珍稀动物生物学习性观察研究虚拟仿真实验项目的建设

周 权，阮 君，张洪茂，李 兵

（华中师范大学 生命科学学院，湖北省生物学实验教学示范中心，生物学国家级虚拟仿真实验教学中心，湖北 武汉 430079）

动物学是生物科学、生物技术、生物工程、动物科学、动物医学、林学等专业本科生的专业基础课，在各专业学生培养中具有重要地位[1]。动物学教学依赖野外观察和实验研究[2]。珍稀动物多样性及保护是哺乳动物多样性综合实验教学的重要拓展[3-4]，是学生掌握基础知识、学习专业课程的基础，也是学生认识珍稀动物保护的意义，增强环境友好、生态文明理念的重要途径，同时还是动物科学、动物医学专业向珍稀动物保护、救护、饲养、繁育等延伸的专业基础。但是，珍稀动物远离人类，生活环境难以触及，不可获得；传统讲授型课堂教学难以做到直观性、互动性；一般视频资料无法让学生参与和互动交流，也无法随心所欲地观察细节；动物园圈养种群观察无法让学生了解动物的自然习性，难以理解动物对环境的适应性。学生学习的积极性和主动性不高，以学生为主体的研究型教学体现不足，教学效果不理想[5-7]。

为此，本文以神农架川金丝猴为例[8]，通过采集标本的形态、头骨特征、自然及招引种群生态行为习性等基础数据及图片、视频等资料，利用虚拟现实（VR）[9-11]、三维数字还原等技术[12]，将川金丝猴的形态结构、行为习性、饲养与管理等进行虚拟仿真，开发了“珍稀动物生物学习性观察研究虚拟仿真实验项目”。

1 项目建设

1.1 项目建设思路

“珍稀动物生物学习性观察研究虚拟仿真实验项目”以野外实习教学实际需求为导向，通过卫星扫描神农架川金丝猴分布区地形地貌虚拟沙盘模型、分布区120~300 m的航拍点、地面观察点和生物学知识点4个层级进行建设布局，分别介绍神农架地形地貌、野生川金丝猴生境、川金丝猴生物学习性和知识点，如图1所示。

图1 项目整体布局

1.2 项目建设内容

1.2.1 虚拟数字大厅

神农架为典型的构造地貌生态综合地质公园，位于大巴山、川东雪峰山及鄂西大洪山 3大弧形构造带的交汇处，包含山体地貌、构造地貌、喀斯特地貌等多种地貌类型[13]，是川金丝猴等珍稀濒危动物的宜居家园。

本文建设的项目以神农架卫星扫描地形沙盘为基础，主要展示神农架的地理位置、地形地貌、山系走势及垂直落差区分等，并将川金丝猴分布区划分为 9个特色生境点，展示神农架川金丝猴种群分布概况，如图2所示。学生可以通过放大缩小沙盘视野来观察神农架林区概况及金丝猴种群栖息地概况。

图2 神农架川金丝猴分布区地形地貌虚拟沙盘模型

1.2.2 航拍层

通过无人机航拍技术获得大龙潭、金猴岭路段、木鱼镇路段、瞭望塔、板壁岩、大九湖和老君山共 9个航拍点影像。学生可以通过鼠标 360°观察每一个航拍点的完整场景范围，能更全面地了解片区自然特征和川金丝猴的栖息生境。同时，每一个航拍点涵盖多个地面观察点，地面观察点下包含多个生物学知识点，进而形成3层的观察结构，每层又涵盖不同季节的内容，使学生对猴群的种群大小、迁移、扩散及生境选择等生物习性及所在地理地貌有更全面直观的认识。图3为神农架老君山航拍点示意图。

1.2.3 地面观察点

图4为神农架川金丝猴地面观察点示意图。在各观察点，采集川金丝猴在神农架国家公园的分布区、栖息地等视频资料；以神农架大龙潭招引群为对象，采集川金丝猴形态特征、社群结构、生活习性、食性、活动节律、群饲养管理等数据及视频、图片资料。结合我校生科院相关研究团队对神农架川金丝猴的研究成果，本项目从形态结构、生物学习性、饲养、保护与管理等方面综合展示神农架川金丝猴，解决了实验教学中珍稀动物不可获得、时空限制等瓶颈问题。

图4 神农架川金丝猴地面观察点示意图

学生可以通过对神农架川金丝猴觅食行为的观察，掌握川金丝猴的觅食行为及其适应性意义；通过对神农架川金丝猴家庭单元的观察，了解川金丝猴家庭单元组成和结构，理解川金丝猴一雄多雌的家庭单元结构组成及意义，了解家庭单元雌性间的亲缘关系及雄性替换模式及意义；通过对神农架川金丝猴社群行为的观察，了解川金丝猴松散母系社会的社群结构模式及维持机制，理解家庭单元外交配（混交制）对川金丝猴社群稳定及遗传多样性维持的意义。

1.2.4 生物学知识点展示

以神农架国家公园标本馆及华中师范大学标本馆库存川金丝猴标本为对象，采集川金丝猴形态特征、头骨特征等数据及视频、图片等资料，知识点展示如图 5所示。学生可以通过对神农架川金丝猴形态特征的观察，掌握哺乳动物形态特征描述和测量方法；通过对神农架川金丝猴头骨的观察、测量和描述，并与不同属、科、目哺乳动物头骨比较，掌握哺乳动物头骨结构、描述、测量及其与动物发育、食性等的关系。

图5 川金丝猴生物学知识点示意图

1.3 项目建设实践

本项目集成了问题导向、实验操作、专题讨论、总结研究等教学方法，即“问题引导学习方向、操作体验学习过程、专题讨论系统化提高、总结研究探究性拓展”，环环相扣、层层深入，能够保障学生系统地、主动地开展学习，从而最大限度地解决以往教学中过分注重实验操作过程、实验目的不明确、知识整合提高和研究性教学不足等问题。本项目整体上教学思路清晰，知识点针对性强，软件技术先进，人机交互强，操作简单，趣味性强。

1.3.1 基于问题导向的预习及背景知识准备

学生通过查阅资料了解川金丝猴的特征、分布、生境习性、社群结构、行为习性；了解神农架国家公园地质地貌、水文水系、植被及生物多样性概况；了解神农架川金丝猴种群现状、致危因素、招引、保护、管理概况；了解以川金丝猴为代表的珍稀动物资源与保护概况等。

1.3.2 基于虚拟仿真项目的实验操作

以科学问题为导向，基于前期的知识准备，学生通过操作虚拟软件从不同的角度认识川金丝猴的形态结构、头骨的特征、种群分布、生境需求、食物组成、社群行为、招引群的饲养与管理等，旨在深入理解相关科学问题，掌握动物学相关知识，拓展知识面。

1.3.3 针对科学问题，组织专题讨论

在前期知识储备及实验操作基础上，教师可以针对性地凝练讨论专题，让学生分组讨论，并写出讨论报告。专题讨论旨在针对相应问题，在实验操作基础上，拓展理论知识，引发思考和系统总结。

1.3.4 总结研究，提出创新性问题

在问题导向、实验操作、专题讨论基础上，教师可以针对相应的科学问题进行总结和研究，让学生分小组撰写研究报告，旨在让学生学会系统地总结知识和思考，并提出新的科学问题，锻炼学生文献综述、学术观点总结及科学问题凝练等能力，最终培养学生的创新能力。

1.3.5 学生评价体系

学生需要提交实验操作前针对科学问题的预习报告、实验操作学习报告、实验操作后针对科学问题的总结报告以及针对某一科学问题的总结研究报告，再进行考核评价。教师首先根据学生对不同场景的停留时间、有效操作和无效操作的比例形成初步评价；其次，利用虚拟仿真平台的自适应学习系统对学生实验操作及学习情况作出综合评价；最后，从问题导向、实验操作、专题讨论、总结研究各个环节，综合评价学生的学习成绩。

2 项目建设技术手段

本项目的教学资源可实现面向国内各大院校开展相关必修课或选修课的虚拟仿真实验教学。本项目以VR技术、Unity3D、三维数字采集还原、全景摄影、无人机航拍、计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术为依托，采用面向服务的软件架构开发，具有自主知识产权。本项目集实物仿真、场景虚拟、创新设计、智能指导为一体，具有良好自主性、交互性和可扩展性，同时为其他学科的相关实验课程提供互联网标准接口和底层的构件库，并为上层的调用提供标准化的调用接口，为用户提供统一的访问接入服务和通用的用户服务工具包。

3 结语

由于珍稀动物不可获得和时空限制，对“珍稀动物资源与保护”课程的传统教学主要以教师讲授为主，辅以图片、标本、视频、动物园参观等手段，存在直观性不足、互动性不强、对动物野外生活习性了解不足等问题。本项目通过对川金丝猴形态结构及生物学特性等虚拟仿真，解决了传统教学川金丝猴等珍稀动物标本难以获得、野生生境难以到达的不足，最大限度地实现了教学的直观化和互动性；同时，突破了时空限制，保障学生可以开展全天候学习，最大限度地拓展了动物学课程关于珍稀动物资源与保护的教学内容，提高了学生的学习主动性，突出了学生的教学主体地位，最大限度地实现了教学过程从以教师为主体的讲授型向以学生为主体的研究型转变。