虛擬仿真技術在“植物物種多樣性的調查”中的應用

摘要：運用樣方法調查某種植物的種群密度是理解種群特征的基礎實驗之一。本文針對辨認植物特征耗費精力、有限的綠化面積有礙于隨機取樣、無法即時觀察入侵物種的影響等實際問題，開發了虛擬仿真“植物物種多樣性的調查”的教學系統。實踐表明，該虛擬仿真系統簡化了樣方計數的繁瑣過程，激發了學生的探究興趣，有利于學生對影響植物物種多樣性的因素展開的深度思考，從而提高了教學效率，使學習內容更加直觀、生動。

關鍵詞：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 文獻標識碼：B

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）在選擇性必修課程模塊2“生物與環境”的次位概念要求學生能“列舉種群具有種群密度等特征”。學業要求建議學生能“舉例說明不同類型群落的結構、特征”。為幫助學生達成上述要求，強化對生命系統與環境關系的認識，人教版、浙科版、北師大版普通高中教科書《生物學·必修2·遺傳與進化》（以下簡稱“教材”）中均安排了用樣方法調查某種植物的種群密度的實驗或活動，滬科版教材也對樣方法的運用進行了詳細說明。但在實際教學實踐中，常存在以下問題：需要花費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，不能體現自然狀態下物種的多樣性；學校綠化面積有限，難以實現隨機取樣；受季節影響，枯枝敗葉易對計數形成干擾；不易進行不同生態系統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。這些問題影響了實驗教學效果，為學生后續學習種群的影響因素、群落和生態系統等造成了阻礙，同時也成為教師亟待解決的教學難點?！墩n程標準》在教學建議中指出：“教師可以采用生物材料設計和開展實驗，也可以利用電子設備設計、完成模擬性實驗；有條件的學校還可以充分利用多媒體、互聯網及無線通信技術進行虛擬實驗”。虛擬仿真借助圖形、圖像、仿真和虛擬現實等技術，通過計算機創建一個可視化虛擬實驗環境，以人機交互的方式，使學生可以運用各種虛擬機械設備對實驗對象進行虛擬操作，為原有實驗教學提供重要補充和拓展?；谔摂M仿真技術開發的“植物物種多樣性的調查”系統極大改善了上述問題，豐富了教學內容，拓展了學生的思維廣度與深度。

1 “植物物種多樣性的調查”虛擬仿真實驗的框架

針對“植物物種多樣性的調查”在教學中存在的上述問題，筆者運用C語言和數據庫等技術，制作了虛擬仿真模擬系統，包含“森林生態系統中的物種多樣性的調查”和“荒漠生態系統中的物種多樣性的調查”兩個模塊，每個模塊下設有“生物群落多樣性調查記錄表”和“數據匯總表”兩個頁面。其中前者又包含三個內容，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。每個模塊內還加載了柱狀圖進行數據的比較。學生可通過PC端或智能終端設備進入系統，在問題的指引下，進入不同的模塊開展學習，系統PC端的主界面如圖2所示。

2 “植物物種多樣性的調查”虛擬仿真實驗在教學中的應用

2.1 森林生態系統中植物物種多樣性的調查

打開主界面，是上海市某森林公園生態系統的整體描述：“以水杉為優勢種的森林生態系統，喬木層主要有水杉、馬尾松、側柏和旱柳，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?！痹谶@個模塊中，設置了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、草本和苔蘚進行取樣調查，學生可以拖拽不同的樣方框進行取樣，屏幕一角會出現樣方中對應植物的數量，樣方旁邊會出現反應物種多樣性的辛普森多樣性指數。

設計意圖：通過上述模塊的操練，學生能夠熟悉樣方法基本的操作步驟，對區域內植物展開隨機取樣調查，虛擬仿真系統可以自動進行數據獲取、計算和統計自動生成，學生可以基于數據比較不同物種的種群密度，闡釋種群的相關特征。

2.2 外來物種入侵森林系統后的植物物種多樣性的調查

當某外來草本植物入侵后，植物物種多樣性會發生什么變化？學生可以進入“物種入侵”模塊，采用相同的方式進行調查，調查記錄表和數據匯總表也會同時生成。

設計意圖：由于植物的生長周期一般長達數月甚至數年，傳統的板書、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性、連貫性、交互性。虛擬仿真技術的模擬使學生只需進入不同的界面環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查后，系統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比入侵前都發生了下降，如圖3所示。教師提問：外來物種應該增加本地的物種多樣性，但是卻產生了下降，這種改變是什么原因導致的？學生思考入侵物種與其他植物間的關系，分析可能的原因。

設計意圖：由數據生成的結果能夠激發學生的探究思維，促進其運用出生率和死亡率、遷入率和遷出率等種群特征的知識對問題進行解答，為后續學習群落及生態系統打下基礎。

學生點擊進入物種“均勻度”和“豐富度”的數據界面，如圖4所示。教師提問：為何物種沒有以前豐富？均勻度可能會發生什么變化？它們是如何影響物種的多樣性的？學生分小組對數據展開討論，深刻理解物種多樣性與均勻度、豐富度的關系。

2.4 荒漠生態系統中植物物種多樣性的調查

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

設計意圖：學生知道荒漠地區貧瘠，但如何通過分析數據得出物種數量上的差異，獲取定量認知？這個模塊的操作會讓學生有深人體會，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，形成生態意識，培養社會責任。

3 反思與展望

3.1 選擇適宜的內容進行開發

生物學是一門依賴于觀察、實驗、調查等探究方法逐步構建的學科，研究動物、植物和微生物的生命物質的結構和功能、它們各自發生和發展的規律、生物之間和生物與環境之間的相互關系。真實的實驗操作對于學生認識生命、發現生命規律是十分必要的。虛擬仿真并非將所有的實驗內容都進行轉化，要遵循“能實不虛、提升實效”的原則，借助虛擬仿真技術，使學生從核心素養的培育角度真正獲益。

3.2 應以新課標的對應要求為設計依據

《課程標準》是規范國家課程實施與發展的綱領性文件，是編寫教材、實施教學、評估學生學業質量和教師教學質量的依據。教師分析解讀《課程標準》中的相關內容，把握教學內容之間的關系，對于開發虛擬仿真教學資源具有指導意義。教師在設計虛擬仿真教學內容時，可以關注大概念、大單元、跨學科等內容，與《課程標準》的要求保持高度一致。

3.3 注意虛擬仿真互動效果的呈現

虛擬仿真技術以其獨特的優勢為學生提供親臨其境的學習體驗。讓學生在體驗中經過質疑、探索、轉化、創造，提升對真實世界的認知體驗、具體經驗和主動實踐的能力。