虚拟仿真技术在动物繁殖技术教学中的应用

2023-07-24李蓓王步钰王园安晓萍刘娜齐景伟

高教学刊 2023年20期

李蓓王步钰王园安晓萍刘娜齐景伟

摘要：近年来，随着信息化技术的发展，虚拟仿真技术在本科教学领域中得到广泛应用。胚胎移植技术作为畜牧业生产和教学中一项重要的繁殖技术，由于实验条件所限，不能让学生去动手实践。该文介绍绵羊胚胎移植虚拟仿真平台在教学中的应用，利用线上线下混合模式，以虚实结合的手段为学生充分展示胚胎移植的原理及过程，提高家畜繁殖技术的教学效果，培养学生的综合能力。

关键词：虚拟仿真；胚胎移植；虚实结合；实验教学；动物繁殖

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：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

基金项目：内蒙古自治区教育厅学科建设项目“智慧养殖虚拟仿真平台建设项目”（无编号）；内蒙古农业大学教学综合研究重点项目“采用虚实结合教学手段构建畜牧学概论课程”（ZD202002-02）

第一作者简介：李蓓（1983-），女，满族，山西汾阳人，博士，副教授，硕士研究生导师。研究方向为动物遗传育种与繁殖。

*通信作者：齐景伟（1967-），男，汉族，内蒙古通辽人，博士，教授，博士研究生导师。研究方向为智慧畜牧、动物营养与饲料等。

动物繁殖技术是动物生产中的关键技术环节，在优质、高产、高效的现代畜牧业发展中占有十分重要的地位。其主要内容包括生殖生理、繁殖控制技术、繁殖管理与生殖病理等。随着科学研究和畜牧业的发展，有关动物繁殖的理论知识、实践经验迅速积累，研究范围不断拓展，如从常规的人工授精、发情控制、妊娠检查到胚胎移植等。人为地改变和控制动物繁殖过程，调整其繁殖规律，进一步开发其繁殖潜力，以及对配子和胚胎进行操作和加工，如卵母细胞的体外培养、成熟与受精，卵子和胚胎的长期冷冻保存，精子的分离和性别控制，早期胚胎性别鉴定，胚胎的分割和卵裂球移植，卵母细胞的无性繁殖等。通过这些现代繁殖技术，充分挖掘生殖潜力，促进畜牧业向更高水平发展。

一传统的动物繁殖技术在教学中存在的问题

目前，由于受各种条件的限制，传统的动物繁殖技术教学中存在很多亟待解决的问题，主要集中在以下几个方面。①学生代入感不强：常规的实验课一般由老师准备好实验样品，安排好实验步骤，学生按部就班操作。其在机械操作的同时，对知识的具体细节没有概念和意识，理解较为抽象和困难，无法实现培养学生动手能力的目的。②使用实验动物存在一定的风险：实验动物在使用過程中存在安全隐患，如感染、繁殖病原体以及向环境扩散的危险，感染健康动物甚至是实验人员。实验动物的生物安全是保证实验课开展的重要前提，目前得到极大的关注，在实验动物操作前要进行检疫与筛查，如解剖后还要进行无害化处理，客观上也增加了实验课开设的成本。实验时，由于学生操作不熟悉，不规范，很可能造成严重的后果[1-2]。③动物繁殖技术需要在实践中反复练习，理解理论知识和掌握操作技能。但目前绝大多数高校只能开展一些简单的实验项目；校外实践则采用参观实习的形式，学生只能观摩，很难有机会亲自动手操作。无法进行连续、系统的生产实践活动，无法真正进行技术的操作，毕业后无法真正实现“零距离”上岗[3]。

二虚拟仿真教学特点

所谓虚拟仿真，就是虚拟和现实相互结合（虚实结合）。虚拟仿真技术是一种计算机仿真系统，该系统利用现实生活中的数据，通过计算机技术产生的电子信号，将其与各种输出设备结合使其转化为能够让人们感受到的现象[4-5]。教育部下发的《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》，其内容是虚拟仿真实验教学依托虚拟仿真、多媒体、人机交互等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，让学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的效果。培养学生以综合设计和创新能力为出发点，创造性地建设与应用高水平软件共享虚拟实验、仪器共享虚拟实验和远程控制虚拟实验等教学资源，提高教学能力，丰富教学内容，拓展实践领域，降低成本和风险，开展绿色实验教学[6-7]。

目前大多数实验教学流程是，教师课前讲解，学生模仿验证，整个实验过程机械化、流水化，学生的个体差异不能体现。针对动物科学专业，因研究对象多为大型家畜，所以实践时不能保证每位同学都能上手操作，甚至不能开设大型实验，学生仅能通过教师播放视频了解实验过程。随着虚拟仿真技术引入教学中，教师逐步发现虚拟仿真实验对改进实验教学的现状具有独一无二的作用。近几年的研究文献以“虚实结合”为论述基调，对虚拟实验的作用阐述集中在真实实验不具备或难以完成的教学功能，比如涉及高成本、大型或综合训练等方面[8-11]。为解决动物繁殖技术教学开展的现实问题以虚拟仿真技术应用在绵羊胚胎移植教学中为例，通过分析虚拟仿真技术在胚胎移植实训中的优势，初步探讨动物繁殖技术虚拟仿真教学建设的主要内容，在此基础上进一步研究动物繁殖技术虚拟仿真教学实例，促进动物科学学科发展。

三虚拟仿真技术应用于胚胎移植教学的优势

胚胎移植即对遗传基因和生产性能优秀的母畜经过超数排卵处理后，将多出自然排卵数几倍甚至几十倍的受精卵取出，分别移植到其他普通母畜体内，使之产出优良后代的技术。胚胎移植可以充分发挥良种母畜的繁殖潜力，提高繁殖效率；加速品种改良，扩大良种畜群；诱产双胎，提高生产效率及防疫需要、克服不孕。由于胚胎移植在科研及生产实践中具有重要的意义，作为一项成熟的技术，在国内外科研、教学及生产实践中得到了广泛应用。因此，在动物科学专业教学及企业培训时，胚胎移植均为一项重要的内容为学生所学习，不但要求学生基础知识掌握的能力，更需要学生具有一定的操作实践能力。

（一）改变传统教学模式，使学生更多地参与到实验操作中

胚胎移植技术综合性较强、复杂度较高。体外受精部分在实验室操作，其实验步骤较多，某一环节出错则会导致整个实验失败，极大地考验学生的操作水平。除此之外，因其涉及细胞操作实验，对实验场所清洁度要求较高，因此要限制一定的操作人数，更不能保证每名学生都能进行操作。胚胎移植手术是一门难度较大的手术，需要对母羊进行剖腹、取出子宫角、移植，这样的操作是学生无法驾驭的。因此，在开设实验课时，通常只能由教师进行演示，学生通过观摩进行模仿，这样极大限制了学生的参与度，降低了学生学习的积极性，仅在课堂上仅通过讲授和观摩实验无法吸引学生的注意力，达不到理想的教学效果[12-13]。虚拟仿真以计算机和专用设备为工具，为操作者提供视觉、听觉、触觉等感官的模拟，同时在操作环节中设计人机交互，让使用者身临其境，虽然不能现场操作，但能够对实验的大致流程熟悉并掌握[14-15]。

（二）解决实验材料和实验动物的准备问题

胚胎移植实验除实验操作外，实验材料的准备也是对实验准备人员的一大考验。涉及的实验材料有绵羊的卵巢、母羊等。绵羊的卵巢组织有限且极易腐坏，首先限制了操作人数，不能保证实验的正常开设。对于初入实验室的学生，从卵巢中抽取卵子是极大的挑战。在母羊的使用方面也存在着一定的安全隐患，为保证实验室动物安全，需要对母羊进行检疫后才能进行同期发情实验，胚胎移植涉及手术操作，对生物安全要求更高，无形中增加了实验成本，延长了实验周期，不能保证实验课的顺利进行。虚拟仿真技术不必真实操作，解决了实验动物准备的一大难题。

（三）促进实训教学

搭建虚拟仿真实验平台完成胚胎体外制作的全过程实验，学生能在逼真的虚拟教学环境中学习胚胎移植相关知识，教学效果显著，能够提高学生自主学习能力及实践创新能力。在此基础上，教师可以借助虚拟仿真教学手段，开展一些由于实验教学资源不足而不能开设的教学内容。这种教学方式既不需要准备卵巢、母羊等生物材料，也无需指导教师抽象地讲解，可以很好地完成实验教学目的，提高实验教学的质量，也大大地提高了学生的学习兴趣，拓宽了学生的实验操作思维。在时间允许的条件下，可以让学生多操作几次，如果没有虚拟仿真技术是不可能做到的[16]。

四实验内容

绵羊胚胎体外生产制作完整的实验过程十分复杂，包括体外受精、早期胚胎发育、胚胎移植、妊娠和分娩等。这是一项复杂的工程，时间漫长且影响因素众多，不利于学生实际操作。因此本实验操作部分主要集中在“体外受精”及“胚胎移植”部分；“早期胚胎发育”“妊娠”“分娩”模块以虚拟仿真“虚实结合”为学生展示。课后附有考核模块，包括理论考核和过程考核。构建虚拟仿真实验教学互动平台，将绵羊胚胎体外制作虚拟仿真实验做成五个模块化系统。仿真实验模块中包括实验目的与原理、五个模塊的虚拟实验操作。学生在进行理论课程学习和实际实验操作的同时，加上虚拟实验操作。实验细节用视频和动画代替，最终让学生掌握整个胚胎体外制作的全部流程。实验采用视频结合动画，还原胚胎移植所需实验场景和条件，动态展示了体外受精、早期胚胎发育、胚胎移植、分娩和妊娠的方法和过程。将学生平时难以理解的复杂生物过程充分展现出来，便于学生更加形象地记忆和理解。

（一）体外受精

体外受精是胚胎移植的第一部分，学生首先要熟悉卵母细胞收集前的实验台及工作液的准备流程（图1）；准备工作完成后，要掌握卵母细胞体外成熟流程（包括收集、清洗及培养）（图2）。卵母细胞准备完成后，要进行体外受精前的各种准备工作（图3），随后进行体外受精（包括精子成熟、洗卵、精子浓缩及精卵共孵育）（图4）。最后，进行胚胎工作液的准备和胚胎培养（图5）。此环节是本虚拟仿真实验设计实验室部分的关键环节，要求每一步都由学生操作，由学生选择正确的仪器进行操作；仪器选择错误，则不能触发下一步的事件；同样在操作时，学生只有进行正确的操作才能触发下一步的内容，操作不正确则不能触发下一步。

（二）早期胚胎发育

本模块要求学生，①熟悉胚胎发育各个时期的形态特征；②能够手动挑选受精成功的受精卵。学生观看受精卵发育的动画，熟悉受精卵发育的形态特征（图6）。这部分设计考核操作环节，列出受精成功和未受精成功的受精卵，学生需要手动挑选出受精成功的受精卵进行下一步实验。

（三）胚胎移植

本环节首先虚拟一个羊圈场景和一只受体绵羊。胚胎移植前先进行发情处理：虚拟消毒、放栓、撤栓、注射操作。同期发情后七天进行胚胎移植（图7）。胚胎移植模块要求学生掌握各个环节及细节，包括剪毛，在离乳房前端约2 cm处（腹中线的两侧）剪去毛发，范围约20 cm×20 cm。剃净毛茬，用清水洗净。用碘酒消毒、酒精脱碘，盖上术巾。手术刀纵向切开6～8 cm，暴露子宫，取出子宫角。确认具有黄体的一侧的子宫角，将移植器插入该侧子宫角腔内，将胚胎轻轻推入（图8）。移植结束后，用生理盐水冲洗，子宫推回，再用生理盐水冲洗。最后，缝合时在肌肉与皮肤间撒适量青霉素粉。皮肤层缝合完毕，喷洒碘伏，防止感染。本环节是本虚拟仿真实验设计部分的最关键环节，采用视頻和文字描述相结合的方法为学生讲解，要求每一步都由学生操作，由学生选择正确的仪器进行操作，触发动作事件，顺序错误则事件不触发。

（四）妊娠

本环节要求学生了解B超下母羊空怀及怀孕不同时期的B超图片特征，了解妊娠阳性依据。本模块不涉及操作，学生观看视频和动画即可。

（五）分娩

本环节要求学生了解绵羊的妊娠期。本模块不涉及操作，学生观看视频和动画即可。

本实验平台充分体现了虚拟仿真中“虚实结合”的特色。所谓“虚实结合”，即实验流程由虚拟仿真实验完成，但实验操作细节，如显微镜下无法用动画展示的部分则用视频展示。以本实验为例，模块二中捡卵和洗卵环节引入实验视频，让学生经过操作后，直观观察到镜下捡卵和洗卵的过程；精卵共孵育环节中，加入精卵结合的镜下视频，让学生了解精卵结合的真实过程；在胚胎移植剪毛、剃毛、消毒、剖腹、移植、子宫回位及缝合等操作流程中，在制作仿真动画的同时，将实际操作视频附上，让学生在虚拟操作后，再观看视频，虚实结合，对真实的实验操作有了更直观的学习体验。

五过程性考核

（一）引导式操作

学生使用虚拟仿真平台的引导提示，进行虚拟操作。引导模式在操作过程中会有对每一步操作的要点和需要掌握知识点的提示，学生可以根据引导完成全部实验操作，在操作过程中继续对相关知识进行学习。

（二）考核操作阶段

学生使用虚拟仿真平台的考核模式进行虚拟实验操作。考核模式没有提示内容，所有操作需要学生根据所掌握的知识独立完成。操作正确，则可以进行下一步，操作没有达到要点要求，则不能进行下一步。学生在考核模式下完成全部实验操作视为通过。

（三）理论知识考核

学生完成操作模式考核后，系统会从题库中随机抽取一定数量的题目，对学生进行理论知识的检验，包括实验原理知识要点的考核和实验操作理论要点的考核，学生回答完毕后系统自动生成相应分数。

（四）综合分数

指导教师根据系统对学生的操作情况、理论考核情况及学生实验报告情况，对学生进行总体评价，并给出实验分数。

六思考与展望

目前，虚拟仿真技术要应用在教学中，应注意以下几点问题。①真实，即虚拟所展示的科学问题要与实际情况一致。②交互，即操作者与虚拟系统可以互动。③显隐，即虚实结合，将真实操作中不易呈现的部分用虚拟技术显现出来。④广用，指虚拟仿真操作平台网络化、多用户化、用户广域化等[4，17]。针对本文中提到的虚拟仿真胚胎移植教学平台，虽然可以有效弥补线下教学中的不足，但仍存在一定的局限性。例如，在操作流程上，虚拟操作能够让学生了解整个实验的大概流程，细节部分稍有欠缺，因此，需要学生在操作前掌握深厚的理论知识，而不是直接上手操作，否则只会机械地重复步骤，不了解其真实意义。另外，虚拟仿真技术的实现需要较高的硬件条件，如可穿戴设备、智慧教室等，因此在广用化方面仍有欠缺。

七结束语

在虚拟仿真技术应用在具体实验课题教学中，只有将虚拟仿真实验与实际实验有机结合做到相辅相成、优势互补，才能从根本上提升实验教学效果，调动学生积极性和主动性，激发学习兴趣，增强创新创造能力。在教学过程中引入虚拟仿真技术，不仅增加了实验教学趣味性和操作性，并且提高了教学质量，培养了学生的思考和创新能力。在具体教学中，仍必须将虚拟仿真技术与传统教学相结合，虚拟仿真实验教学可以作为传统实验的补充和辅助，通过理论讲授和实景操作，使学生夯实理论基础，深入理解理论知识，为培养新时代畜牧人才提供新手段、新方法。

参考文献：

[1] 陈倩，贾建磊.VR技术在动物繁殖实验中的应用[J].大众标准化，2020（20）：160-161.

[2] 杨华，宋世斌，王宇翔，等.虚拟仿真实验在畜牧兽医专业领域实训的应用分析[J].甘肃畜牧兽医，2020，50（6）：8-9.

[3] 邓凯伟，李卫.高职高专畜禽繁殖技术实践教学改革的探索[J].黑龙江畜牧兽医（上半月），2011（9）：146-148.

[4] 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.

[5] 徐鸿毅，张昌军，刁红录，等.“辅助生殖实验室技术”课程中显微操作虚拟仿真教学模式的探讨[J].科教文汇（中旬刊），2019（20）：96-97.

[6] 王旭.地方性本科高校虚拟仿真实验教学模式研究[J].教育观察（上旬刊），2015，4（6）：62-63.

[7] 张剑葳，吴煜楠.虚拟仿真技术在文物建筑教学中的应用探索[J].中国大学教学，2019（11）：66-69.

[8] 王卫国，胡今鸿，刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索，2015，34（5）：214-219.

[9] 刘为浒，郝佩佩，黄骥.虚拟仿真技术在本科教学中的应用研究[J].中国农业教育，2016（3）：91-96.

[10] 杨洋，万玲，王韦韦，等.新农科背景下拖拉机构造虚拟仿真实验教学平台建设[J].高等农业教育，2021（2）：108-111.

[11] 周倩倩，朱爱勇，曹文婷，等.虚拟仿真技术在助产专业教学中应用[J].实验室研究与探索，2021，40（7）：237-240，257.