動(dòng)物繁殖實(shí)驗(yàn)中VR技術(shù)的應(yīng)用

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摘要：動(dòng)物繁殖學(xué)是動(dòng)物科學(xué)專(zhuān)業(yè)中重要的專(zhuān)業(yè)課之一，而動(dòng)物繁殖實(shí)驗(yàn)是將理論轉(zhuǎn)化為實(shí)際的重要手段。從目前我國(guó)的動(dòng)物繁殖學(xué)教學(xué)來(lái)說(shuō)，所采用的動(dòng)物繁殖學(xué)的教學(xué)方法十分單一，影響了教學(xué)質(zhì)量，利用VR技術(shù)與3D模型構(gòu)造技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)中動(dòng)物的3D模型進(jìn)行還原，通過(guò)與課本中圖片的互動(dòng)，提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù)；動(dòng)物繁殖實(shí)驗(yàn)；仿真教學(xué)

1動(dòng)物繁殖試驗(yàn)的現(xiàn)狀

動(dòng)物繁殖學(xué)是動(dòng)物科學(xué)專(zhuān)業(yè)課程之一，目前所采用的動(dòng)物繁殖學(xué)的教學(xué)方法較為單一，基本上是依賴(lài)?yán)碚摶慕虒W(xué)及相關(guān)圖片來(lái)進(jìn)行動(dòng)物結(jié)構(gòu)的介紹。部分高校的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)主要是由老師進(jìn)行標(biāo)本講解或活體動(dòng)物的解剖，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程觀摩。或者由老師先準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)所需的樣品，然后將實(shí)驗(yàn)步驟安排好，再讓學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行操作。學(xué)生在接受知識(shí)時(shí)較為抽象，對(duì)所講解的知識(shí)的具體細(xì)節(jié)沒(méi)有具象化的概念，理解較為困難，而難以實(shí)現(xiàn)多次、反復(fù)進(jìn)行統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)來(lái)鞏固理解與印象，無(wú)法加深知識(shí)點(diǎn)的記憶，達(dá)不到培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的目的。需要進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的通常要設(shè)置對(duì)照組，對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的要求更大。如果不能反復(fù)進(jìn)行，則無(wú)法加深知識(shí)點(diǎn)的記憶，達(dá)不到培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的目的。動(dòng)物繁殖實(shí)驗(yàn)中使用到的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物大多選擇常見(jiàn)易得的動(dòng)物如雞、兔、鼠、羊等，稀有動(dòng)物與一些大型動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)只能通過(guò)視頻、教材的圖片、標(biāo)本等進(jìn)行講解。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中使用到的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物在生產(chǎn)、使用過(guò)程中，存在感染、繁殖病原體的可能以及向環(huán)境擴(kuò)散病原微生物的危險(xiǎn)，對(duì)人和環(huán)境造成生物安全危害，如布式病毒感染、流行性出血熱等，隨著生物安全的重視程度越來(lái)越高，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的生物安全也隨之得到極大的關(guān)注。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的飼養(yǎng)、繁育需要申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物生產(chǎn)許可證，使用實(shí)驗(yàn)動(dòng)物需要申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物使用許可證，才可保證實(shí)驗(yàn)的順利開(kāi)展。在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物解剖前要進(jìn)行檢疫與篩查，解剖后還要進(jìn)行無(wú)害化處理，增加了實(shí)驗(yàn)成本。

2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality）技術(shù)是20世紀(jì)80年代新崛起的一種綜合集成技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等，主要結(jié)合了多媒體技術(shù)與空間成像技術(shù)，能夠隨時(shí)隨地對(duì)特定的場(chǎng)景或者物體進(jìn)行最大限度還原，可以通過(guò)調(diào)整機(jī)器的方式來(lái)提高對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)參數(shù)。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠讓設(shè)計(jì)人員更方便地從不同的角度觀察、完善自己的作品，并且即使作品不滿(mǎn)意再次進(jìn)行修改的成本也非常小，極大地節(jié)約了資源。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用為線(xiàn)上教學(xué)帶來(lái)了巨大幫助。使用計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)出的虛擬仿真軟件能夠做到與真實(shí)實(shí)驗(yàn)室功能相同，使學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)打破時(shí)間與空間的制約，能夠多角度、多方面地觀察與進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3vr技術(shù)在動(dòng)物繁殖實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用

在教學(xué)過(guò)程中，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀摩的意義十分重大，但因?yàn)槲覈?guó)高校大多存在可用素材少、學(xué)生人數(shù)多、場(chǎng)地不夠容納太多人數(shù)等原因，無(wú)法讓每一位學(xué)生進(jìn)行實(shí)際操作。對(duì)于一些更加復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，學(xué)校想要提供條件就更加困難。這就讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中很難找正確的方法與預(yù)警，對(duì)學(xué)生掌握知識(shí)與技能造成了很大的阻礙。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)樣本進(jìn)行的無(wú)害化處理都是不小的開(kāi)銷(xiāo)。如果使用虛擬仿真系統(tǒng)，成本就只有開(kāi)發(fā)成本與中后期的一些維護(hù)成本，大大節(jié)約了教學(xué)開(kāi)支。也可以有效地解決實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的成本高，周期長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)廢棄物危害大等問(wèn)題。如果應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，可以讓很多難以進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)變得更加簡(jiǎn)單，學(xué)生能在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行更多、更詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)。

3.1提高理論知識(shí)的理解

將課堂中的圖片與教材上的圖示替換成AR卡片，讓學(xué)生可以用手機(jī)掃描獲取3D模型，從而更直觀地了解圖片中的信息，同時(shí)在制作AR卡片時(shí)可以嘗試將一些注釋與知識(shí)點(diǎn)一同放入卡片中，這樣一定程度上可以替代教材上的圖片進(jìn)行講解，更加直觀清晰，有助于知識(shí)的記憶與理解。

3.2補(bǔ)充傳統(tǒng)教學(xué)的不足

在動(dòng)物繁殖學(xué)實(shí)驗(yàn)中，需要對(duì)動(dòng)物的生殖器與生殖系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)地觀察，但小型動(dòng)物的生殖系統(tǒng)太小難以觀察，大型動(dòng)物則主要依靠塑化標(biāo)本進(jìn)行觀察，不夠全面。如果應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行解剖、觀察，會(huì)緩解不少的心理壓力，學(xué)習(xí)質(zhì)量更高。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以在更低成本的前提下，在更逼真的場(chǎng)景中進(jìn)行觀察，提升教學(xué)質(zhì)量。也可以將小型動(dòng)物的模型放大便于觀察，解除了儀器的才能觀察的限制。3.3加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果虛擬現(xiàn)實(shí)可以從技術(shù)層面解決實(shí)驗(yàn)的觀摩問(wèn)題，通過(guò)VR眼鏡和高清晰度的VR視頻錄制，學(xué)生可以用現(xiàn)場(chǎng)視角觀摩動(dòng)物解剖或手術(shù)過(guò)程。應(yīng)用VR技術(shù)，學(xué)生可以看到各種臟器的靜態(tài)圖變成了動(dòng)態(tài)的效果圖，每一次脈動(dòng)都清晰可見(jiàn)，效果更加逼真。如果在選擇某個(gè)臟器時(shí)能夠出現(xiàn)清晰詳細(xì)的注釋說(shuō)明，體驗(yàn)者將理解得更加透徹。也可以通過(guò)3D動(dòng)畫(huà)制作技術(shù)將一些不容易理解與觀察的微觀、容易出現(xiàn)危險(xiǎn)的實(shí)踐教學(xué)過(guò)程進(jìn)行展示，比如動(dòng)物繁殖課程中的精卵結(jié)合的過(guò)程，卵細(xì)胞的分裂與人工取精、人工授精的過(guò)程等。

4虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用于動(dòng)物繁殖學(xué)的意義

通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行的實(shí)際操作與動(dòng)態(tài)演示，能夠更好地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在講解中利用VR進(jìn)行實(shí)際操作，一方面可以吸引學(xué)生的注意力，另一方面可以將書(shū)本上的抽象內(nèi)容具象化。在動(dòng)物繁殖的過(guò)程中,如人工授精等實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)，普遍在1h以上，個(gè)別動(dòng)物甚至能達(dá)到4h以上。操作也較為困難、動(dòng)物本身還會(huì)帶來(lái)危險(xiǎn)。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),學(xué)生能夠隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不用等待動(dòng)物發(fā)情與交配的漫長(zhǎng)過(guò)程，也可以減少因動(dòng)物暴動(dòng)帶來(lái)的危險(xiǎn)。

4.1虛擬現(xiàn)實(shí)的靈活性能夠更好地應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況

由于不可抗力因素導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無(wú)法開(kāi)展，理論課程可以利用網(wǎng)上授課的形式，但需要利用實(shí)物來(lái)進(jìn)行的實(shí)踐課程只能延期授課或者自學(xué)，比如動(dòng)物繁殖學(xué)中的實(shí)驗(yàn)，基本要以活體動(dòng)物為前提進(jìn)行。此時(shí)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠更靈活地開(kāi)展線(xiàn)上教學(xué)，在線(xiàn)上也能開(kāi)展實(shí)驗(yàn)課（圖1）。4.2虛擬現(xiàn)實(shí)能夠降低實(shí)驗(yàn)對(duì)場(chǎng)地與器材的要求在動(dòng)物繁殖實(shí)驗(yàn)中，需要對(duì)活體動(dòng)物進(jìn)行操作的實(shí)驗(yàn)都需求大量的空間與器材，如動(dòng)物發(fā)情檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，需要對(duì)活體的牛、豬、羊等大型動(dòng)物進(jìn)行檢查，這首先要求場(chǎng)地能夠容納動(dòng)物與操作器材，其次實(shí)驗(yàn)室要求有能夠固定動(dòng)物的設(shè)備。而且發(fā)情期的動(dòng)物會(huì)額外暴躁，較平時(shí)更加危險(xiǎn)。

5總結(jié)與展望

對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在動(dòng)物繁殖學(xué)理論教學(xué)中的使用來(lái)說(shuō)，最重要的便是模型的數(shù)量。因?yàn)椴煌颇坎煌n程需求的模型都是不同的，這就需要構(gòu)建一個(gè)龐大且嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的模型庫(kù)，供課程調(diào)用。為了將一些靜態(tài)、微觀的生理過(guò)程展示出來(lái)，為重點(diǎn)的生理過(guò)程制作3D動(dòng)畫(huà)也是非常必要的，這一點(diǎn)與模型庫(kù)相同，需要針對(duì)不同的生理過(guò)程構(gòu)建大量的動(dòng)畫(huà)。這些都需要大量的時(shí)間、人力、物力。對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)際操作中的應(yīng)用而言，除了標(biāo)本模型等，最重要的便是一個(gè)完備、嚴(yán)謹(jǐn)、可靠的解剖模擬軟件。在某些特定方面虛擬仿真技術(shù)是不可能完全替代實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，但是就普通實(shí)驗(yàn)而言，充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以使學(xué)生更好地掌握技術(shù)，提高教學(xué)效果。

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作者：陳倩 賈建磊 單位：青海大學(xué)