人工智能在动物繁殖学教学中的运用

夏 威,李 嘉,李俊杰

(河北农业大学 动物科技学院,河北 保定 071001)

动物繁殖学是一门研究如何通过繁殖来提高生产效率的科学,它旨在探索动物繁殖的生理特征、规律、机理,并利用各种技术手段来改善和控制繁殖过程,从而促进动物的健康发育。其中动物繁育学的课程在这里起到了关键角色,教育过程培养了专门的动物繁育学人员,为动物繁育领域培育具有技能和意识的从业人员;与此同时,可以提升畜牧业的效益和品质,通过调整饲养方针与技能,改善动物饲养质量,促进畜牧业的蓬勃发展。

在当前动物繁殖的教学中存在很多难点。首先,动物繁殖学涉及多个物种和不同的繁殖策略,每个物种都有其独特的特点和需求,因此教学需要针对不同的物种进行个性化的教学和培训;其次,动物繁殖学的技术和方法不断发展和更新,教师需要跟上这些变化,并及时更新教学内容和教学方法,以保持教学的前沿性和实用性;在这个过程中还涉及到动物的实际操作和实验,但实践环境可能受到如动物数量、实验条件等条件限制,有时可能面临教师资源不足、设施不完备、实践难以进行等问题,对教学质量和效果产生了影响。

1 动物繁殖学教学背景

动物繁殖学通常是农学、畜牧学、动物科学等相关专业的重要课程。动物繁殖学的教学内容包括动物繁殖的基本原理、繁殖系统与技术、繁殖管理与策略等方面的知识。教学通常包括实验环节,学生通过实验课程掌握动物繁殖技术的基本操作和实践能力。该实验将探讨人工授精、胚胎移植及利用繁殖性激素的技术,从而获得更好的结果。此外,为了提高学生的实践能力和职业素养,动物繁殖学的教学通常还包括实习和实践环节,学生可能参与到养殖场、繁殖中心等实践场所进行动物繁殖管理和技术操作。

这个专业涵盖了动物饲养、育种和繁殖等很多个领域,它拥有很强的实践性,教师开展了许多的教学实验[1]。现如今,高校的招生数及实验科研项目日益增多,学校实验室每学年都会给学生安排大量的实验,以满足其学习需求;并且完成大量的实验需要耗费大量的师资和实验资源,这种情况给实验教学工作带来了很大的压力,教学的难点(见图1)根据招生人数的不断增加逐渐体现出来。

图1 动物繁殖学教学中的难点、痛点Fig.1 Schematic diagram of the difficulties and pain points in teaching Animal Reproduction

1.1 教学内容多样且复杂

动物繁殖学的教学内容具有多样性和复杂性,包括动物繁殖的基本原理、繁殖系统与技术、繁殖管理与策略以及繁殖相关的新技术和前沿研究。动物繁殖学的教学内容包括动物繁殖的基本原理,如生殖生理、生殖行为、繁殖器官结构与功能等。学生需要了解动物的生殖周期、性腺发育、性激素分泌等基本原理,以便理解和分析动物繁殖过程中的问题和挑战。教学内容还包括各种动物繁殖系统和相关的繁殖技术。不同的动物种类可能有不同的繁殖系统和技术,如人工授精、胚胎移植、人工孵化等。此外,还包括繁殖管理和策略方面的知识。学生需要学习如何进行动物繁殖的管理和策略制定,以提高繁殖效率和质量。这包括繁殖环境的调控、繁殖期的管理、繁殖动物的选择与配对等方面的知识。随着科学技术的不断发展,动物繁殖学的教学内容还需要涵盖繁殖相关的新技术和前沿研究。例如,基因编辑技术、胚胎干细胞技术等在动物繁殖中的应用,以及繁殖过程中的遗传改良和疾病筛选等方面的最新研究进展。因此,如何让一名老师能够讲清楚、讲明白,同时学生如何做到将知识融会贯通,将理论和实践结合起来,真正掌握动物繁殖学是有一定难度的。

1.2 教学技术更新和变化快

在现代教学环境下,教学技术的更新变化给教师和学生都带来了一些难题。对于教师来说,他们需要不断更新自己的教学方法和技能,以适应新的教学技术。这需要他们学习和掌握新的教学工具和平台,如在线教学平台课堂派[2]、虚拟实验室等。此外,老师还需要适应学生的学习方式和需求的变化。例如,学生更加倾向于使用移动设备和互联网进行学习,老师需要探索如何将这些新技术融入到自己的教学中,以提高学生的学习效果。

对于学生来说,他们面临的主要难题是适应新的学习环境和学习方式。现代教学技术的更新变化意味着学生需要具备更多的自主学习能力和信息获取能力。学生需要学会利用互联网和在线资源进行自主学习,同时需要适应在线学习的节奏和方式。此外,学生还需要适应使用新的学习工具和平台,如在线学习管理系统、虚拟实验室等。

除此之外,教学技术的更新变化还可能给老师和学生带来一些技术操作上的难题。老师可能需要花费更多的时间和精力来学习和掌握新的教学工具和平台的使用方法,而学生可能需要面对技术操作上的困难和挑战。

1.3 教师资源限制

教师资源包括教师的素质、教学经验和教学方法等。优秀的教师能够提供高质量的教学,能够根据学生的需求和特点采用不同的教学策略和方法,激发学生的学习兴趣和主动性。然而,由于招生人数的不断扩大,很多缺乏教学经验的新入职教师担任教学工作,这可能不利于学生的发展。在很多高校都存在实验教师相对较少的现象,这导致实验教师指导效果差[3],难以在短时间内完成对大批量学生的精细辅导,教学目标难以完成,专业性强的实验更加难以开展。

学生需要观察动物的行为、生理特征和繁殖过程等,以了解其中的规律和机制。如果没有动物材料可供观察和研究,学生将无法深入了解动物繁殖的细节和变化,会影响他们对知识的理解和应用能力的培养,此外,还可能会因缺乏实际操作和观察的乐趣,导致学习兴趣和动力的下降。为此,提出了人工智能在动物繁殖学教学中的应用路线(见图2)。

图2 人工智能帮助教学模式Fig.2 Schematic diagram of the artificial intelligence-assisted teaching model

2 人工智能在动物繁殖学教学中的运用探讨

教师可以通过先进的技术手段,如人工智能(artificial intelligence,AI),对实验动物的数据进行深度分析[4],从而更好地理解其特征,并且可以更加全面地构建出各种不同的数学模型(见图3)。

图3 人工智能应用领域Fig.3 Schematic diagram of artificial intelligence application areas

2.1 智能教育软件的开发

针对教师水平参差不齐的问题,可以开发一款智能化AI教育软件,该软件可以整合丰富的学习资源,如动物繁殖的案例分析、相关文献和视频资料等,为学生提供更全面和深入的学习支持,学生可以通过软件自主选择和探索学习资源,丰富自己的学习经验和知识储备;此外,软件还可以通过图像、视频、动画等多媒体形式呈现动物繁殖过程,使学生能够更直观地理解和学习相关知识,学生可以通过触摸屏幕、点击按钮等方式与软件进行互动,增加学习的趣味性和参与度;智能化教育软件还可以模拟动物繁殖过程,提供虚拟实验和操作的机会,学生可以通过软件进行模拟操作,观察和探索动物繁殖的各个环节,培养实际操作的能力;除此之外,还可以根据学生的学习情况和水平提供个性化的学习支持。软件可以根据学生的答题情况和反馈信息,自动调整学习内容和难度,帮助学生更好地掌握动物繁殖知识。

对于教师而言,智能化教育软件可以提供教学辅助工具和资源,帮助教师更好地设计和组织动物繁殖教学,教师可以利用软件中的教学资源和模拟实验,提供丰富的教学内容和实践操作机会。同时,软件也可以提供学生学习情况的数据分析和评估报告,帮助教师了解学生的学习进展和困难,有针对性地进行教学调整和辅导。

2.2 虚拟实践和模拟仿真环境的搭建

动物繁殖学作为一门实践性非常强的学科,需要涉及到一些实验操作的和观察过程,对于一些实验条件不足的学校可以引入虚拟实践和模拟仿真环境,模拟动物繁殖的各个环节和过程,学生可以通过操作虚拟实验设备、观察虚拟动物的繁殖行为等方式进行实践操作。采用虚拟实验室整合丰富的学习资源,如实验操作指导、相关文献和视频资料等,为学生提供更全面和深入的学习支持。学生可以通过虚拟实践环境自主选择和探索学习资源,丰富自己的学习经验和知识储备。这样的实践操作机会可以帮助学生更好地理解和掌握动物繁殖的原理和技术。此外,在实际的实验室或场地中进行可能存在安全隐患或受限制,而虚拟实践和模拟仿真环境可以提供安全的学习环境,学生可以在虚拟场景中进行实验操作和观察,避免了潜在的危险[5]。

2.3 数据分析和预测

通过实验动物不但能得到很丰富的数据,同时也可能有不少的隐性信息。在这些信息海洋中,AI数据分析成为了一种主要的方法,它能够从海量的信息中提取和发掘更能代表数据本质特征、更能反映数据内在统计学规律的信息。由于数据库系统的不断完善及各种建模方法的涌现,常规的假设驱动实验设计开始被非假设驱动实验设计所代替,为后续试验计划的建立提供了强大的支撑。通过AI技术进行数据分析和建立数据库,可以更加准确地检测出实验动物模型的微观特征,在动物繁殖学实验中具有重要作用。与此同时,这个技术也已经广泛用于很多相关领域[6]。

3 国内外运用人工智能在动物繁殖学教学的发展现状

3.1 国内运用人工智能在动物繁殖学教学上的现状

内蒙古农业大学的李蓓等[7]将虚拟仿真技术应用在实验课题教学中,构建了虚拟仿真实验教学互动平台,将绵羊胚胎体外制作虚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、五个模块的虚拟实验操作,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,还原胚胎移植所票实验场景和条件,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。

广西大学动物科学技术学院的许惠艳等[8-9]在新时代教育背景下,探索了一种将虚拟仿真实验教学与传统教学相结合的教学模式,以改善动物繁殖教学实践。通过实施发现,这种教学模式能够有效激发学生的学习热情,增加学习乐趣,促进学生创新思维和实践能力的发展,从而提高教学效果。

扬州大学的陈炜昊[10]结合实验室前期研究数据,以Clock、Cry1/2和Per1/2/3共6个关键生物钟基因的21个位点的多态性位点数据为研究对象,通过两种不同的决策树机器学习模型(random forest和XGBoost),比较探究各个位点中与小尾寒羊产羔数最为显著关联的位点。

3.2 国外运用人工智能在动物繁殖学教学上的现状

在利用虚拟仿真技术方面,美国耶鲁大学充分发挥了移动实验具有的即时性、参与性、情境性、泛在性、愉悦度等优点,除了通过平板计算机进行分子生物学、细胞生物学、发育生理学等项目实验,教师还利用在iPad上的手机应用程序,共享了在中心实验室和显微镜上得到的信息和图片的数据。通过将可远距离操作的数码显微镜和平板计算机相连,他们不但能够对试验信息进行录入、分类和注解,还能够将得到的试验结果保存备用。

英国开放大学高校开放性研究实验室建立的宗旨定位：①作为研究与创新实验教学改革的在线中心;②作为对现场(异地)试验资料的认真、严谨和正确的研究分析方法;③建立了3D沉浸的实验环境,并提供了远程监控、虚拟仪器、互动多媒体试验和在线数据分析与研究等的试验与研究平台。目前,该实验室已经能够现场完成实验室的全部工作,只需使用虚拟仪器软件就能够现场完成实验了,并且还可以通过遥控的设备来对实验完成进行远程管理。与此同时,该实验室还开设了一批应用网络、虚拟现实等技术,能够实现与实验项目共享使用的虚拟仪器[11]。

在数据库及数据分析预测模型方面,马林纳等[12]整理、归纳、分析并总结子宫肌瘤动物模型构建的重要参数,就是运用了数据挖掘的方法,如制造模型的方法、周期和频率次数等,这些对实验中建立合理的模型和提升成模率具有很重要的作用和意义。N.Pallast 等[13]提出一种以云为基础的多模态动物数据关系数据库,汇总了各种动物临床前的特征数据,在很大程度上提升了数据的可访问性、数据的处理效率和数据记录标准化。

4 结 语

总体看来,将来人工智能在动物繁殖教学中将发挥越来越重要的作用,具备十分广阔的应用前景。人工智能领域的相关应用能够针对当今教学中存在的教学内容复杂、教学技术更新变化、教学环境受限的问题做出改进,它能够帮助教师对生成数据进行分析,并且能够个性化地参与学生的学习环节,减轻老师的教学负担;此外,学生还能够利用人工智能框架的虚拟仿真环境进行虚拟实验,大大提升学生的参与感,助力教学事业的发展。然而,人工智能的应用也面临着一些挑战和问题,如数据隐私和安全性等。因此,未来的发展方向应该是在充分发挥人工智能优势的同时,加强数据保护和安全管理,确保教学的可持续发展和良好运行。相信随着科技的进一步发展和人工智能的不断创新,人工智能在动物繁殖学教学中的应用将会越来越广泛和深入,为动物繁殖学教育的发展带来新的机遇和突破。