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教学项目描述

项目名称

鸟类环志虚拟仿真实验

实验目的

鸟类环志是给鸟类佩戴信息标志物,用于研究鸟类迁徙、分布、生活史等的技术,是鸟类学研究中最经典和最基本的方法之一,能够获得大量鸟类体征、生长发育、迁徙规律等生活史数据。全世界每年被环志的鸟类约500万只。
鸟类环志也是国内众多高校动物学实验教学和野外实习实践教学的重要内容。北京师范大学本科生的动物学及实验、生物学野外实习、鸟类学、普通生物学、本科创新项目都涉及上述工作。其中本科生生物学野外实习基地中的环志工作点也于1986年被全国鸟类环志中心列为第一批鸟类环志站,2006年列为国家级野生动物疫源疫病监测站,开展鸟类环志监测、采样分析,已经成为北京师范大学等同类高校的常规内容。
本虚拟仿真实验以鸟类环志为核心,通过虚实结合的方式,仿真模拟了鸟类环志操作及必备的鸟类识别和鸟类调查等基础知识、以及环志中采集血样并开展血液寄生虫检测等延伸学习内容。实验立足知识性、准确性、规范性、科学性,不仅解决了学生学习中的难题,也可加强国内相关人员环志操作的规范性;虚拟仿真的鸟类识别、多样性监测、环志等知识也极具趣味性,将会吸引公众参与和学习,提升公民生态文明和科学素养。


目的一 面向教学中的问题和难点,解决技术流程多、要领多、不易掌握的问题,解决学生参与环志实践需求大与环志实践机会少的矛盾。
鸟类环志是一项技术性极强的工作,在鸟类捕捉、持握、测量、上环、记录、取样等环节存在诸多技术难点,虽然我国不少高校的相关课程,特别是生物学野外实习都有这个环节,但规范性严重不足,存在鸟类损伤率高、物种鉴别错误、测量数据不规范等问题。北京师范大学生命科学学院是全国鸟类环志中心核准的有鸟类环志资格的单位,每年在生物学野外实习和春秋季鸟类课外活动中都要开展鸟类环志工作。虽然每年有很多学生报名参加这一工作,但受指导教师、场地等限制,只有少部分经过严格训练、操作规范熟练的学生可以在老师指导下开展鸟类环志工作,满足需求的缺口较大。随着动物保护不断严格以及公民生态文明素养的提升,政府、公众和学生对开展这一工作也提出了更高的要求。这一工作需要在资深专业人员的带领下方能开展,但我国这方面专业技术人才的匮乏却是一个现实,导致规范性的操作训练不足。虚拟仿真环志实验,能够让学生全面掌握环志操作流程和要领;通过与全国鸟类环志中心共享,有助于提升从业人员操作的规范性和科学性。


目的二 识别鸟类,激发学生学习兴趣,解决鸟类准确识别这个环志实践中的重要问题。
鸟类识别(包括物种、性别等)是环志工作的前提和基础,也是鸟类环志最重要的环节。如果物种鉴定有误,其他数据和信息就没有任何价值。鸟类识别是一项专业性很强的工作,涉及鸟类形态学、生态学、行为学、声学、分类学知识。鸟类的野外识别是一项需要积累经验的反复实践过程,对于多数初次在野外接触鸟类的学生来说,其识别准确性需要一定时间的反复训练才能比较高。由于实习基地和校园间的空间距离限制以及实习课程时间的限制,学生在野外接受的鸟类识别训练相对于进行环志工作的要求来说还存在极大的不足。虚拟仿真实验可以很好地解决这个问题:学生可不受时间和空间限制进行鸟类识别训练,且可通过本项目进行反复学习以巩固基础。同时可让在修读动物学及实验、普通生物学和鸟类学课程的学生随时随地了解鸟类的各方面特征,也是科普大众的服务平台。


目的三 鸟类调查,认识鸟类多样性与自然的关系,也为环志选址布网提供支撑。
选取鸟类多样性高、景观环境适宜的区域布网捕捉鸟类是鸟类环志工作取得成功的关键。选取这类区域要通过准确的区域性鸟类调查来实现。多样性调查也是对鸟类识别的针对性训练。掌握鸟类野外识别方法之后,最直接也是最普遍的应用就是鸟类的多样性调查。多样性调查是鸟类生态学研究中最基础的工作之一,对鸟类的资源评价、有效保护与环境质量的评估具有重要的价值。由于学生对鸟类了解不够,直接进行实际调查,结果可信度不高,野外条件下也不容易检验调查效果。通过虚拟仿真实验的学习-反馈模式,可以让学生充分掌握调查方法,检验其鸟类识别的准确度,实现鸟类识别-野外调查成效的双提高。
目的四 血液寄生虫检测,是鸟类环志的延续和拓展,助力探究型和创新人才培养。
出于野生动物疫源疫病监测的需要,在符合法规的前提下,在环志过程中采集鸟类的血液等样品并进行分析,已经成为动物疫源疫病监测的重要手段。近年来,基于血涂片的鸟类血液寄生虫检测已在欧美等国家广泛推广,拓宽了样品的利用价值,也可实时监测野生鸟类血液寄生虫的感染情况,但在国内尚处于起步阶段。这一内容是鸟类环志工作的延续和拓展,具有重要的科研和应用价值,也为培养学生创新型思维和科研能力打下基础。

实验原理

       鸟类环志是一项技术性极强的工作,在鸟类捕捉、持握、测量、上环、记录、取样等环节存在诸多技术难点。本虚拟仿真实验以鸟类环志为核心,模拟了鸟类环志操作及必备的鸟类识别和鸟类调查等基础知识、以及环志中采集血样并开展血液寄生虫检测等延伸学习内容。包括根据鸟类形态特征、鸣声和语图、行为和分布识别鸟类,利用固定样线法调查和统计鸟类多样性,鸟类环志架设鸟网、捕捉鸟类、环志操作、鸟体测量、采集血液样本、放飞鸟类,以及制作鸟类血涂片、显微镜镜检、判断血液被感染的情况等知识点。

      知识点数量:  12  (个)

    (1)鸟类形态和分类

      ①掌握鸟类的形态学特征和主要类群;

      ②了解鸟类的鸣声和语图的分析方法;

      ③了解鸟类野外的行为及分布情况;

      ④学习通过形态特征和鸣声识别鸟类的方法,认识常见鸟类。

    (2)鸟类多样性调查方法和统计分析

      ①掌握鸟类多样性调查的基本方法;

      ②学习如何利用固定样线法调查统计鸟类数量。

    (3)鸟类环志工作方法

      ①学习架设鸟网、捕捉鸟类、解鸟顺序、持握鸟类、环志操作和放飞鸟类的正确方法;

      ②掌握正确的鸟体测量方法,包括体重、喙长、头喙长、翅长、尾长和体长的测量方法;

      ③掌握鸟类血液生物样本的正确采集方法。

    (4)鸟类血液寄生虫检测

      ①掌握鸟类血涂片的制片方法;

      ②掌握鸟类血涂片的显微观察过程;

      ③掌握鸟类血液寄生虫的判断方法。

 

实验仪器设备

电脑、软件,以及根据实际实验用到的电子天平、显微镜和移液器等实验仪器设备制作的虚拟模型。

实验材料

北京地区常见鸟类、鸟类血液样本、甲醇溶液、吉姆萨染液等材料及其3D虚拟仿真野外场景、实验室、模型和软件等。

实验教学方法

(1)教学方法的使用目的
虚实结合与互动自主式实验教学。在实施过程中,本项目结合实际实验和专业特点,以学生为主体,利用开放式的鸟类环志虚拟仿真实验教学管理平台,实验指导教师精心设计教学环节和“互动自主式教学方法”,实现从“以教为主”到“以学为主”再到“学教互动”理念的转变,学生成为学习的主体,教师成为学习的帮促者、引导者、合作学习者,师生互动成为常态化教学方式。通过虚拟实践,在强烈激发学生实验兴趣的基础上,学生再到野外实习基地和实验室进行实践,极大提高了学生的实验操作技能和解决实际问题能力。


(2)实施过程
基础知识学习:虚拟鸟类识别 
通过形态、鸣声这两种目前主流的鸟类分类和野外鉴别方法,制作虚拟仿真野外实习环境、嵌入常见鸟类的3D模型和鸣声录音,准确客观地还原了实习基地常见鸟类的形态、行为、声音、生境等信息,让学生认识不同鸟类分类特征的差异;结合每种鸟类特异性鸣声(语图和音频) ,部分鸟类还配以生活史的视频文件;通过各种信息综合,实现常见鸟类的分类和野外准确鉴别。通过和学生互动式的识别训练操作,能够使学生在生物学野外实习前和实习中以及在修读动物学、动物学实验和鸟类学课程时随时随地了解鸟类的各方面特征。
选择和优化布网地点:区域性鸟类多样性调查
以北京市小龙门野外实习基地的南沟为场景,将该地区的鸟类按照实际出现的生境和相对数量布局在场景中;虚拟操作将按照鸟类多样性调查方法中的固定距离样线法进行;依照鸟类行为、栖息方式等将鸟类置于高仿真的虚拟栖息地中,让学生按照鸟类学数量多样性的基本方法,先闻声找鸟、然后依据形态识别和记录鸟类在模拟自然环境中的数量,认识不同鸟类栖息环境、停歇姿势和位置的差异,实现鸟类与其栖息环境的一体化学习,潜移默化中让学生了解并掌握鸟类与环境的密切相关性及生态学相关知识。本环节将自动评阅调查结果,依据物种识别准确性等给分。
鸟类环志:流程和要领
严格按照实际工作时的规范操作设计制作了鸟类环志的虚拟仿真实验,虚拟平台可以让学生在熟悉环志知识背景和方法后,按照正确的方法选网址、解鸟、握鸟、选环、上环、体征测量、放飞等。重点步骤都有选择项目和评判,学习操作要领和相关名词术语。不但可以让所有的学生在野外实习前接受培训、体验操作过程,而且可以作为实际操作过程中随时参考的可视化规范依据。让学生了解鸟类环志全过程的同时,培养学生生物多样性保护、动物福利、绿色实习等理念。
鸟类血液寄生虫检测:拓展训练
为了拓展全体学生的视野、拓宽知识面、激发科研兴趣,严格按照实际科研工作中的操作过程设计了鸟类血样采集和血涂片制作、观察血液寄生虫感染情况的虚拟仿真操作环节,作为实际教学向科研训练的延伸。


(3)实施效果
软件开发两年以来,已经历过我校四百多名学生的实际使用验证。通过在学习动物学等课程时和野外实习之前进行虚拟仿真操作训练,在实际野外实习过程中识别鸟类的能力明显增强,正确率明显提高。鸟类环志、测量、采取血样的操作规范性和准确性明显提高。在没有使用虚拟仿真实验训练之前,只有少数学生经过现场培训能够规范进行上述实际操作;在全面进行虚拟仿真实验训练之后,学生普遍具有规范进行上述实际操作的能力。

实验方法与步骤要求

本虚拟仿真实验教学项目由四个模块构成(图-1),鸟类识别、多样性调查、鸟类环志和血液寄生虫检测,共计6个学时。其中鸟类环志操作模块是核心内容,鸟类识别模块是基础知识部分,多样性调查模块是对鸟类识别效果的检验与评估、血样采集和血液寄生虫检测是延伸和拓展环节。另外,学生也可以通过移动端访问“生物学虚拟仿真教学”微信公众号(图-2),了解本实验及相关学习资源。

图-1  “鸟类环志虚拟仿真实验”模块组成


图-2 “生物学虚拟仿真教学”公众号及二维码

(1)鸟类识别模块

形态特征和鸣声识别是目前最重要的鸟类分类和野外鉴别方法。通过鸟类识别模块的学习,学生能够掌握鸟类的形态学特征和主要类群,学习和认识常见鸟类;了解鸟类的鸣声和语图的分析方法;了解鸟类野外的行为及分布情况;学习通过形态特征和鸣声识别鸟类的方法。鸟类识别模块为学生自主学习模块,可以根据自己的学习情况进行操作,不限定操作步骤。

鸟类识别虚拟操作包括北京小龙门野外实习基地常见的24种鸟类3D高仿真模型(图-3),让学生通过自主操作实现360度全方位观察和学习鸟类形态特征,结合文字描述掌握学习的要点;通过鸟类实际鸣声的播放和语图(图-4)掌握不同鸟类的鸣声差异;通过照片和视频(图-5和图-6)了解鸟类在野外的行为和栖息环境;通过各种信息综合,使学生能够准确鉴别常见鸟类。

图-3  鸟类3D模型和识别特征简介

图-4  鸟类鸣声和语图

图-5  鸟类行为和栖息环境照片

图-6  鸟类行为和栖息环境视频

 

(2)多样性调查模块

通过多样性调查模块的学习,学生能够掌握鸟类多样性调查的基本方法;学习如何利用固定样线法调查统计鸟类数量。本模块可以考核学生鸟类的识别能力,操作过程中需要识别并记录所调查样线中出现的50只鸟类的物种名称、数量和生境类型;调查结束后,需要统计分析鸟类的密度。

多样性调查虚拟操作以北京市小龙门野外实习基地的南沟为场景,将该地区的鸟类按照实际出现的生境和相对数量布局在场景中;依照鸟类行为、栖息方式等将鸟类3D模型置于高仿真的虚拟栖息地中,让学生按照鸟类学数量调查的基本方法,先闻声找鸟,然后依据形态识别并记录鸟类在模拟自然环境中的数量。主要操作步骤具体如下:

填写基本信息:点击进入场景,开始调查前,先在调查记录表中记录时间、地点、海拔、经纬度等信息(图-7)。

 

图-7  鸟类多样性调查场景及基本信息

调查鸟类:调查开始后,通过鼠标、键盘在场景中漫游;在调查行进过程中,当鸟出现在生境中时,先听见鸟的鸣声和看见闪烁的望远镜(图-8);再点击望远镜,出现3D高仿真鸟模型;通过鸟的形态学特征和鸣声,确定鸟的种类,在样线调查表中填写物种名称、数量和生境类型;如果鸟的名称判断错误,会给出提示;选择正确后,可继续进行调查(图-9)。

图-8  鸟类出现提示界面

  

图-9  鸟类辨识及基本信息填写

③调查结果分析:调查结束后,展示样线调查记录表的全部内容;根据样线调查记录表和固定距离鸟类密度计算公式,计算并填写鸟类在调查区域的密度;全部完成后,点击完成,系统将自动给出得分(图-10)。

 

图-10  多样性调查模块的学生学习情况

(3)鸟类环志模块

通过鸟类环志模块的学习,学生掌握鸟类环志的研究方法,学习架设鸟网、捕捉鸟类、解鸟顺序、持握鸟类、环志操作和放飞鸟类的正确方法;掌握正确的鸟体测量方法,包括体重、喙长、头喙长、翅长、尾长和体长的测量方法;掌握鸟类血液生物样本的正确采集方法。

本模块在技术要点部分介绍了鸟类环志涉及的技术要点;虚拟操作以北京市小龙门野外实习基地的南沟为场景,按照正确的方法选网址、解鸟、握鸟、选环、上环、鸟体测量、血样采集、放飞等,学习操作要领和相关名词术语,使学生了解鸟类环志的全过程。主要操作步骤具体如下:

架网场地的选择:有三个布设鸟网场地的选择,两个错误,一个正确,选择错误的网场出现“红色的叉”(图-11);选择正确的则进入下一环节。

 

图-11 架网场地的选择

②架网与撞鸟:点击工具选项中的网杆,场景中出现网杆;点击工具选项中的鸟网,在两根网杆中间出现鸟网;点击纤绳,纤绳出现,架网成功(图-12)。架好网后,场景中出现巡视按钮,点击巡视按钮直接显示鸟被网捕捉后的情况,判断鸟飞来的方向(图-13),判断正确后则进入下一解鸟环节。

 

图-12  架网

图-13  判断鸟飞来的方向

③解鸟:解鸟时先点击腿,腿从网解出;再点击翅膀,翅膀从网解出;最后点击头,头从网解出,整只鸟解出(图-14);点击工具选项中的鸟袋将鸟装入鸟袋,系紧袋口(图-15)。正确识别鸟类后,在环志登记表中填入环志日期和地点、鸟类名称和特征等基本信息(图-16)。

图-14  解鸟

图-15  放入鸟袋

 

图-16  识别鸟类并填写环志登记表

④测量体重:点击工具中的天平称量并记录鸟类的体重(图-17)。

图-17  称量体重


⑤环志:

点击工具选项中的金属环,出现环号查询表,在环号查询表中选择适合白眉姬鹟的环号,如果选择正确进行下一步,选择错误则出现红色叉(图-18),并将选择正确的环号填入环志登记表中。

 

图-18  选择环号

点击工具选项中的环志钳,选择合适白眉姬鹟的环志钳(图-19),金属环出现在5孔钳第二个孔位置,环志钳将金属环闭合到鸟右腿的跗蹠上(图-20);检查金属环的闭合效果(图-21),若金属环闭合效果不好,点击工具栏中卸环钳,将闭合效果差的环卸掉(图-22),重新环志。

图-19  选择环志钳

图-20  佩戴金属环

图-21  环志环闭合效果示意图

图-22  卸掉环志环

⑥鸟体测量:点击工具栏中的游标卡尺,依次测量鸟类的鸟类喙长(图-23)、头喙长(图-24)和跗蹠长(图-25),点击工具中的翼尺测量翅长(图-26),点击量尺测量体长(图-27)和尾长(图-28),并记录测量数据。

图-23  测量喙长

图-24  测量头喙长

图-25  测量跗蹠长

图-26  测量翅长

图-27  测量尾长

图-28 测量体长

⑦血样采集:点击工具选项中的采样图标,在鸟翼特定部位消毒,用采血针和毛细管采血,将血样放入样品管里低温保存;采血结束后,重新消毒(图-29)。

⑧放飞:选择正确的放飞办法,将鸟类放飞(图-30)。

⑨全部完成后,点击完成,系统将自动给出操作过程得分(图-31)。

图-29 采集血样

图-30 放飞鸟类

图-31 鸟类环志模块的学生学习情况

(4)血液寄生虫检测模块

通过本模块的学习,学生掌握鸟类血涂片的制片方法;鸟类血涂片的显微观察过程;鸟类血液寄生虫的判断方法。本模块虚拟操作再现了制作鸟类血液片的方法及显微观察的全过程。在实际操作过程中,采集血液后应尽快制成血涂片。主要操作步骤具体如下:

①涂片:使用移液器吸取合适体积的鸟类血液样本,将其滴放在载玻片的合适位置(图-32);使用另外一片载玻片,以适合的角度推片(图-33),血液样本随推动的载玻片而行涂成血涂片。将血涂片在空气中自然干燥。

图-32  滴片

图-33  推片

②染色:将血涂片浸入到甲醇溶液中固定样品;滴加吉姆萨染液在血涂片上进行染色(图-34);染色后用水冲洗涂片,去除浮色;同时将涂片做好标记。

③显微观察:点击打开显微镜,将血涂片至于载物台上,按照显微镜的正确使用方法,从低倍到高倍,最终使用100倍油镜对样品进行观察(图-35);鉴定实验结果。

图-34染色

图-35 显微镜观察

实验结果与结论要求

(1)是否记录每步实验结果:√是 否
(2)实验结果与结论要求:√实验报告 心得体会 其他            
(3)其他描述:
整个实验教学由虚拟仿真实验+实验与实践操作的形式完成,其中虚拟仿真实验得分为20分,实验与实践操作为80分。虚拟仿真实验由四个模块构成,其中鸟类识别模块和血液寄生虫检测模块,要求学生自主学习,对实验结果不做要求;多样性调查和鸟类环志模块完成后,系统自动生成学生实验完成情况,并提交实验报告。
多样性调查部分结果由鸟类样线调查记录表和鸟类密度计算两部分组成(图-10)。调查过程中,需要记录调查区域出现的50只鸟,鸟类信息填写错误不得分;按照密度计算公式,计算并填写鸟类种群密度,填写错误不得分。
鸟类环志部分结果由实验完成情况和关键步骤答题情况构成(图-31),将实验的关键步骤设定为选择题目的形式;实验完成情况考核,操作全部完成得50分,部分完成中途退出得25分。
实验全部完成后提交,虚拟仿真教学平台可自动生成实验报告,并记录学生的学习情况,教师据此可进一步指导学生或安排学生进行后续学习(图-36、图-37)。

图-36 多样性调查实验报告

图-37 鸟类环志实验报告

考核要求

整个实验教学由虚拟仿真实验+实践操作的形式完成,其中虚拟仿真实验得分为20分,实践操作为80分。虚拟实验分为四个模块,共计6个学时,学生完成虚拟实验后,要掌握12个相关的知识点。其中鸟类识别模块和血液寄生虫检测模块,要求学生自主学习,对实验结果不做要求;多样性调查和鸟类环志两个模块完成后,系统将自动评判本次实验的准确度、并给出成绩。操作时这两部分分别以100分计,80分及以上,建议到野外进行实践;低于80分,建议继续学习。加权后,这两部分共计20分。

表-1 鸟类环志虚拟仿真实验考核要求

实验内容

考核内容

实际分值

考核要求

鸟类识别

(1)掌握鸟类的形态学特征和主要类群;

(2)了解鸟类的鸣声和语图的分析方法;

(3)了解鸟类野外的行为及分布情况;

(4)学习通过形态特征和鸣声识别鸟类的方法,认识常见鸟类。

自主学习

合格

多样性调查

(1)掌握鸟类多样性调查的基本方法;

(2)学习如何利用固定样线法调查统计鸟类数量。

10分

8分以上

鸟类环志

(1)学习架设鸟网、捕捉鸟类、解鸟顺序、持握鸟类、环志操作和放飞鸟类的正确方法;

(2)掌握正确的鸟体测量方法,包括体重、喙长、头喙长、翅长、尾长和体长的测量方法;

(3)掌握鸟类血液生物样本的正确采集方法。

10分

8分以上

血液寄生虫检测

(1)掌握鸟类血涂片的制片方法;

(2)掌握鸟类血涂片的显微观察过程;

(3)掌握鸟类血液寄生虫的判断方法。

自主学习

合格

面向学生要求

(1)专业与年级要求:
生物科学类等一至四年级本科生,动物学、生态学、保护生物学、环境科学等本科生和研究生。
(2)基本知识和能力要求等:
需要有动物学或普通生物学理论课程及相关实验课程的基础。

实验项目应用情况

(1)上线时间 : 2016年5月  
(2)开放时间 :  每周7天×24小时  
(3)已服务过的学生人数: 我校学生400多人  
(4)是否面向社会提供服务:√是  否   已与新疆大学和全国鸟类环志中心共享。