动物繁殖实验中VR技术的应用

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摘要：动物繁殖学是动物科学专业中重要的专业课之一，而动物繁殖实验是将理论转化为实际的重要手段。从目前我国的动物繁殖学教学来说，所采用的动物繁殖学的教学方法十分单一，影响了教学质量，利用VR技术与3D模型构造技术对现实中动物的3D模型进行还原，通过与课本中图片的互动，提高教学质量。

关键词：VR技术；动物繁殖实验；仿真教学

1动物繁殖试验的现状

动物繁殖学是动物科学专业课程之一，目前所采用的动物繁殖学的教学方法较为单一，基本上是依赖理论化的教学及相关图片来进行动物结构的介绍。部分高校的实验课教学主要是由老师进行标本讲解或活体动物的解剖，学生进行实验过程观摩。或者由老师先准备好实验所需的样品，然后将实验步骤安排好，再让学生根据实验过程进行操作。学生在接受知识时较为抽象，对所讲解的知识的具体细节没有具象化的概念，理解较为困难，而难以实现多次、反复进行统一实验来巩固理解与印象，无法加深知识点的记忆，达不到培养学生动手能力的目的。需要进行验证实验结果的通常要设置对照组，对实验动物的要求更大。如果不能反复进行，则无法加深知识点的记忆，达不到培养学生动手能力的目的。动物繁殖实验中使用到的实验动物大多选择常见易得的动物如鸡、兔、鼠、羊等，稀有动物与一些大型动物的实验只能通过视频、教材的图片、标本等进行讲解。传统的实验中使用到的实验动物在生产、使用过程中，存在感染、繁殖病原体的可能以及向环境扩散病原微生物的危险，对人和环境造成生物安全危害，如布式病毒感染、流行性出血热等，随着生物安全的重视程度越来越高，实验动物的生物安全也随之得到极大的关注。实验动物的饲养、繁育需要申请实验动物生产许可证，使用实验动物需要申请实验动物使用许可证，才可保证实验的顺利开展。在实验动物解剖前要进行检疫与筛查，解剖后还要进行无害化处理，增加了实验成本。

2虚拟现实技术的应用

虚拟现实（VirtualReality）技术是20世纪80年代新崛起的一种综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等，主要结合了多媒体技术与空间成像技术，能够随时随地对特定的场景或者物体进行最大限度还原，可以通过调整机器的方式来提高对不同环境的适应参数。通过虚拟现实技术能够让设计人员更方便地从不同的角度观察、完善自己的作品，并且即使作品不满意再次进行修改的成本也非常小，极大地节约了资源。虚拟现实技术在教学中的应用为线上教学带来了巨大帮助。使用计算机开发出的虚拟仿真软件能够做到与真实实验室功能相同，使学生进行实验打破时间与空间的制约，能够多角度、多方面地观察与进行实验。

3vr技术在动物繁殖实验中应用

在教学过程中，进行现场观摩的意义十分重大，但因为我国高校大多存在可用素材少、学生人数多、场地不够容纳太多人数等原因，无法让每一位学生进行实际操作。对于一些更加复杂的实验，学校想要提供条件就更加困难。这就让学生在学习过程中很难找正确的方法与预警，对学生掌握知识与技能造成了很大的阻碍。同时，实验结束后对样本进行的无害化处理都是不小的开销。如果使用虚拟仿真系统，成本就只有开发成本与中后期的一些维护成本，大大节约了教学开支。也可以有效地解决实验动物的成本高，周期长，实验废弃物危害大等问题。如果应用虚拟现实加强现实等技术，可以让很多难以进行的实验变得更加简单，学生能在虚拟的环境中进行更多、更详细的实验。

3.1提高理论知识的理解

将课堂中的图片与教材上的图示替换成AR卡片，让学生可以用手机扫描获取3D模型，从而更直观地了解图片中的信息，同时在制作AR卡片时可以尝试将一些注释与知识点一同放入卡片中，这样一定程度上可以替代教材上的图片进行讲解，更加直观清晰，有助于知识的记忆与理解。

3.2补充传统教学的不足

在动物繁殖学实验中，需要对动物的生殖器与生殖系统进行详细地观察，但小型动物的生殖系统太小难以观察，大型动物则主要依靠塑化标本进行观察，不够全面。如果应用虚拟现实技术在虚拟的环境中进行解剖、观察，会缓解不少的心理压力，学习质量更高。通过虚拟现实技术还可以在更低成本的前提下，在更逼真的场景中进行观察，提升教学质量。也可以将小型动物的模型放大便于观察，解除了仪器的才能观察的限制。3.3加强实验教学效果虚拟现实可以从技术层面解决实验的观摩问题，通过VR眼镜和高清晰度的VR视频录制，学生可以用现场视角观摩动物解剖或手术过程。应用VR技术，学生可以看到各种脏器的静态图变成了动态的效果图，每一次脉动都清晰可见，效果更加逼真。如果在选择某个脏器时能够出现清晰详细的注释说明，体验者将理解得更加透彻。也可以通过3D动画制作技术将一些不容易理解与观察的微观、容易出现危险的实践教学过程进行展示，比如动物繁殖课程中的精卵结合的过程，卵细胞的分裂与人工取精、人工授精的过程等。

4虚拟现实技术的应用于动物繁殖学的意义

通过虚拟现实技术进行的实际操作与动态演示，能够更好地开展实验教学。在讲解中利用VR进行实际操作，一方面可以吸引学生的注意力，另一方面可以将书本上的抽象内容具象化。在动物繁殖的过程中,如人工授精等实验进行的时间会比较长，普遍在1h以上，个别动物甚至能达到4h以上。操作也较为困难、动物本身还会带来危险。采用虚拟现实技术,学生能够随时进行实验，不用等待动物发情与交配的漫长过程，也可以减少因动物暴动带来的危险。

4.1虚拟现实的灵活性能够更好地应对突发状况

由于不可抗力因素导致实验无法开展，理论课程可以利用网上授课的形式，但需要利用实物来进行的实践课程只能延期授课或者自学，比如动物繁殖学中的实验，基本要以活体动物为前提进行。此时利用虚拟现实技术能够更灵活地开展线上教学，在线上也能开展实验课（图1）。4.2虚拟现实能够降低实验对场地与器材的要求在动物繁殖实验中，需要对活体动物进行操作的实验都需求大量的空间与器材，如动物发情检测实验，需要对活体的牛、猪、羊等大型动物进行检查，这首先要求场地能够容纳动物与操作器材，其次实验室要求有能够固定动物的设备。而且发情期的动物会额外暴躁，较平时更加危险。

5总结与展望

对于虚拟现实技术在动物繁殖学理论教学中的使用来说，最重要的便是模型的数量。因为不同科目不同课程需求的模型都是不同的，这就需要构建一个庞大且严谨科学的模型库，供课程调用。为了将一些静态、微观的生理过程展示出来，为重点的生理过程制作3D动画也是非常必要的，这一点与模型库相同，需要针对不同的生理过程构建大量的动画。这些都需要大量的时间、人力、物力。对于虚拟现实技术在实际操作中的应用而言，除了标本模型等，最重要的便是一个完备、严谨、可靠的解剖模拟软件。在某些特定方面虚拟仿真技术是不可能完全替代实验动物，但是就普通实验而言，充分利用虚拟现实技术可以使学生更好地掌握技术，提高教学效果。

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作者：陈倩 贾建磊 单位：青海大学