虚拟仿真技术在“植物物种多样性的调查”中的应用

摘要：运用样方法调查某种植物的种群密度是理解种群特征的基础实验之一。本文针对辨认植物特征耗费精力、有限的绿化面积有碍于随机取样、无法即时观察入侵物种的影响等实际问题，开发了虚拟仿真“植物物种多样性的调查”的教学系统。实践表明，该虚拟仿真系统简化了样方计数的繁琐过程，激发了学生的探究兴趣，有利于学生对影响植物物种多样性的因素展开的深度思考，从而提高了教学效率，使学习内容更加直观、生动。

关键词：虚拟仿真；植物物种多样性；种群密度；样方法；外来物种入侵

文章编号：1003-7586（2024）04-0055-03 中图分类号：G633.91 文献标识码：B

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）在选择性必修课程模块2“生物与环境”的次位概念要求学生能“列举种群具有种群密度等特征”。学业要求建议学生能“举例说明不同类型群落的结构、特征”。为帮助学生达成上述要求，强化对生命系统与环境关系的认识，人教版、浙科版、北师大版普通高中教科书《生物学·必修2·遗传与进化》（以下简称“教材”）中均安排了用样方法调查某种植物的种群密度的实验或活动，沪科版教材也对样方法的运用进行了详细说明。但在实际教学实践中，常存在以下问题：需要花费精力熟悉植物的鉴别特征；校园草坪多为人工种植，种类单一，不能体现自然状态下物种的多样性；学校绿化面积有限，难以实现随机取样；受季节影响，枯枝败叶易对计数形成干扰；不易进行不同生态系统中植物物种多样性的比较观测；不能直观判断外来物种入侵对某物种种群密度的影响等。这些问题影响了实验教学效果，为学生后续学习种群的影响因素、群落和生态系统等造成了阻碍，同时也成为教师亟待解决的教学难点。《课程标准》在教学建议中指出：“教师可以采用生物材料设计和开展实验，也可以利用电子设备设计、完成模拟性实验；有条件的学校还可以充分利用多媒体、互联网及无线通信技术进行虚拟实验”。虚拟仿真借助图形、图像、仿真和虚拟现实等技术，通过计算机创建一个可视化虚拟实验环境，以人机交互的方式，使学生可以运用各种虚拟机械设备对实验对象进行虚拟操作，为原有实验教学提供重要补充和拓展。基于虚拟仿真技术开发的“植物物种多样性的调查”系统极大改善了上述问题，丰富了教学内容，拓展了学生的思维广度与深度。

1 “植物物种多样性的调查”虚拟仿真实验的框架

针对“植物物种多样性的调查”在教学中存在的上述问题，笔者运用C语言和数据库等技术，制作了虚拟仿真模拟系统，包含“森林生态系统中的物种多样性的调查”和“荒漠生态系统中的物种多样性的调查”两个模块，每个模块下设有“生物群落多样性调查记录表”和“数据汇总表”两个页面。其中前者又包含三个内容，分别是“某草本植物入侵前”“入侵后”和“入侵前后比较”，框架如图1所示。每个模块内还加载了柱状图进行数据的比较。学生可通过PC端或智能终端设备进入系统，在问题的指引下，进入不同的模块开展学习，系统PC端的主界面如图2所示。

2 “植物物种多样性的调查”虚拟仿真实验在教学中的应用

2.1 森林生态系统中植物物种多样性的调查

打开主界面，是上海市某森林公园生态系统的整体描述：“以水杉为优势种的森林生态系统，乔木层主要有水杉、马尾松、侧柏和旱柳，灌木层以海桐为主，草本层主要以高羊茅为主，有明显的凋落物层，土壤类型为棕色土。”在这个模块中，设置了10 m×10 m、4m×4m、1m×1m、0.1 m×0.1 m四种面积不同的样方，分别对乔木、灌木、草本和苔藓进行取样调查，学生可以拖拽不同的样方框进行取样，屏幕一角会出现样方中对应植物的数量，样方旁边会出现反应物种多样性的辛普森多样性指数。

设计意图：通过上述模块的操练，学生能够熟悉样方法基本的操作步骤，对区域内植物展开随机取样调查，虚拟仿真系统可以自动进行数据获取、计算和统计自动生成，学生可以基于数据比较不同物种的种群密度，阐释种群的相关特征。

2.2 外来物种入侵森林系统后的植物物种多样性的调查

当某外来草本植物入侵后，植物物种多样性会发生什么变化？学生可以进入“物种入侵”模块，采用相同的方式进行调查，调查记录表和数据汇总表也会同时生成。

设计意图：由于植物的生长周期一般长达数月甚至数年，传统的板书、挂图、文档等手段在表示外来物种入侵对于本地植物物种多样性的影响方面缺乏真实性、连贯性、交互性。虚拟仿真技术的模拟使学生只需进入不同的界面环境即可跨越时间界限，形象直观地了解物种入侵带来的影响。

2.3 入侵前后植物物种多样性的比较

在完成外来物种入侵后的多样性的调查后，系统会生成入侵前后的对比柱状图，可以看出辛普森多样性指数比入侵前都发生了下降，如图3所示。教师提问：外来物种应该增加本地的物种多样性，但是却产生了下降，这种改变是什么原因导致的？学生思考入侵物种与其他植物间的关系，分析可能的原因。

设计意图：由数据生成的结果能够激发学生的探究思维，促进其运用出生率和死亡率、迁入率和迁出率等种群特征的知识对问题进行解答，为后续学习群落及生态系统打下基础。

学生点击进入物种“均匀度”和“丰富度”的数据界面，如图4所示。教师提问：为何物种没有以前丰富？均匀度可能会发生什么变化？它们是如何影响物种的多样性的？学生分小组对数据展开讨论，深刻理解物种多样性与均匀度、丰富度的关系。

2.4 荒漠生态系统中植物物种多样性的调查

第二个模块由问题引出：“治沙造林一直以来是我国政府坚持的政策，为什么要这样做？这样做对于物种多样性会产生什么影响？”学生也会好奇荒漠里的植物种群具有什么特征，接着进入“新疆某戈壁滩上的荒漠生态系统”进行样方调查，如图5所示。具体的操作同森林生态系统。

设计意图：学生知道荒漠地区贫瘠，但如何通过分析数据得出物种数量上的差异，获取定量认知？这个模块的操作会让学生有深人体会，同时能帮助其理解“绿水青山就是金山银山”的含义，对国家的荒漠化防治政策有所了解，形成生态意识，培养社会责任。

3 反思与展望

3.1 选择适宜的内容进行开发

生物学是一门依赖于观察、实验、调查等探究方法逐步构建的学科，研究动物、植物和微生物的生命物质的结构和功能、它们各自发生和发展的规律、生物之间和生物与环境之间的相互关系。真实的实验操作对于学生认识生命、发现生命规律是十分必要的。虚拟仿真并非将所有的实验内容都进行转化，要遵循“能实不虚、提升实效”的原则，借助虚拟仿真技术，使学生从核心素养的培育角度真正获益。

3.2 应以新课标的对应要求为设计依据

《课程标准》是规范国家课程实施与发展的纲领性文件，是编写教材、实施教学、评估学生学业质量和教师教学质量的依据。教师分析解读《课程标准》中的相关内容，把握教学内容之间的关系，对于开发虚拟仿真教学资源具有指导意义。教师在设计虚拟仿真教学内容时，可以关注大概念、大单元、跨学科等内容，与《课程标准》的要求保持高度一致。

3.3 注意虚拟仿真互动效果的呈现

虚拟仿真技术以其独特的优势为学生提供亲临其境的学习体验。让学生在体验中经过质疑、探索、转化、创造，提升对真实世界的认知体验、具体经验和主动实践的能力。