渔业物种和种群判别虚拟仿真实验设计

方舟　刘必林　胡松

【摘要】针对渔业资源生物学课程中物种和种群判别教学存在的问题，以头足类为研究对象，设计了基于角质颚的物种和种群判别虚拟仿真实验内容。通过实现头足类角质颚的图像化、测量和地标点等步骤的虚拟仿真过程，加深课程教学的直观感和可视化过程，并通过增加软件分析过程，使得学生充分理解物种和种群判别的步骤和过程，熟练掌握分析步骤和分析过程中应注意的点，能够极大地提升学生在渔业生物学领域处理问题的能力。

【关键词】物种  种群  判别  虚拟仿真  实验设计

【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

【基金项目】上海海洋大学一流本科实践教学平台建设项目（A1-2023-18-0003）。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2021）08-0094-03

海洋渔业资源一直以来都是国家重要的蓝色粮仓和战略性资源。我国有着极为丰富的海洋渔业物种，经济性渔业种类也多达上百种[1]。因此，了解海洋生物的多样性，准确划分渔业种类，也是在新农科教育背景下的基本任务。对海洋渔业物种的正确掌握，有助于我们更好地了解海洋生物多样性，并为海洋物种保护和管理提供依据。

渔业资源生物学是生物学科的一个分支。主要目的是让学生能够掌握和了解开展鱼类生物学特性以及漁业资源调查与研究的基本方法，了解我国近海和世界主要海洋渔业资源的分布状况，也是国家特色专业海洋渔业科学与技术专业必修专业基础课之一[1]。种群是生物群落和生态系的基本结构单元，同时也是渔业资源开发和管理的具体单元，因此，只有了解鱼类种群结构的基础，才能为渔业资源可持续利用和科学管理提供依据[2-4]。该部分不仅是渔业资源生物学的基础内容，也是“渔业海洋学”“鱼类硬组织信息分析”“人工智能在渔业中的应用”等课程的重要教学内容之一。

种群的定义是特定时间内占据特定空间的同种有机体的集合群[1]。根据定义可以发现，要确定种群，时间、空间、同种物种三者条件缺一不可。但是由于海上条件的限制性和随机性，我们往往无法让学生能通过实习等方式更好地了解到种群的具体概念。而如果完全依赖课程中的理论教学，也无法使学生真正掌握种群的鉴定方法和步骤[4]。AI模拟技术在近些年不断兴起[4]，同时也带动了其在教学上的应用[5-6]。虚拟仿真实验教学作为最重要的应用实现方式，能够有效地作为教师教学的辅助工具，全面展示种群划分的方法和步骤，同时为学生学习提供更为实际的真实的场景，帮助提高学生的主动学习积极性以及自主创新能力。

1.实验设计目的和意义

水产科学基本理论知识是海洋渔业科学与技术专业所必须掌握的内容之一，渔业资源生物学更是其中的必修课。种群划分步骤和方式是渔业资源生物学课程中的基础和重点，因此种类识别和种群判定虚拟仿真实验的设计目的主要是针对现有实验课中完善和补充需求，同时对传统理论教学进行更为生动的讲解。结合渔业学科理论和实践结合的特点，利用虚拟现实技术构建接近真实的实验室环境和实验种类对象，可以更好地让学生自主开展虚拟实验，实现与仿真方式物化的虚拟交互[5-6]，通过可重复性的虚拟实验，充分理解和掌握种类识别和种群划分方法的实验步骤、所用到的工具，数据分析步骤、所需注意的细节、不同方法分析结果的差异和解读等专业知识，极大地促使学生进行自主学习、探索研究的过程，可重复体会和领悟实验过程[6]。

本设计以重要经济性渔业种类头足类的硬组织——角质颚为研究对象。角质颚种类识别与种群判定虚拟仿真系统是运用3D虚拟现实技术、现代三维图形图像技术、计算机网络技术、立体显示技术、特种视效技术，把枯燥的书本讲解变成鲜活的模型，它以最新的虚拟现实信息技术为依托，以3D交互体验、互动性为手段，让学生对实验有更直观的了解，提高学生的观察能力、分析能力、独立思考和独立解决问题的能力，培养学生在科学工作中的严肃的态度、严格的要求、严密的方法和严谨的作风。

2.实验主要功能模块

虚拟仿真实验的主界面即为分区域的界面形式。屏幕左侧显示为虚拟仿真实验中主要设计的四个模块。第一模块为实验目的与意义，旨在告诉学生本实验的主要目的、意义，了解实验的背景和应用。第二模块为实验原理，意在告知学生本实验分析所依据的原理内容。第三模块为开始实验，此部分为虚拟仿真实验的主体内容，所有实验的主体步骤和操作过程均在此部分进行，点击即可进入实验操作模块。最后一部分为课后巩固练习。习题由教师针对操作过程中的重点和难点进行精心设计，能够有效地针对学生面对的主要问题进行正确的解释。

在进入虚拟仿真实验主体内容后，主要划分为练习模式和考核模式两部分。练习模式中，针对各个环节步骤均有详细介绍和文字提醒，包括所涉及的实验材料、实验方法及实验内容，能够很好地让学生全面详细地了解实验流程，掌握实验步骤的同时，更注重专业知识的融入及注意事项提示。考核模式主要考查学生的学习效果，须完全依据学生自主学习情况，对每一个步骤进行准确操作（图1）。两种模式中均以传统测量法和地标点法作为基础，针对不同需求的方法进行了全面的介绍，全面地还原了种类识别和种群划分的全部流程。

以练习模式为例，首先需要学生学习如何从头足类中取出角质颚这一硬组织，所包含的知识即为角质颚所处的位置，提取过程的主要步骤（图2）。接着需要将角质颚进行一系列的清理，保证外部清洁。随后需要将角质颚进行拍照，保存影像图片，以便后续进行地标点处理（图3）。对于已拍摄完毕的照片，需要角质颚图片的大小进行控制（图4）。角质颚的上颚和下颚均重复上述步骤。

接下来选择不同的分析目的和方法，分别为种类识别或者种群判定（图5）。种类识别中，以四种不同种类的蛸类为例，通过不同的研究方法，分析角质颚形态的差异，最终通过建立判别函数，比较判别正确率来解释不同方法的结果。

上述各个步骤均能很好地说明角质颚种类识别和种群判别的所有流程，通过虚拟实物和模拟步骤让学生体验和学习种类和种群判定的主要流程及注意事项，从而为今后在实际应用中能够独立、完整地完成整个流程，乃至进行科学研究打下坚实的基础。

3.结语

我国目前有着全球最高的海洋捕捞产量，开拓了近海各海域及全球公海的远洋渔场。渔获物的种类鉴别，是渔获物准确统计的基础之一。而种群的正确划分，更是渔业资源评估的重要前提之一，对后续渔业资源可持续利用有着极其重要的意义[7-9]。然而，许多渔业种类有着极为相似的外形，肉眼极难区分，而同一时空环境下的种群物种更是无法辨别，理论课程与实验课的讲授时间也有限，这给以海洋渔业科学与技术为主的渔业方向学生的学习带来诸多困难。在渔业资源生物学相关教学中融入虚拟仿真技术，可利用可视化的互动界面，使得学生能够改变其学习模式，真正将线下课堂理论和实验教学与线上虚拟仿真教学做到有机结合，通过虚拟仿真实验教学式引导，巩固上课所学知识，反复练习具体的技能操作步骤 [10-11]，这种方式更能激发学生的学习兴趣，也为希望从事相关行业工作的学生提供实际的锻炼[12]，能够全方位提升渔业人才培养的质量和效率。

参考文献：

[1]陈新军，刘必林.渔业资源生物学[M].北京：科学出版社，2017.

[2]刘尊雷，马春艳，严利平，等.东海中南部日本鲭种群分析[J]. 海洋渔业，2018，40（5）：531-536.

[3]陳芃，方舟， 陈新军.基于角质颚外部形态学的柔鱼种群判别[J].海洋渔业，2015，37（1）：1-9.

[4]杨东海，张胜茂，汤先峰.基于机器视觉技术的鱼类识别研究进展[J].渔业信息与战略，2019，34（2）：37-45.

[5]张春玲，胡松.海洋中尺度涡虚拟仿真实验设计[J].中国地质教育，2019，28（2）：100-102

[6]姜胜辉，韩宗珠，林霖.虚拟仿真技术在海底探测教学中的应用[J].实验科学与技术，2015，13（5）：46-48.

[7]方舟，金岳，胡飞飞，等.秋季我国近海不同海域短蛸角质颚形态学研究[J].水产学报，2018， 42（6）：1050-1059.

[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，黄刚，王峰，高翔.建设虚拟仿真实验平台， 探索创新人才培养模式[J].实验技术与管理，2015，32（12）：26-29.

[11]李震彪.本科教学虚拟仿真实验之思考[J].实验技术与管理，2019，36（9）：5-7.

[12]熊宏齐.国家虚拟仿真实验教学项目的新时代教学特征[J].实验技术与管理，2019，36（9）：1-4.

作者简介：

方舟（1988年-），男，博士，讲师。

胡松（1978年-），男，安徽祁门人，上海海洋大学海洋科学学院副院长，分管本科教学工作。