玉帶鳳蝶人工飼養(yǎng)虛擬仿真實驗項目建設

肖煒 宋艷琦 張懿

[摘 要] 為提升普通昆蟲學實踐教學效果，提出玉帶鳳蝶人工飼養(yǎng)虛擬仿真實驗教學項目建設方案。基于林業(yè)高等院校森林保護專業(yè)在“普通昆蟲學”課程中昆蟲生物學實驗的開展，運用玉帶鳳蝶人工飼養(yǎng)昆蟲虛擬發(fā)育實驗，實現(xiàn)常規(guī)實驗不能完成的任務。該項目建設包括資源建設、流程建設、內容建設、平臺建設和共享服務建設，充分發(fā)揮虛擬仿真實驗在普通昆蟲學教學中的作用，使學生能夠系統(tǒng)全面地掌握昆蟲的世代、年生活史、習性等相關知識，培養(yǎng)學生獨立思考、獨立操作、解決問題的能力，可為后續(xù)專業(yè)課程的學習打下堅實的基礎。

[關鍵詞] 玉帶鳳蝶;虛擬仿真實驗;人工飼養(yǎng);實驗項目建設

[基金項目] 中南林業(yè)科技大學校級虛擬仿真實驗項目（2020培育）;湖南省普通高校重點實驗室昆蟲系統(tǒng)進化與綜合管理實驗室（010211）平臺項目73402-14180946資助

[作者簡介] 肖 煒（1975—），男，湖南新寧人，碩士，中南林業(yè)科技大學昆蟲系統(tǒng)與綜合管理實驗室實驗師（通信作者），主要從事森林保護學昆蟲學研究。

[中圖分類號] G642.0? ? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）19-0022-04? ?[收稿日期] 2020-12-02

一、實驗項目建設背景

隨著現(xiàn)代信息技術的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)昆蟲學教學模式的局限性顯得越來越突出，已經不能滿足教學需求。為了解決這個問題，虛擬仿真技術逐步被引入各高校實驗教學當中[1]。林業(yè)高等院校森林保護專業(yè)主干課程中“普通昆蟲學”是專業(yè)基礎課，涉及昆蟲形態(tài)學、昆蟲生物學等方面，課程由理論教學和實踐教學兩部分組成，特別是實驗教學是非常重要的環(huán)節(jié)，它不僅能使學生更好地鞏固理論教學知識，同時能使其掌握操作技能，提高分析問題、解決問題的能力。

玉帶鳳蝶（Papilio Palytes Linnaeus）是我國南方柑橘的主要害蟲之一，其幼蟲咬食柑橘嫩芽、幼葉[2，3]，易于人工飼養(yǎng)，但飼養(yǎng)周期長，在當前的普通昆蟲實驗教學中不易實現(xiàn)，因而限制了教學效果。因此，我們開發(fā)了玉帶鳳蝶人工飼養(yǎng)虛擬仿真實驗教學項目，以中南林業(yè)科技大學虛擬仿真實驗中心為依托，以林業(yè)害蟲玉帶鳳蝶（Papilio Palytes Linnaeus）為實驗對象，建設了虛擬喂養(yǎng)、動態(tài)觀察和發(fā)育控制的混合式教學模式，實現(xiàn)了“大尺度實驗微縮化”，完成傳統(tǒng)實驗不可能完成的實驗內容，使各個知識點無縫銜接，學生掌握的知識結構與專業(yè)技能更加完整，進而達到真實實驗不具備或難以實現(xiàn)的教學效果[4，5]。

二、實驗項目建設方案

玉帶鳳蝶人工飼養(yǎng)虛擬仿真實驗教學項目的教學對象是林業(yè)高等院校森林保護專業(yè)的二年級學生，學生已經完成了基礎課程，進入專業(yè)課程學習當中，其中“普通昆蟲學”為主干課程。該項目綜合運用虛擬仿真現(xiàn)代教育技術，通過玉帶鳳蝶人工飼養(yǎng)虛擬仿真實驗教學，使學生掌握昆蟲的年生活史、習性等相關知識[6，7]，有效解決了昆蟲飼養(yǎng)在普通昆蟲學實驗教學中不易實現(xiàn)、限制了教學效果的難題。玉帶鳳蝶人工飼養(yǎng)虛擬仿真實驗項目建設方案主要包括：實驗資源建設、實驗流程建設、實驗內容建設、實驗平臺建設及實驗共享服務建設等五個方面（見圖1）。

三、實驗項目建設實踐

（一）建立了虛擬喂養(yǎng)、動態(tài)觀察和發(fā)育控制的混合式教學模式

針對玉帶鳳蝶人工飼養(yǎng)耗費時間長、難以觀察等問題，結合“普通昆蟲學”教學大綱，我們建立了虛擬喂養(yǎng)、動態(tài)觀察和發(fā)育控制的混合式教學模式，該教學模式包括虛擬喂養(yǎng)、動態(tài)觀察和發(fā)育控制三個基本功能。發(fā)育控制為考查學生對“普通昆蟲學”課程“有效積溫”“滯育”等基礎知識點的掌握;而虛擬喂養(yǎng)、動態(tài)觀察可以促進學生對“蛻皮”“羽化”等知識點的理解[8，9]，混合式教學模式可以培養(yǎng)學生自主學習、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，提升綜合素質。

（二）實驗項目教學資源和教學內容建設

玉帶鳳蝶人工飼養(yǎng)虛擬仿真實驗項目的教學資源，例如課程簡介、教學大綱、指導手冊等，已成熟并在教學過程中得到實際應用。學生通過虛擬實驗預習，可以先行了解課程簡介、教學大綱、操作指導手冊等，通過觀看平臺實驗操作視頻及實驗內容介紹，使學生在課前對整個虛擬喂養(yǎng)實驗有系統(tǒng)、全面的了解。

實驗教學內容主要有虛擬喂養(yǎng)、動態(tài)觀察和發(fā)育控制三個內容，“虛擬喂養(yǎng)”包括天然植物喂養(yǎng)和人工飼料喂養(yǎng);“動態(tài)觀察”包括幼蟲蛻皮過程、化蛹過程、羽化成蟲過程和交配過程等方面;“發(fā)育控制”包括卵的發(fā)育控制、幼蟲的滯育控制等。實驗參數(shù)設置可預設，也可由學生自主設置，可進行人機對話和虛擬操作，動態(tài)展示了玉帶鳳蝶人工飼養(yǎng)條件下的發(fā)育全過程。

（三）實驗項目教學流程

學生可通過智能手機、平板及電腦等客戶端登錄玉帶鳳蝶人工飼養(yǎng)虛擬仿真實驗項目平臺進行實驗預習，了解和熟悉實驗簡介、實驗目的與原理及實驗內容。按照教學流程框架依次開展本項虛擬仿真實驗，教學流程框架如圖2所示。

在預習之后，學生進入教學與操作部分，教學與操作為虛擬實驗的重點部分，根據玉帶鳳蝶的生活史，我們設置了“卵”“幼蟲”“蛹”和“成蟲”四個基本模塊。根據昆蟲的發(fā)育，玉帶鳳蝶人工飼養(yǎng)仿真實驗從“卵”開始。首先要求學生觀察卵的形態(tài)特征，并通過點擊“參數(shù)設置”，輸入玉帶鳳蝶卵的發(fā)育最佳參數(shù)，包括溫度、濕度和光照等，當實驗參數(shù)正確時，“卵”開始進行虛擬孵化，學生可以動態(tài)觀察到整個虛擬孵化過程。

進入“幼蟲”模塊，當孵化出第一齡幼蟲后，要求學生在眾多的植物種類中選擇正確的玉帶鳳蝶寄主植物，選擇正確后，第一齡幼蟲開始虛擬取食、生長。當一齡幼蟲生長期結束時，開始進行虛擬蛻皮，學生可以動態(tài)觀察到整個虛擬蛻皮過程。蛻皮完成后進入幼蟲第二齡，第二齡幼蟲食量開始增加，同時可以要求學生人工合成玉帶鳳蝶的人工飼料[9]，進行人工飼料虛擬喂養(yǎng)，并同天然植物喂養(yǎng)進行比較。當二齡幼蟲蛻皮后進入第三齡幼蟲，要求學生比較玉帶鳳蝶幼蟲體色、體形的變化。當蛻皮后進入第四齡幼蟲，要求學生進行“滯育”觀察，輸入玉帶鳳蝶發(fā)育的參數(shù)，包括溫度、濕度和光照等，當實驗參數(shù)正確時，玉帶鳳蝶第四齡幼蟲進入虛擬“滯育”。當“滯育”結束蛻皮后進入第五齡幼蟲，要求學生進行老熟幼蟲形態(tài)觀察，并與一至四齡幼蟲進行比較，當鼠標點擊老熟幼蟲頭部時，要求學生觀察老熟幼蟲的“臭角防衛(wèi)”習性。