動物繁殖實驗中VR技術(shù)的應(yīng)用

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摘要：動物繁殖學(xué)是動物科學(xué)專業(yè)中重要的專業(yè)課之一，而動物繁殖實驗是將理論轉(zhuǎn)化為實際的重要手段。從目前我國的動物繁殖學(xué)教學(xué)來說，所采用的動物繁殖學(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)對現(xiàn)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(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù)；動物繁殖實驗；仿真教學(xué)

1動物繁殖試驗的現(xiàn)狀

動物繁殖學(xué)是動物科學(xué)專業(yè)課程之一，目前所采用的動物繁殖學(xué)的教學(xué)方法較為單一，基本上是依賴?yán)碚摶慕虒W(xué)及相關(guān)圖片來進行動物結(jié)構(gòu)的介紹。部分高校的實驗課教學(xué)主要是由老師進行標(biāo)本講解或活體動物的解剖，學(xué)生進行實驗過程觀摩?；蛘哂衫蠋熛葴?zhǔn)備好實驗所需的樣品，然后將實驗步驟安排好，再讓學(xué)生根據(jù)實驗過程進行操作。學(xué)生在接受知識時較為抽象，對所講解的知識的具體細(xì)節(jié)沒有具象化的概念，理解較為困難，而難以實現(xiàn)多次、反復(fù)進行統(tǒng)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(yǎng)學(xué)生動手能力的目的。需要進行驗證實驗結(jié)果的通常要設(shè)置對照組，對實驗動物的要求更大。如果不能反復(fù)進行，則無法加深知識點的記憶，達不到培養(yǎng)學(xué)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(biāo)本等進行講解。傳統(tǒng)的實驗中使用到的實驗動物在生產(chǎn)、使用過程中，存在感染、繁殖病原體的可能以及向環(huán)境擴散病原微生物的危險，對人和環(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越高，實驗動物的生物安全也隨之得到極大的關(guān)注。實驗動物的飼養(yǎng)、繁育需要申請實驗動物生產(chǎn)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(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實（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)，涉及計算機圖形學(xué)、人機交互技術(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(diào)整機器的方式來提高對不同環(huán)境的適應(yīng)參數(shù)。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠讓設(shè)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(jié)約了資源。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用為線上教學(xué)帶來了巨大幫助。使用計算機開發(fā)出的虛擬仿真軟件能夠做到與真實實驗室功能相同，使學(xué)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(shù)在動物繁殖實驗中應(yīng)用

在教學(xué)過程中，進行現(xiàn)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(xué)生人數(shù)多、場地不夠容納太多人數(shù)等原因，無法讓每一位學(xué)生進行實際操作。對于一些更加復(fù)雜的實驗，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)過程中很難找正確的方法與預(yù)警，對學(xué)生掌握知識與技能造成了很大的阻礙。同時，實驗結(jié)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(tǒng)，成本就只有開發(fā)成本與中后期的一些維護成本，大大節(jié)約了教學(xué)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(yīng)用虛擬現(xiàn)實加強現(xiàn)實等技術(shù)，可以讓很多難以進行的實驗變得更加簡單，學(xué)生能在虛擬的環(huán)境中進行更多、更詳細(xì)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(xué)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(tǒng)教學(xué)的不足

在動物繁殖學(xué)實驗中，需要對動物的生殖器與生殖系統(tǒng)進行詳細(xì)地觀察，但小型動物的生殖系統(tǒng)太小難以觀察，大型動物則主要依靠塑化標(biāo)本進行觀察，不夠全面。如果應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)在虛擬的環(huán)境中進行解剖、觀察，會緩解不少的心理壓力，學(xué)習(xí)質(zhì)量更高。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(xué)質(zhì)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(xué)效果虛擬現(xiàn)實可以從技術(shù)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(xué)生可以用現(xiàn)場視角觀摩動物解剖或手術(shù)過程。應(yīng)用VR技術(shù)，學(xué)生可以看到各種臟器的靜態(tài)圖變成了動態(tài)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(xiàn)清晰詳細(xì)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(shù)將一些不容易理解與觀察的微觀、容易出現(xiàn)危險的實踐教學(xué)過程進行展示，比如動物繁殖課程中的精卵結(jié)合的過程，卵細(xì)胞的分裂與人工取精、人工授精的過程等。

4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用于動物繁殖學(xué)的意義

通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行的實際操作與動態(tài)演示，能夠更好地開展實驗教學(xué)。在講解中利用VR進行實際操作，一方面可以吸引學(xué)生的注意力，另一方面可以將書本上的抽象內(nèi)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(xiàn)實技術(shù),學(xué)生能夠隨時進行實驗，不用等待動物發(fā)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(xiàn)實的靈活性能夠更好地應(yīng)對突發(fā)狀況

由于不可抗力因素導(dǎo)致實驗無法開展，理論課程可以利用網(wǎng)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(xué)，比如動物繁殖學(xué)中的實驗，基本要以活體動物為前提進行。此時利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠更靈活地開展線上教學(xué)，在線上也能開展實驗課（圖1）。4.2虛擬現(xiàn)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(fā)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(shè)備。而且發(fā)情期的動物會額外暴躁，較平時更加危險。

5總結(jié)與展望

對于虛擬現(xiàn)實技術(shù)在動物繁殖學(xué)理論教學(xué)中的使用來說，最重要的便是模型的數(shù)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(gòu)建一個龐大且嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的模型庫，供課程調(diào)用。為了將一些靜態(tài)、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(gòu)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(xiàn)實技術(shù)在實際操作中的應(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驗動物，但是就普通實驗而言，充分利用虛擬現(xiàn)實技術(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)