鸟类识别与野外工作方法虚拟仿真实习教学系统的设计

徐 冰, 雷维蟠, 王 宁, 张雁云, 郭冬生, 董 路

(1. 北京师范大学 生命科学与技术国家级实验教学示范中心, 北京 100875；2. 北京师范大学 生命科学学院, 北京 100875)

生物学是研究生物生存、繁衍、发育、进化等规律的科学,而野外实习是生物学本科教学的重要环节,是学生认识自然、了解动植物与环境相互关系的课堂,也是培养学生对生命探究的兴趣和从事科学研究基本素质与能力的重要方式[1-2]。北京师范大学一贯注重生物学野外实践教学,实习教学团队不断更新教学理念、丰富教学内容、加强教学队伍和教学条件建设,注重实习中的基础知识、科学方法、保护理念、团队精神、尊重理解教育,形成了国内有影响力的野外实习教学体系。然而,师资、物候、天气、经费、学时等因素往往使野外实习教学面临困境与挑战[3-6]。将信息化技术、翻转课堂等新型教学方法引入野外实习教学,有力地推动了野外实习教学模式的创新与发展[7-9]。

北京师范大学依托鸟类学团队的学科优势和科研实力,在教育部提出的“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”建设思想指导下,设计和制作了鸟类识别与野外工作方法虚拟仿真实习教学系统[10]。该系统集知识性、趣味性、互动性于一体,模拟真实野外实习场景,让学生在学习过程中保持兴趣和探究热情,通过专业训练,掌握鸟类识别与野外工作方法,提高野外实习的教学质量。

1 虚拟仿真实习教学系统的教学目标

虚拟仿真实验教学综合运用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库、网络通信等多种技术,通过构建逼真的可视化实验环境和实验对象,使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展高效、安全、经济的实验活动,达到真实实验不具备或难以实现的教学效果[11-12]。

与其他生物类群的野外研究相比,自然环境中的多数鸟类活动迅速、敏捷,常隐匿在植物枝叶间,使得鸟类的准确鉴别和野外教学研究困难得多。学生很难在短时间内掌握鸟类环志等专业性较强的野外研究方法,在实际操作过程中的慌乱,也容易发生伤害野生鸟类、破环生态环境等问题。

鸟类识别与野外工作方法虚拟仿真教学系统是根据动物学野外实习的教学目标和教学内容,利用现代信息技术,综合众多教学资源开发的教学系统。学生在实习前通过该系统全面了解实习地环境、动植物类群、野外生态学研究方法等；利用该系统发现科学问题,提前查阅文献,做到实习前心中有数、实习目标明确,因而在实习过程中更加从容。在实习过程中,如果学生还没有充分掌握物种识别、野外工作方法,可利用虚拟实习系统回放观看、把握关键；对于没有实际操作的一些实习内容,也可以模拟操作、掌握要领。实习结束后,学生也可以通过网络平台访问该系统,随时随地进行复习。

2 虚拟仿真实习教学系统的教学设计

在鸟类识别与野外工作方法虚拟仿真实习教学系统中,根据北京师范大学生物学野外实习基地——北京小龙门国家森林公园内分布的鸟类,制作了3D高仿真鸟类模型,并设计了鸟类野外研究的虚拟操作。整个系统由路线导览、背景知识、鸟类识别、样线调查和鸟类环志等5个子模块构成。其中路线导览、背景知识和鸟类识别模块是基础知识部分,是进一步学习鸟类样线调查和鸟类环志野外工作方法的前提。

2.1 路线导览模块和背景知识模块

路线导览模块介绍了实习基地的基本情况,包括实习基地的经纬度、海拔、地形地貌、植被特点、生物多样性及野外实习活动的路线及其地理位置。通过路线导览模块,学生可以熟悉实习基地的基本情况,有利于快速进入实习状态,提高学习效率。

背景知识模块介绍了鸟类的形态特征、鸣声分析方法、数量调查方法和鸟类环志测量方法等知识,为进一步学习鸟类识别、样线调查和鸟类环志奠定基础。

2.2 鸟类识别模块

形态特征和鸣声识别是目前最重要的鸟类分类和野外鉴别方法。鸟类识别模块将北京小龙门国家森林公园野外实习基地常见的24种鸟类制作成3D高仿真模型,结合鸟类识别特征的介绍(见图1(a)),让学生认识不同鸟类分类特征的差异；通过每种鸟类特异性鸣声音频和语图(见图1(b)),鸟类自然状态下的照片(见图1(c))和视频展示(见图1(d)),让学生了解鸟类在野外的生活状态及栖息环境；通过各种信息综合,使学生能够准确鉴别常见鸟类。

图1 虚拟鸟类识别模块

2.3 样线调查模块

数量调查是鸟类生态学研究最重要、最基础的工作,对鸟类资源评价、保护与环境质量的评估具有重要的价值[13-14]。鸟类样线调查以北京师范大学小龙门生物学野外实习基地的南沟为场景,依照鸟类行为、栖息方式等将鸟类3D模型置于高仿真的虚拟栖息地中,让学生按照鸟类学数量调查的基本方法,先闻声找鸟,然后依据形态识别并记录鸟类在模拟自然环境中的数量。根据鸟类样线调查,学生可认识不同鸟类的栖息环境、停歇姿势和位置的差异,实现鸟类与其栖息环境的一体化学习,了解和掌握鸟类与环境的密切相关性及生态学相关知识。

开始虚拟调查前,需在调查记录表中记录时间、地点、海拔、经纬度等基础信息。

调查开始后,通过鼠标、键盘在场景中漫游；当鸟出现在生境中时,先听见鸟的鸣声和闪烁的望远镜提示；点击望远镜,出现3D高仿真鸟模型。学生通过鸟的形态学特征和鸣声确定鸟的种类,在样线调查表中填写物种名称、数量和生境类型(见图2(a)),可查看该鸟的详细信息以加深认识。

调查结束后,根据样线调查记录表和固定距离鸟类密度计算公式,计算并填写鸟类在调查区域的密度；全部完成后,系统将自动给出得分(见图2(b))。

图2 虚拟鸟类样线调查模块

2.4 鸟类环志模块

鸟类环志是根据标记个体研究鸟类生活史、种群动态,特别是鸟类运动的一种重要研究手段[15],是专业性、知识性、技术性非常强的鸟类研究方法。受野外实习条件限制,只有经严格培训并能规范、熟练操作的学生，才能参与鸟类环志实际操作。虚拟鸟类环志让学生熟悉环志背景知识和野外工作方法,学习操作要领和相关名词术语,按照正确的方法选择架网地点、解鸟、握鸟、选环、上环、鸟体测量、血样采集、放飞,了解鸟类环志的全过程。虚拟仿真教学可以让所有的学生在野外实习前接受培训,在野外实际操作过程中减少对鸟造成的损伤,培养学生动物保护、动物福利和生态文明的意识和理念。

虚拟鸟类环志的操作过程如下:

(1) 架网:根据鸟类环志的要求,选择合适的场地,依次点击网杆、鸟网和牵绳,将鸟网按照正确的方法布置好；

(2) 撞鸟与解鸟:巡视鸟被网捕捉后的情况,判断鸟飞来的方向；按照解出鸟腿、翅膀和头部的正确顺序,将捕获的鸟从网上解出(见图3(a))；

(3) 称重:将鸟装入鸟袋,系紧袋口后,用天平测量鸟的体重；在环志登记表中填入环志日期和地点、鸟的名称、特征、体重等基本信息；

(4) 环志:在环号查询表中选择适合所捕获鸟的环号,选择合适的环志钳,将金属环闭合到鸟右腿的跗蹠上(见图3(b))；检查金属环的闭合效果,闭合效果不好,须卸掉金属环并重新环志；

(5) 鸟体测量:选择合适的工具,按照正确的方法,依次测量鸟的喙长、头喙长、跗蹠长、翅长、体长和尾长(见图3(c)),并记录测量数据；

(6) 血样采集:在鸟翼肱静脉的部位消毒,用采血针和毛细管采血(见图3(d)),将血样放入灭菌后的容器里低温保存；采血结束后,再次消毒采血部位；

(7) 放飞:选择正确的放飞办法将鸟类放飞；

(8) 全部完成后,系统将自动给出操作过程得分。

2.5 实验结果与结论要求

在本实验的5个模块中,路线导览、背景知识和鸟类识别模块是基础知识部分,要求学生自主学习,对实验结果不做要求；而完成样线调查和鸟类环志模块操作后,系统自动生成并提交实验完成情况报告。

样线调查部分结果由样线调查记录表和鸟类密度计算两部分组成。样线调查需要记录调查区域出现的

图3 虚拟鸟类环志模块

50只鸟,并按照密度计算公式计算并填写鸟类种群密度。如果鸟类信息填写错误将不能得分。

鸟类环志部分实习成绩由关键步骤答题情况和实验完成情况构成。实验的关键步骤问题设定为选择题的形式,包括架网地址的选择、撞鸟方向的判定、环志环和环志钳的选择等；实验完成情况是按照完成全部操作的进度进行考核。两部分实验全部完成后提交至虚拟仿真教学平台,系统可自动生成实验报告,并记录学生的实习情况,教师据此可进一步指导学生或安排学生进行后续学习。

3 虚拟仿真实习教学系统的特色

3.1 打破限制,激发学习兴趣

虚拟仿真实验教学具有开放性、广域性、交互性和实时性的特点,是信息化时代教学改革的重要创新。虚拟仿真实习教学系统是基于Unity3D技术、虚拟现实平台构建的开放式、网络化的虚拟教学系统,可通过互联网随时随地访问和学习,打破了时空、物候、野生动植物资源对野外实习的限制，弥补了教学学时、经费的不足,并在一定程度上解决了野外实习学生多、教师少、难以实现“一对一”指导的问题。

虚拟仿真实习教学系统的3D模型高度还原了野外实习场景及操作,使学生有身临其境的感觉,改变了传统课堂枯燥的教学模式。交互式的实验操作激发了学生的学习兴趣,提高了实习效果。以学生为中心的虚实结合的互动教学,有利于培养学生探究科学问题、解决科学问题的能力,达到提高教学质量和培养学生创新素质的目的。

3.2 虚实结合,提升教学效果

鸟类识别与野外科学研究是北京师范大学山地动物学野外实习的主要内容之一,也是动物学野外实习实践的重点与难点。鉴于鸟类的生物学特点和生活习性等生态学特征,鸟类的野外观察、鉴别、研究都比较困难,学生在短时间内难于掌握。

鸟类识别与野外工作方法虚拟仿真实验教学系统的虚拟场景真实、鸟类模型逼真、知识准确、资源丰富、虚拟操作科学严谨、教学方法和学习方式多样,线上、线下虚实结合的实习方式为学生熟悉鸟类和掌握鸟类的野外工作方法提供了有力保障。该虚拟仿真实习教学系统将进一步完善鸟类鸣声采集与分析、鸟类对人工巢箱的利用、昆虫采集和标本制作、植物分类与识别、植物群落调查、植物标本采集与制作和动植物科研小专题等内容,更好地服务于动植物野外实习教学。

3.3 示范辐射,扩大开放共享

鸟类识别与野外工作方法虚拟仿真实习教学系统充分利用本校动物野外实习优质师资等教学资源,构建了鲜活的实习案例,为本校和缺少野外实习机会的兄弟院校相关专业的学生提供了虚拟野外实习机会,使其置身于逼真的虚拟实习场景，学习相关知识、完善知识体系,也为其他专业的学生和社会公众提供了解鸟类识别和野外实习相关知识的学习平台。集知识性、趣味性、互动性于一体的虚拟仿真实习教学平台有利于公众认识生物多样性、促进生物多样性和生态文明相关知识传播。

4 结语

将虚拟仿真技术及信息化教学引入高等教育教学,使教学方法多样化,解决了教学中的瓶颈问题,在更大范围内实现了教学资源的共享和教学质量的提升,也是高等院校现代化教育教学建设的必然趋势。北京师范大学构建的鸟类识别与野外工作方法虚拟仿真实习教学系统是对信息化教学的初步尝试与探索,在教学过程中还要逐步完善,以建成全方位、立体式的虚拟仿真野外实习系统为目标,推动了野外实习教学模式的创新与改革,促进创新型人才培养。