動物繁殖實驗中VR技術的應用
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摘要：動物繁殖學是動物科學專業中重要的專業課之一，而動物繁殖實驗是將理論轉化為實際的重要手段。從目前我國的動物繁殖學教學來說，所采用的動物繁殖學的教學方法十分單一，影響了教學質量，利用VR技術與3D模型構造技術對現實中動物的3D模型進行還原，通過與課本中圖片的互動，提高教學質量。
關鍵詞：VR技術；動物繁殖實驗；仿真教學
1動物繁殖試驗的現狀
動物繁殖學是動物科學專業課程之一，目前所采用的動物繁殖學的教學方法較為單一，基本上是依賴理論化的教學及相關圖片來進行動物結構的介紹。部分高校的實驗課教學主要是由老師進行標本講解或活體動物的解剖，學生進行實驗過程觀摩。或者由老師先準備好實驗所需的樣品，然后將實驗步驟安排好，再讓學生根據實驗過程進行操作。學生在接受知識時較為抽象，對所講解的知識的具體細節沒有具象化的概念，理解較為困難，而難以實現多次、反復進行統一實驗來鞏固理解與印象，無法加深知識點的記憶，達不到培養學生動手能力的目的。需要進行驗證實驗結果的通常要設置對照組，對實驗動物的要求更大。如果不能反復進行，則無法加深知識點的記憶，達不到培養學生動手能力的目的。動物繁殖實驗中使用到的實驗動物大多選擇常見易得的動物如雞、兔、鼠、羊等，稀有動物與一些大型動物的實驗只能通過視頻、教材的圖片、標本等進行講解。傳統的實驗中使用到的實驗動物在生產、使用過程中，存在感染、繁殖病原體的可能以及向環境擴散病原微生物的危險，對人和環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越高，實驗動物的生物安全也隨之得到極大的關注。實驗動物的飼養、繁育需要申請實驗動物生產許可證，使用實驗動物需要申請實驗動物使用許可證，才可保證實驗的順利開展。在實驗動物解剖前要進行檢疫與篩查，解剖后還要進行無害化處理，增加了實驗成本。
2虛擬現實技術的應用
虛擬現實（VirtualReality）技術是20世紀80年代新崛起的一種綜合集成技術，涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等，主要結合了多媒體技術與空間成像技術，能夠隨時隨地對特定的場景或者物體進行最大限度還原，可以通過調整機器的方式來提高對不同環境的適應參數。通過虛擬現實技術能夠讓設計人員更方便地從不同的角度觀察、完善自己的作品，并且即使作品不滿意再次進行修改的成本也非常小，極大地節約了資源。虛擬現實技術在教學中的應用為線上教學帶來了巨大幫助。使用計算機開發出的虛擬仿真軟件能夠做到與真實實驗室功能相同，使學生進行實驗打破時間與空間的制約，能夠多角度、多方面地觀察與進行實驗。
3vr技術在動物繁殖實驗中應用
在教學過程中，進行現場觀摩的意義十分重大，但因為我國高校大多存在可用素材少、學生人數多、場地不夠容納太多人數等原因，無法讓每一位學生進行實際操作。對于一些更加復雜的實驗，學校想要提供條件就更加困難。這就讓學生在學習過程中很難找正確的方法與預警，對學生掌握知識與技能造成了很大的阻礙。同時，實驗結束后對樣本進行的無害化處理都是不小的開銷。如果使用虛擬仿真系統，成本就只有開發成本與中后期的一些維護成本，大大節約了教學開支。也可以有效地解決實驗動物的成本高，周期長，實驗廢棄物危害大等問題。如果應用虛擬現實加強現實等技術，可以讓很多難以進行的實驗變得更加簡單，學生能在虛擬的環境中進行更多、更詳細的實驗。
3.1提高理論知識的理解
將課堂中的圖片與教材上的圖示替換成AR卡片，讓學生可以用手機掃描獲取3D模型，從而更直觀地了解圖片中的信息，同時在制作AR卡片時可以嘗試將一些注釋與知識點一同放入卡片中，這樣一定程度上可以替代教材上的圖片進行講解，更加直觀清晰，有助于知識的記憶與理解。
3.2補充傳統教學的不足
在動物繁殖學實驗中，需要對動物的生殖器與生殖系統進行詳細地觀察，但小型動物的生殖系統太小難以觀察，大型動物則主要依靠塑化標本進行觀察，不夠全面。如果應用虛擬現實技術在虛擬的環境中進行解剖、觀察，會緩解不少的心理壓力，學習質量更高。通過虛擬現實技術還可以在更低成本的前提下，在更逼真的場景中進行觀察，提升教學質量。也可以將小型動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加強實驗教學效果虛擬現實可以從技術層面解決實驗的觀摩問題，通過VR眼鏡和高清晰度的VR視頻錄制，學生可以用現場視角觀摩動物解剖或手術過程。應用VR技術，學生可以看到各種臟器的靜態圖變成了動態的效果圖，每一次脈動都清晰可見，效果更加逼真。如果在選擇某個臟器時能夠出現清晰詳細的注釋說明，體驗者將理解得更加透徹。也可以通過3D動畫制作技術將一些不容易理解與觀察的微觀、容易出現危險的實踐教學過程進行展示，比如動物繁殖課程中的精卵結合的過程，卵細胞的分裂與人工取精、人工授精的過程等。
通過虛擬現實技術進行的實際操作與動態演示，能夠更好地開展實驗教學。在講解中利用VR進行實際操作，一方面可以吸引學生的注意力，另一方面可以將書本上的抽象內容具象化。在動物繁殖的過程中,如人工授精等實驗進行的時間會比較長，普遍在1h以上，個別動物甚至能達到4h以上。操作也較為困難、動物本身還會帶來危險。采用虛擬現實技術,學生能夠隨時進行實驗，不用等待動物發情與交配的漫長過程，也可以減少因動物暴動帶來的危險。
4.1虛擬現實的靈活性能夠更好地應對突發狀況
由于不可抗力因素導致實驗無法開展，理論課程可以利用網上授課的形式，但需要利用實物來進行的實踐課程只能延期授課或者自學，比如動物繁殖學中的實驗，基本要以活體動物為前提進行。此時利用虛擬現實技術能夠更靈活地開展線上教學，在線上也能開展實驗課（圖1）。4.2虛擬現實能夠降低實驗對場地與器材的要求在動物繁殖實驗中，需要對活體動物進行操作的實驗都需求大量的空間與器材，如動物發情檢測實驗，需要對活體的牛、豬、羊等大型動物進行檢查，這首先要求場地能夠容納動物與操作器材，其次實驗室要求有能夠固定動物的設備。而且發情期的動物會額外暴躁，較平時更加危險。
5總結與展望
對于虛擬現實技術在動物繁殖學理論教學中的使用來說，最重要的便是模型的數量。因為不同科目不同課程需求的模型都是不同的，這就需要構建一個龐大且嚴謹科學的模型庫，供課程調用。為了將一些靜態、微觀的生理過程展示出來，為重點的生理過程制作3D動畫也是非常必要的，這一點與模型庫相同，需要針對不同的生理過程構建大量的動畫。這些都需要大量的時間、人力、物力。對于虛擬現實技術在實際操作中的應用而言，除了標本模型等，最重要的便是一個完備、嚴謹、可靠的解剖模擬軟件。在某些特定方面虛擬仿真技術是不可能完全替代實驗動物，但是就普通實驗而言，充分利用虛擬現實技術可以使學生更好地掌握技術，提高教學效果。
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作者：陳倩 賈建磊 單位：青海大學
