玉带凤蝶人工饲养虚拟仿真实验项目建设

肖炜 宋艳琦 张懿

[摘 要] 为提升普通昆虫学实践教学效果，提出玉带凤蝶人工饲养虚拟仿真实验教学项目建设方案。基于林业高等院校森林保护专业在“普通昆虫学”课程中昆虫生物学实验的开展，运用玉带凤蝶人工饲养昆虫虚拟发育实验，实现常规实验不能完成的任务。该项目建设包括资源建设、流程建设、内容建设、平台建设和共享服务建设，充分发挥虚拟仿真实验在普通昆虫学教学中的作用，使学生能够系统全面地掌握昆虫的世代、年生活史、习性等相关知识，培养学生独立思考、独立操作、解决问题的能力，可为后续专业课程的学习打下坚实的基础。

[关键词] 玉带凤蝶;虚拟仿真实验;人工饲养;实验项目建设

[基金项目] 中南林业科技大学校级虚拟仿真实验项目（2020培育）;湖南省普通高校重点实验室昆虫系统进化与综合管理實验室（010211）平台项目73402-14180946资助

[作者简介] 肖 炜（1975—），男，湖南新宁人，硕士，中南林业科技大学昆虫系统与综合管理实验室实验师（通信作者），主要从事森林保护学昆虫学研究。

[中图分类号] G642.0     [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）19-0022-04   [收稿日期] 2020-12-02

一、实验项目建设背景

随着现代信息技术的飞速发展，传统昆虫学教学模式的局限性显得越来越突出，已经不能满足教学需求。为了解决这个问题，虚拟仿真技术逐步被引入各高校实验教学当中[1]。林业高等院校森林保护专业主干课程中“普通昆虫学”是专业基础课，涉及昆虫形态学、昆虫生物学等方面，课程由理论教学和实践教学两部分组成，特别是实验教学是非常重要的环节，它不仅能使学生更好地巩固理论教学知识，同时能使其掌握操作技能，提高分析问题、解决问题的能力。

玉带凤蝶（Papilio Palytes Linnaeus）是我国南方柑橘的主要害虫之一，其幼虫咬食柑橘嫩芽、幼叶[2，3]，易于人工饲养，但饲养周期长，在当前的普通昆虫实验教学中不易实现，因而限制了教学效果。因此，我们开发了玉带凤蝶人工饲养虚拟仿真实验教学项目，以中南林业科技大学虚拟仿真实验中心为依托，以林业害虫玉带凤蝶（Papilio Palytes Linnaeus）为实验对象，建设了虚拟喂养、动态观察和发育控制的混合式教学模式，实现了“大尺度实验微缩化”，完成传统实验不可能完成的实验内容，使各个知识点无缝衔接，学生掌握的知识结构与专业技能更加完整，进而达到真实实验不具备或难以实现的教学效果[4，5]。

二、实验项目建设方案

玉带凤蝶人工饲养虚拟仿真实验教学项目的教学对象是林业高等院校森林保护专业的二年级学生，学生已经完成了基础课程，进入专业课程学习当中，其中“普通昆虫学”为主干课程。该项目综合运用虚拟仿真现代教育技术，通过玉带凤蝶人工饲养虚拟仿真实验教学，使学生掌握昆虫的年生活史、习性等相关知识[6，7]，有效解决了昆虫饲养在普通昆虫学实验教学中不易实现、限制了教学效果的难题。玉带凤蝶人工饲养虚拟仿真实验项目建设方案主要包括：实验资源建设、实验流程建设、实验内容建设、实验平台建设及实验共享服务建设等五个方面（见图1）。

三、实验项目建设实践

（一）建立了虚拟喂养、动态观察和发育控制的混合式教学模式

针对玉带凤蝶人工饲养耗费时间长、难以观察等问题，结合“普通昆虫学”教学大纲，我们建立了虚拟喂养、动态观察和发育控制的混合式教学模式，该教学模式包括虚拟喂养、动态观察和发育控制三个基本功能。发育控制为考查学生对“普通昆虫学”课程“有效积温”“滞育”等基础知识点的掌握;而虚拟喂养、动态观察可以促进学生对“蜕皮”“羽化”等知识点的理解[8，9]，混合式教学模式可以培养学生自主学习、发现问题和解决问题的能力，提升综合素质。

（二）实验项目教学资源和教学内容建设

玉带凤蝶人工饲养虚拟仿真实验项目的教学资源，例如课程简介、教学大纲、指导手册等，已成熟并在教学过程中得到实际应用。学生通过虚拟实验预习，可以先行了解课程简介、教学大纲、操作指导手册等，通过观看平台实验操作视频及实验内容介绍，使学生在课前对整个虚拟喂养实验有系统、全面的了解。

实验教学内容主要有虚拟喂养、动态观察和发育控制三个内容，“虚拟喂养”包括天然植物喂养和人工饲料喂养;“动态观察”包括幼虫蜕皮过程、化蛹过程、羽化成虫过程和交配过程等方面;“发育控制”包括卵的发育控制、幼虫的滞育控制等。实验参数设置可预设，也可由学生自主设置，可进行人机对话和虚拟操作，动态展示了玉带凤蝶人工饲养条件下的发育全过程。

（三）实验项目教学流程

学生可通过智能手机、平板及电脑等客户端登录玉带凤蝶人工饲养虚拟仿真实验项目平台进行实验预习，了解和熟悉实验简介、实验目的与原理及实验内容。按照教学流程框架依次开展本项虚拟仿真实验，教学流程框架如图2所示。

在预习之后，学生进入教学与操作部分，教学与操作为虚拟实验的重点部分，根据玉带凤蝶的生活史，我们设置了“卵”“幼虫”“蛹”和“成虫”四个基本模块。根据昆虫的发育，玉带凤蝶人工饲养仿真实验从“卵”开始。首先要求学生观察卵的形态特征，并通过点击“参数设置”，输入玉带凤蝶卵的发育最佳参数，包括温度、湿度和光照等，当实验参数正确时，“卵”开始进行虚拟孵化，学生可以动态观察到整个虚拟孵化过程。

进入“幼虫”模块，当孵化出第一龄幼虫后，要求学生在众多的植物种类中选择正确的玉带凤蝶寄主植物，选择正确后，第一龄幼虫开始虚拟取食、生长。当一龄幼虫生长期结束时，开始进行虚拟蜕皮，学生可以动态观察到整个虚拟蜕皮过程。蜕皮完成后进入幼虫第二龄，第二龄幼虫食量开始增加，同时可以要求学生人工合成玉带凤蝶的人工饲料[9]，进行人工饲料虚拟喂养，并同天然植物喂养进行比较。当二龄幼虫蜕皮后进入第三龄幼虫，要求学生比较玉带凤蝶幼虫体色、体形的变化。当蜕皮后进入第四龄幼虫，要求学生进行“滞育”观察，输入玉带凤蝶发育的参数，包括温度、湿度和光照等，当实验参数正确时，玉带凤蝶第四龄幼虫进入虚拟“滞育”。当“滞育”结束蜕皮后进入第五龄幼虫，要求学生进行老熟幼虫形态观察，并与一至四龄幼虫进行比较，当鼠标点击老熟幼虫头部时，要求学生观察老熟幼虫的“臭角防卫”习性。