

圖1 中華鱉繁殖技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能構(gòu)架

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主界面由實(shí)驗(yàn)簡介、預(yù)習(xí)模式、仿真實(shí)驗(yàn)和考核模式4 個(gè)模塊構(gòu)成。PC 端的主界面如圖2所示。

圖2 中華鱉繁殖技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主界面

2.1 中華鱉繁殖場介紹

在本模塊中，可以看到中華鱉繁殖場的平面圖（見圖3），了解養(yǎng)殖池、產(chǎn)卵場、親鱉池、親鱉暫養(yǎng)池、溫室等的空間分布。學(xué)生可以對養(yǎng)殖場有一個(gè)大致的了解，為下面模塊的學(xué)習(xí)提供一定的基礎(chǔ)認(rèn)知。

圖3 中華鱉養(yǎng)殖場平面示意

2.2 親鱉培育

親鱉培育大致包括親鱉池搭建、雌雄鑒別、親鱉選擇、放養(yǎng)比與放養(yǎng)密度、親鱉的生活環(huán)境與飼料選擇等步驟。本項(xiàng)目與揚(yáng)州市紅瑞生態(tài)農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司合作，采集親鱉池的圖片，利用3D 動(dòng)畫對親鱉池的布局進(jìn)行模擬展示，學(xué)生可以更加直觀地了解親鱉池的構(gòu)造。通過3D模型，模擬出雌雄龜?shù)捏w態(tài)，讓學(xué)生鑒別雌雄，選擇親鱉（圖4）。此外，還設(shè)置了一些測試題，學(xué)生可以在相關(guān)的操作指導(dǎo)下，通過鼠標(biāo)拖動(dòng)進(jìn)行回答，逐步實(shí)現(xiàn)對親鱉培育的全方位觀察和全面了解。

圖4 親鱉培育

2.3 親鱉產(chǎn)卵

在本模塊中，學(xué)生可以通過虛擬仿真技術(shù)親手搭建產(chǎn)卵室的模型（圖5），從而更加細(xì)致地了解產(chǎn)卵室的基本構(gòu)造。然后在3D 動(dòng)畫的輔助下觀察中華鱉從親鱉池爬到產(chǎn)卵室產(chǎn)卵的全過程，在這一過程中可以自主決定產(chǎn)卵的天氣條件，找到適合中華鱉產(chǎn)卵的最適宜天氣。學(xué)生可以通過鍵盤W、A、S、D 鍵位和鼠標(biāo)操作在產(chǎn)卵室中查找和標(biāo)記卵穴，然后采收鱉蛋，判斷鱉蛋受精與否并進(jìn)行歸類。整個(gè)過程中，學(xué)生參與感強(qiáng)，教學(xué)形式新穎有趣，寓教于樂，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

圖5 親鱉產(chǎn)卵

2.4 鱉卵孵化

在虛擬仿真技術(shù)的支持下，學(xué)生可以大致觀察孵化室的整體結(jié)構(gòu)，了解其運(yùn)作模式。此模塊主要包括消毒液的配制、孵化條件的設(shè)置及孵化過程的展示（圖6）。通過設(shè)置問題的方式，讓學(xué)生自主配制液體和氣體消毒劑，播放噴灑消毒液的3D 動(dòng)畫。學(xué)生還可以運(yùn)用所學(xué)知識，設(shè)置合適的孵化條件，然后觀察孵化的各個(gè)時(shí)期，全程代入感強(qiáng)，可以幫助學(xué)生鞏固加深對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解。

圖6 鱉卵孵化

2.5 稚鱉的培育

通過模擬養(yǎng)殖場主和實(shí)習(xí)生情景模擬對話的方式，引出稚鱉培育的流程包括消毒液配制與噴灑，培育條件的布置，誘食訓(xùn)練，飼料選擇投喂等（圖7）。先用對話提示部分內(nèi)容，然后設(shè)置相關(guān)問題，再通過動(dòng)畫演示來展示問題的答案，整個(gè)教學(xué)過程符合一般認(rèn)知邏輯，循循善誘，帶給學(xué)生良好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

圖7 稚鱉培育

3 云端實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式

為發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢，完善教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，采用云端實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式，構(gòu)建了全新的教學(xué)方法與教學(xué)模式。在該教學(xué)模式中，中華鱉的繁殖實(shí)驗(yàn)占4個(gè)學(xué)時(shí)，其中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)占2個(gè)學(xué)時(shí)。在線下實(shí)驗(yàn)開始前，學(xué)生需要先在預(yù)習(xí)模式里了解該實(shí)驗(yàn)的基本原理，學(xué)習(xí)目的等，然后通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在云端體驗(yàn)一遍完整的實(shí)驗(yàn)流程，對該實(shí)驗(yàn)有一個(gè)基本的實(shí)驗(yàn)預(yù)期。此外，可以將鱉繁殖過程中操作簡單、時(shí)間過長、不易觀察的部分全都在線上完成，大大節(jié)約學(xué)時(shí)，提高教學(xué)效率。而線下教學(xué)時(shí)教師就可以減少教學(xué)演示時(shí)長，將更多學(xué)時(shí)用于學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)，老師輔助答疑方面，把實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“主人翁”還給學(xué)生。在線下實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生可以運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)復(fù)習(xí)鞏固知識和技能，同時(shí)通過線上線下對比，進(jìn)一步規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作。教師還可以通過雙線同時(shí)考核方式，實(shí)現(xiàn)考核范圍全覆蓋，擺脫傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)考核由于實(shí)驗(yàn)資源和課時(shí)限制導(dǎo)致的“輕實(shí)踐，重理論”的弊端。此外，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還支持線上提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，大大提高了效率。

4 結(jié)語

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的應(yīng)用，可以生動(dòng)展示中華鱉的生物學(xué)習(xí)性，苗種繁育的基本理論、繁育設(shè)施、繁育全過程和技術(shù)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，通過引入二維及三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)中華鱉交配、產(chǎn)卵、孵化、破殼等內(nèi)容的逼真可視化，將虛擬過程與實(shí)物、實(shí)體操作相結(jié)合，確保了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的完整性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了教學(xué)效果。