虛擬仿真技術(shù)在“植物物種多樣性的調(diào)查”中的應(yīng)用

摘要：運(yùn)用樣方法調(diào)查某種植物的種群密度是理解種群特征的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之一。本文針對(duì)辨認(rèn)植物特征耗費(fèi)精力、有限的綠化面積有礙于隨機(jī)取樣、無法即時(shí)觀察入侵物種的影響等實(shí)際問題，開發(fā)了虛擬仿真“植物物種多樣性的調(diào)查”的教學(xué)系統(tǒng)。實(shí)踐表明，該虛擬仿真系統(tǒng)簡化了樣方計(jì)數(shù)的繁瑣過程，激發(fā)了學(xué)生的探究興趣，有利于學(xué)生對(duì)影響植物物種多樣性的因素展開的深度思考，從而提高了教學(xué)效率，使學(xué)習(xí)內(nèi)容更加直觀、生動(dòng)。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；植物物種多樣性；種群密度；樣方法；外來物種入侵

文章編號(hào)：1003-7586（2024）04-0055-03 中圖分類號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）在選擇性必修課程模塊2“生物與環(huán)境”的次位概念要求學(xué)生能“列舉種群具有種群密度等特征”。學(xué)業(yè)要求建議學(xué)生能“舉例說明不同類型群落的結(jié)構(gòu)、特征”。為幫助學(xué)生達(dá)成上述要求，強(qiáng)化對(duì)生命系統(tǒng)與環(huán)境關(guān)系的認(rèn)識(shí)，人教版、浙科版、北師大版普通高中教科書《生物學(xué)·必修2·遺傳與進(jìn)化》（以下簡稱“教材”）中均安排了用樣方法調(diào)查某種植物的種群密度的實(shí)驗(yàn)或活動(dòng)，滬科版教材也對(duì)樣方法的運(yùn)用進(jìn)行了詳細(xì)說明。但在實(shí)際教學(xué)實(shí)踐中，常存在以下問題：需要花費(fèi)精力熟悉植物的鑒別特征；校園草坪多為人工種植，種類單一，不能體現(xiàn)自然狀態(tài)下物種的多樣性；學(xué)校綠化面積有限，難以實(shí)現(xiàn)隨機(jī)取樣；受季節(jié)影響，枯枝敗葉易對(duì)計(jì)數(shù)形成干擾；不易進(jìn)行不同生態(tài)系統(tǒng)中植物物種多樣性的比較觀測(cè)；不能直觀判斷外來物種入侵對(duì)某物種種群密度的影響等。這些問題影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)種群的影響因素、群落和生態(tài)系統(tǒng)等造成了阻礙，同時(shí)也成為教師亟待解決的教學(xué)難點(diǎn)?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》在教學(xué)建議中指出：“教師可以采用生物材料設(shè)計(jì)和開展實(shí)驗(yàn)，也可以利用電子設(shè)備設(shè)計(jì)、完成模擬性實(shí)驗(yàn)；有條件的學(xué)校還可以充分利用多媒體、互聯(lián)網(wǎng)及無線通信技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)”。虛擬仿真借助圖形、圖像、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)創(chuàng)建一個(gè)可視化虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，以人機(jī)交互的方式，使學(xué)生可以運(yùn)用各種虛擬機(jī)械設(shè)備對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行虛擬操作，為原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供重要補(bǔ)充和拓展?；谔摂M仿真技術(shù)開發(fā)的“植物物種多樣性的調(diào)查”系統(tǒng)極大改善了上述問題，豐富了教學(xué)內(nèi)容，拓展了學(xué)生的思維廣度與深度。

1 “植物物種多樣性的調(diào)查”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的框架

針對(duì)“植物物種多樣性的調(diào)查”在教學(xué)中存在的上述問題，筆者運(yùn)用C語言和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，制作了虛擬仿真模擬系統(tǒng)，包含“森林生態(tài)系統(tǒng)中的物種多樣性的調(diào)查”和“荒漠生態(tài)系統(tǒng)中的物種多樣性的調(diào)查”兩個(gè)模塊，每個(gè)模塊下設(shè)有“生物群落多樣性調(diào)查記錄表”和“數(shù)據(jù)匯總表”兩個(gè)頁面。其中前者又包含三個(gè)內(nèi)容，分別是“某草本植物入侵前”“入侵后”和“入侵前后比較”，框架如圖1所示。每個(gè)模塊內(nèi)還加載了柱狀圖進(jìn)行數(shù)據(jù)的比較。學(xué)生可通過PC端或智能終端設(shè)備進(jìn)入系統(tǒng)，在問題的指引下，進(jìn)入不同的模塊開展學(xué)習(xí)，系統(tǒng)PC端的主界面如圖2所示。

2 “植物物種多樣性的調(diào)查”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 森林生態(tài)系統(tǒng)中植物物種多樣性的調(diào)查

打開主界面，是上海市某森林公園生態(tài)系統(tǒng)的整體描述：“以水杉為優(yōu)勢(shì)種的森林生態(tài)系統(tǒng)，喬木層主要有水杉、馬尾松、側(cè)柏和旱柳，灌木層以海桐為主，草本層主要以高羊茅為主，有明顯的凋落物層，土壤類型為棕色土?！痹谶@個(gè)模塊中，設(shè)置了10 m×10 m、4m×4m、1m×1m、0.1 m×0.1 m四種面積不同的樣方，分別對(duì)喬木、灌木、草本和苔蘚進(jìn)行取樣調(diào)查，學(xué)生可以拖拽不同的樣方框進(jìn)行取樣，屏幕一角會(huì)出現(xiàn)樣方中對(duì)應(yīng)植物的數(shù)量，樣方旁邊會(huì)出現(xiàn)反應(yīng)物種多樣性的辛普森多樣性指數(shù)。

設(shè)計(jì)意圖：通過上述模塊的操練，學(xué)生能夠熟悉樣方法基本的操作步驟，對(duì)區(qū)域內(nèi)植物展開隨機(jī)取樣調(diào)查，虛擬仿真系統(tǒng)可以自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取、計(jì)算和統(tǒng)計(jì)自動(dòng)生成，學(xué)生可以基于數(shù)據(jù)比較不同物種的種群密度，闡釋種群的相關(guān)特征。

2.2 外來物種入侵森林系統(tǒng)后的植物物種多樣性的調(diào)查

當(dāng)某外來草本植物入侵后，植物物種多樣性會(huì)發(fā)生什么變化？學(xué)生可以進(jìn)入“物種入侵”模塊，采用相同的方式進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查記錄表和數(shù)據(jù)匯總表也會(huì)同時(shí)生成。

設(shè)計(jì)意圖：由于植物的生長周期一般長達(dá)數(shù)月甚至數(shù)年，傳統(tǒng)的板書、掛圖、文檔等手段在表示外來物種入侵對(duì)于本地植物物種多樣性的影響方面缺乏真實(shí)性、連貫性、交互性。虛擬仿真技術(shù)的模擬使學(xué)生只需進(jìn)入不同的界面環(huán)境即可跨越時(shí)間界限，形象直觀地了解物種入侵帶來的影響。

2.3 入侵前后植物物種多樣性的比較

在完成外來物種入侵后的多樣性的調(diào)查后，系統(tǒng)會(huì)生成入侵前后的對(duì)比柱狀圖，可以看出辛普森多樣性指數(shù)比入侵前都發(fā)生了下降，如圖3所示。教師提問：外來物種應(yīng)該增加本地的物種多樣性，但是卻產(chǎn)生了下降，這種改變是什么原因?qū)е碌模繉W(xué)生思考入侵物種與其他植物間的關(guān)系，分析可能的原因。

設(shè)計(jì)意圖：由數(shù)據(jù)生成的結(jié)果能夠激發(fā)學(xué)生的探究思維，促進(jìn)其運(yùn)用出生率和死亡率、遷入率和遷出率等種群特征的知識(shí)對(duì)問題進(jìn)行解答，為后續(xù)學(xué)習(xí)群落及生態(tài)系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

學(xué)生點(diǎn)擊進(jìn)入物種“均勻度”和“豐富度”的數(shù)據(jù)界面，如圖4所示。教師提問：為何物種沒有以前豐富？均勻度可能會(huì)發(fā)生什么變化？它們是如何影響物種的多樣性的？學(xué)生分小組對(duì)數(shù)據(jù)展開討論，深刻理解物種多樣性與均勻度、豐富度的關(guān)系。

2.4 荒漠生態(tài)系統(tǒng)中植物物種多樣性的調(diào)查

第二個(gè)模塊由問題引出：“治沙造林一直以來是我國政府堅(jiān)持的政策，為什么要這樣做？這樣做對(duì)于物種多樣性會(huì)產(chǎn)生什么影響？”學(xué)生也會(huì)好奇荒漠里的植物種群具有什么特征，接著進(jìn)入“新疆某戈壁灘上的荒漠生態(tài)系統(tǒng)”進(jìn)行樣方調(diào)查，如圖5所示。具體的操作同森林生態(tài)系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生知道荒漠地區(qū)貧瘠，但如何通過分析數(shù)據(jù)得出物種數(shù)量上的差異，獲取定量認(rèn)知？這個(gè)模塊的操作會(huì)讓學(xué)生有深人體會(huì)，同時(shí)能幫助其理解“綠水青山就是金山銀山”的含義，對(duì)國家的荒漠化防治政策有所了解，形成生態(tài)意識(shí)，培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任。

3 反思與展望

3.1 選擇適宜的內(nèi)容進(jìn)行開發(fā)

生物學(xué)是一門依賴于觀察、實(shí)驗(yàn)、調(diào)查等探究方法逐步構(gòu)建的學(xué)科，研究動(dòng)物、植物和微生物的生命物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能、它們各自發(fā)生和發(fā)展的規(guī)律、生物之間和生物與環(huán)境之間的相互關(guān)系。真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作對(duì)于學(xué)生認(rèn)識(shí)生命、發(fā)現(xiàn)生命規(guī)律是十分必要的。虛擬仿真并非將所有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都進(jìn)行轉(zhuǎn)化，要遵循“能實(shí)不虛、提升實(shí)效”的原則，借助虛擬仿真技術(shù)，使學(xué)生從核心素養(yǎng)的培育角度真正獲益。

3.2 應(yīng)以新課標(biāo)的對(duì)應(yīng)要求為設(shè)計(jì)依據(jù)

《課程標(biāo)準(zhǔn)》是規(guī)范國家課程實(shí)施與發(fā)展的綱領(lǐng)性文件，是編寫教材、實(shí)施教學(xué)、評(píng)估學(xué)生學(xué)業(yè)質(zhì)量和教師教學(xué)質(zhì)量的依據(jù)。教師分析解讀《課程標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)內(nèi)容，把握教學(xué)內(nèi)容之間的關(guān)系，對(duì)于開發(fā)虛擬仿真教學(xué)資源具有指導(dǎo)意義。教師在設(shè)計(jì)虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容時(shí)，可以關(guān)注大概念、大單元、跨學(xué)科等內(nèi)容，與《課程標(biāo)準(zhǔn)》的要求保持高度一致。

3.3 注意虛擬仿真互動(dòng)效果的呈現(xiàn)

虛擬仿真技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)為學(xué)生提供親臨其境的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。讓學(xué)生在體驗(yàn)中經(jīng)過質(zhì)疑、探索、轉(zhuǎn)化、創(chuàng)造，提升對(duì)真實(shí)世界的認(rèn)知體驗(yàn)、具體經(jīng)驗(yàn)和主動(dòng)實(shí)踐的能力。