漁業(yè)物種和種群判別虛擬仿真實驗設(shè)計

方舟　劉必林　胡松

【摘要】針對漁業(yè)資源生物學(xué)課程中物種和種群判別教學(xué)存在的問題，以頭足類為研究對象，設(shè)計了基于角質(zhì)顎的物種和種群判別虛擬仿真實驗內(nèi)容。通過實現(xiàn)頭足類角質(zhì)顎的圖像化、測量和地標(biāo)點等步驟的虛擬仿真過程，加深課程教學(xué)的直觀感和可視化過程，并通過增加軟件分析過程，使得學(xué)生充分理解物種和種群判別的步驟和過程，熟練掌握分析步驟和分析過程中應(yīng)注意的點，能夠極大地提升學(xué)生在漁業(yè)生物學(xué)領(lǐng)域處理問題的能力。

【關(guān)鍵詞】物種? 種群? 判別? 虛擬仿真? 實驗設(shè)計

【Abstract】Aiming at the problems existing in the teaching of species and population discrimination in fishery resources biology， a virtual simulation experiment of species and population discrimination based on horny jaw was designed with cephalopods as the research object. Through the realization of the virtual simulation process of cephalopod horny jaw， such as visualization， measurement and landmark， the intuitive sense and visual process of course teaching are deepened. By adding software analysis process， students can fully understand the steps and processes of species and population discrimination， and master the analysis steps and points that should be paid attention to in the analysis process， which can greatly improve the students ability in fishery. The ability to deal with problems in the field of physics.

【Keywords】species; population; discrimination; virtual simulation; experimental design

【基金項目】上海海洋大學(xué)一流本科實踐教學(xué)平臺建設(shè)項目（A1-2023-18-0003）。

【中圖分類號】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）08-0094-03

海洋漁業(yè)資源一直以來都是國家重要的藍(lán)色糧倉和戰(zhàn)略性資源。我國有著極為豐富的海洋漁業(yè)物種，經(jīng)濟(jì)性漁業(yè)種類也多達(dá)上百種[1]。因此，了解海洋生物的多樣性，準(zhǔn)確劃分漁業(yè)種類，也是在新農(nóng)科教育背景下的基本任務(wù)。對海洋漁業(yè)物種的正確掌握，有助于我們更好地了解海洋生物多樣性，并為海洋物種保護(hù)和管理提供依據(jù)。

漁業(yè)資源生物學(xué)是生物學(xué)科的一個分支。主要目的是讓學(xué)生能夠掌握和了解開展魚類生物學(xué)特性以及漁業(yè)資源調(diào)查與研究的基本方法，了解我國近海和世界主要海洋漁業(yè)資源的分布狀況，也是國家特色專業(yè)海洋漁業(yè)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)必修專業(yè)基礎(chǔ)課之一[1]。種群是生物群落和生態(tài)系的基本結(jié)構(gòu)單元，同時也是漁業(yè)資源開發(fā)和管理的具體單元，因此，只有了解魚類種群結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，才能為漁業(yè)資源可持續(xù)利用和科學(xué)管理提供依據(jù)[2-4]。該部分不僅是漁業(yè)資源生物學(xué)的基礎(chǔ)內(nèi)容，也是“漁業(yè)海洋學(xué)”“魚類硬組織信息分析”“人工智能在漁業(yè)中的應(yīng)用”等課程的重要教學(xué)內(nèi)容之一。

種群的定義是特定時間內(nèi)占據(jù)特定空間的同種有機(jī)體的集合群[1]。根據(jù)定義可以發(fā)現(xiàn)，要確定種群，時間、空間、同種物種三者條件缺一不可。但是由于海上條件的限制性和隨機(jī)性，我們往往無法讓學(xué)生能通過實習(xí)等方式更好地了解到種群的具體概念。而如果完全依賴課程中的理論教學(xué)，也無法使學(xué)生真正掌握種群的鑒定方法和步驟[4]。AI模擬技術(shù)在近些年不斷興起[4]，同時也帶動了其在教學(xué)上的應(yīng)用[5-6]。虛擬仿真實驗教學(xué)作為最重要的應(yīng)用實現(xiàn)方式，能夠有效地作為教師教學(xué)的輔助工具，全面展示種群劃分的方法和步驟，同時為學(xué)生學(xué)習(xí)提供更為實際的真實的場景，幫助提高學(xué)生的主動學(xué)習(xí)積極性以及自主創(chuàng)新能力。

1.實驗設(shè)計目的和意義

水產(chǎn)科學(xué)基本理論知識是海洋漁業(yè)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)所必須掌握的內(nèi)容之一，漁業(yè)資源生物學(xué)更是其中的必修課。種群劃分步驟和方式是漁業(yè)資源生物學(xué)課程中的基礎(chǔ)和重點，因此種類識別和種群判定虛擬仿真實驗的設(shè)計目的主要是針對現(xiàn)有實驗課中完善和補(bǔ)充需求，同時對傳統(tǒng)理論教學(xué)進(jìn)行更為生動的講解。結(jié)合漁業(yè)學(xué)科理論和實踐結(jié)合的特點，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建接近真實的實驗室環(huán)境和實驗種類對象，可以更好地讓學(xué)生自主開展虛擬實驗，實現(xiàn)與仿真方式物化的虛擬交互[5-6]，通過可重復(fù)性的虛擬實驗，充分理解和掌握種類識別和種群劃分方法的實驗步驟、所用到的工具，數(shù)據(jù)分析步驟、所需注意的細(xì)節(jié)、不同方法分析結(jié)果的差異和解讀等專業(yè)知識，極大地促使學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、探索研究的過程，可重復(fù)體會和領(lǐng)悟?qū)嶒炦^程[6]。

本設(shè)計以重要經(jīng)濟(jì)性漁業(yè)種類頭足類的硬組織——角質(zhì)顎為研究對象。角質(zhì)顎種類識別與種群判定虛擬仿真系統(tǒng)是運用3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)、現(xiàn)代三維圖形圖像技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、立體顯示技術(shù)、特種視效技術(shù)，把枯燥的書本講解變成鮮活的模型，它以最新的虛擬現(xiàn)實信息技術(shù)為依托，以3D交互體驗、互動性為手段，讓學(xué)生對實驗有更直觀的了解，提高學(xué)生的觀察能力、分析能力、獨立思考和獨立解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生在科學(xué)工作中的嚴(yán)肅的態(tài)度、嚴(yán)格的要求、嚴(yán)密的方法和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)。

2.實驗主要功能模塊

虛擬仿真實驗的主界面即為分區(qū)域的界面形式。屏幕左側(cè)顯示為虛擬仿真實驗中主要設(shè)計的四個模塊。第一模塊為實驗?zāi)康呐c意義，旨在告訴學(xué)生本實驗的主要目的、意義，了解實驗的背景和應(yīng)用。第二模塊為實驗原理，意在告知學(xué)生本實驗分析所依據(jù)的原理內(nèi)容。第三模塊為開始實驗，此部分為虛擬仿真實驗的主體內(nèi)容，所有實驗的主體步驟和操作過程均在此部分進(jìn)行，點擊即可進(jìn)入實驗操作模塊。最后一部分為課后鞏固練習(xí)。習(xí)題由教師針對操作過程中的重點和難點進(jìn)行精心設(shè)計，能夠有效地針對學(xué)生面對的主要問題進(jìn)行正確的解釋。

在進(jìn)入虛擬仿真實驗主體內(nèi)容后，主要劃分為練習(xí)模式和考核模式兩部分。練習(xí)模式中，針對各個環(huán)節(jié)步驟均有詳細(xì)介紹和文字提醒，包括所涉及的實驗材料、實驗方法及實驗內(nèi)容，能夠很好地讓學(xué)生全面詳細(xì)地了解實驗流程，掌握實驗步驟的同時，更注重專業(yè)知識的融入及注意事項提示?？己四Ｊ街饕疾閷W(xué)生的學(xué)習(xí)效果，須完全依據(jù)學(xué)生自主學(xué)習(xí)情況，對每一個步驟進(jìn)行準(zhǔn)確操作（圖1）。兩種模式中均以傳統(tǒng)測量法和地標(biāo)點法作為基礎(chǔ)，針對不同需求的方法進(jìn)行了全面的介紹，全面地還原了種類識別和種群劃分的全部流程。

以練習(xí)模式為例，首先需要學(xué)生學(xué)習(xí)如何從頭足類中取出角質(zhì)顎這一硬組織，所包含的知識即為角質(zhì)顎所處的位置，提取過程的主要步驟（圖2）。接著需要將角質(zhì)顎進(jìn)行一系列的清理，保證外部清潔。隨后需要將角質(zhì)顎進(jìn)行拍照，保存影像圖片，以便后續(xù)進(jìn)行地標(biāo)點處理（圖3）。對于已拍攝完畢的照片，需要角質(zhì)顎圖片的大小進(jìn)行控制（圖4）。角質(zhì)顎的上顎和下顎均重復(fù)上述步驟。

接下來選擇不同的分析目的和方法，分別為種類識別或者種群判定（圖5）。種類識別中，以四種不同種類的蛸類為例，通過不同的研究方法，分析角質(zhì)顎形態(tài)的差異，最終通過建立判別函數(shù)，比較判別正確率來解釋不同方法的結(jié)果。

上述各個步驟均能很好地說明角質(zhì)顎種類識別和種群判別的所有流程，通過虛擬實物和模擬步驟讓學(xué)生體驗和學(xué)習(xí)種類和種群判定的主要流程及注意事項，從而為今后在實際應(yīng)用中能夠獨立、完整地完成整個流程，乃至進(jìn)行科學(xué)研究打下堅實的基礎(chǔ)。

3.結(jié)語

我國目前有著全球最高的海洋捕撈產(chǎn)量，開拓了近海各海域及全球公海的遠(yuǎn)洋漁場。漁獲物的種類鑒別，是漁獲物準(zhǔn)確統(tǒng)計的基礎(chǔ)之一。而種群的正確劃分，更是漁業(yè)資源評估的重要前提之一，對后續(xù)漁業(yè)資源可持續(xù)利用有著極其重要的意義[7-9]。然而，許多漁業(yè)種類有著極為相似的外形，肉眼極難區(qū)分，而同一時空環(huán)境下的種群物種更是無法辨別，理論課程與實驗課的講授時間也有限，這給以海洋漁業(yè)科學(xué)與技術(shù)為主的漁業(yè)方向?qū)W生的學(xué)習(xí)帶來諸多困難。在漁業(yè)資源生物學(xué)相關(guān)教學(xué)中融入虛擬仿真技術(shù)，可利用可視化的互動界面，使得學(xué)生能夠改變其學(xué)習(xí)模式，真正將線下課堂理論和實驗教學(xué)與線上虛擬仿真教學(xué)做到有機(jī)結(jié)合，通過虛擬仿真實驗教學(xué)式引導(dǎo)，鞏固上課所學(xué)知識，反復(fù)練習(xí)具體的技能操作步驟 [10-11]，這種方式更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也為希望從事相關(guān)行業(yè)工作的學(xué)生提供實際的鍛煉[12]，能夠全方位提升漁業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量和效率。

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作者簡介：

方舟（1988年-），男，博士，講師。

胡松（1978年-），男，安徽祁門人，上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院副院長，分管本科教學(xué)工作。