东北虎豹国家公园生物多样性虚拟仿真实验

朱卫红延边大学上线时间:2024年
  • 所属专业类:地理科学类
  • 对应专业:地理科学
  • 课程类型:专业核心课
  • 实验类型:综合设计型
所属课程:生物地理学、生态学基础

本实验依托东北虎豹国家公园野外实践平台,基于真实研究数据而设计。实验包含珍惜濒危植物物种识别、早春开花植物物种调查、植物群落多样性调查与分析和植物细胞显微观察实验四个实验模块,着重培养理论联系实际的能力和野外实践创新能力。本虚拟仿真实验适用于地理科学、生态学、环境科学等本科课程野外实践教学。

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    实验教学目标实验原理实验教学过程与实验方法实验步骤实验结果与结论

    价值目标:

    (1)形成生态素养和环保意识以及科学的人地协调观;

    (2)形成团队合作精神与集体荣誉感,具有热爱大自然、热爱生活、热爱专业学习的美好情感。

    (3)自觉践行绿色发展,认同人与自然和谐共生理念;

    知识目标:

    (1)能够识别东北虎豹国家公园中常见草本、灌木、乔木等植物,概述植物分类方法与原理;

    (2)阐明植物细胞结构、形态特征及植物标本采集与制作方法;

    (3)概括植物群落生物多样性调查基本原理和方法。

    能力目标:

    (1)能制定野外植物物种多样性调查方案;

    (2)能够对野外植被调查数据进行基本分析;

    (3)能够自主学习新知识,并主动与他人开展合作

    (1)实验原理:

    ① 食物链与食物网理论

    生态系统是由生物与非生物构成的整体。其中,生物成分包括生产者、消费者、分解者,它们之间是相互依存、相互影响的。这些生态系统组分,按照一定的方式组合起来,形成不同的结构。其中,最重要的是由食物和营养关系形成的营养结构,即食物链和食物网。

    生物有机体通过食物的关系形成一个结构,可以使生物的能量与物质流通,这种一系列关系叫做食物链。但是,自然界生物间的关系不像食物链所表达的那样简单。实际上一个生态系统中常常生活着许多不同的植物和动物,同时形成若干个食物链。这些食物链上的一些动物常常既吃植物又吃其他几种动物,而它本身又可能被不同的消费者所食。各个食物链彼此交织、错综联结形成复杂的能量与物质流通的网络,即食物网。生态系统的营养结构即主要指食物网。

    食物链、食物网是生态系统在长期发展过程中逐渐形成的,其中各种生物间、生物与环境间处于相互适应、彼此协调,从而维持生态系统的平衡。如果人们不合理地去除或添加食物链、食物网中的某一环节,将可能导致生态系统失衡。

    ② 生物多样性理论

    生物多样性是指生物的多样化和变异性以及物种生境的生态复杂性,可以分为遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性3个层次。在这三个层次中,研究最多的就是物种多样性,即地球上生物有机体的多样化

    物种多样性通常具有两种涵义:其一是种的数目或丰富度,它是指一个群落或生境中物种数目的多寡;其二是种的均匀度,它是指一个群落或生境中全部物种个体数目的分配状况,它反映的是各物种个体数目分配的均匀程度。科学研究中常使用辛普森多样性指数和香农-威纳指数等多样性指数作为反映丰富度和均匀度的综合指标。

    物种多样性的测定方式多种多样,最简单的方法就是统计物种种数,称为物种丰富度。但这种方法存在一些不足之处。一个群落或生态系统中各个物种的多度不是均匀分布的,而是有些物种极为常见、在群落中占优势地位,另一些物种则稀有。因此,仅统计总数不能全面反映群落的多样性。为此,生态学家引用了信息论中的计算方法,即是我们前面学习过的香农-维纳指数和辛普森指数。这两个指数的优点在于它们同时考虑了种数和各个种的相对多度。当各个种的个体数目相等时,种数越多,多样性指标也越高;当种数相等时,种间的均匀度越高,多样性指标也越高。应当指出的是,在实际应用中,这两个多样性指数中的各物种的个体数量也可以是其他参数,例如生物量、盖度、摄取能量等。 

    知识点:
    6
    1. 1. 植物形态特征识别及物种分类方法。
    2. 2. 植物样本采集及标本制作方法。
    3. 3. 植物主要组织与器官结构的基本特征。
    4. 4. 植物群落的基本概念及群落特征调查方法。
    5. 5. 植物群落种类组成特征的数量指标与测量。
    6. 6. 植物群落数据统计分析的基本方法。
    (2)核心要素仿真设计:
    野外实践虚拟仿真实验核心要素包括:虚拟野外实习场景、虚拟目标物种、虚拟研究过程。
    
    虚拟野外实习场景:以真实的东北虎豹国家公园野外实习场景为基础,采用3D建模技术构建虚拟实验场景,全方位模拟国家公园自然景观。场景可360°旋转,学生可在场景中漫游,场景中配以鸟鸣和代表性动物东北虎的3D动物模型等元素,具有高度的仿真性和沉浸式体验感,使学生仿佛亲身参与国家公园野外实践。
    
    虚拟目标物种:以东北虎豹国家公园珍惜濒危植物的真实野外照片、标本照片和视频为参照,精细化模拟制作植物静态3D模型,并包含植物的茎、叶、花等外在形态特征和生态描述等信息。学生通过观察模型外观、形态信息,即可对所调查植物进行初步物种识别。
    
    虚拟研究过程:实验研究过程来源于国家自然基金等科研项目真实案例,野外研究样地选择、样方设置和数据采集过程充分模拟一线真实科研方法,能够对学生的野外实践能力进行综合训练。实验获得的实验数据基于真实研究数据模拟生成,具有随机性强、代表性佳、仿真度高的特点。
    (1)学生交互性操作步骤:
    共14 步
    1实验1 种子植物形态与特征:(1)代表性裸子植物识别根据植物形态特征,正确识别云杉等濒危珍惜目标植物物种后,采集用于制作标本的植物个体4个。12每采集一个目标植物标本给3分,共需采集4个标本。12
    2实验1 种子植物形态与特征:(2)代表性裸子植物标本制作将采集到的濒危、珍惜植物样本制作成4个植物标本12每制作完成一个标本3分,共需制作4个标本。12
    3实验2 早春开花植物调查:(1)物种调查根据植物形态特征,正确识别3种以上早春开花植物种类15每个物种正确输入中文名给2分、正确输入拉丁名给3分;共需识别至少3个物种。15
    4实验2 早春开花植物调查:(2)名录提交正确提交物种名录1正确提交给3分。3
    5实验3 植物群落特征调查与分析:(1)调查样地选择选择调查样地,并正确测量、填写样地的经纬度和海拔坐标信息3正确填写精度信息给2分、正确填写纬度信息给2分,正确填写海拔给2分6
    6实验3 植物群落特征调查与分析:(2)一号样方植物多样性调查选择一号样方,完成样方内乔木、灌木和草本植物物种信息调查15完成乔木植物调查3分,完成灌木植物调查3分,完成草本植物调查3分。9
    7实验3 植物群落特征调查与分析:(3)二号样方植物多样性调查选择二号样方,完成样方内乔木、灌木和草本植物物种信息调查15完成乔木植物调查3分,完成灌木植物调查3分,完成草本植物调查3分。9
    8实验3 植物群落特征调查与分析:(4)三号样方植物多样性调查选择三号样方,完成样方内乔木、灌木和草本植物物种信息调查15完成乔木植物调查3分,完成灌木植物调查3分,完成草本植物调查3分。9
    9实验3 植物群落特征调查与分析:(5)植物多样性数据提交将调查数据正确上传至实验系统1正确提交给5分5
    10实验4 显微镜观察植物细胞:(1)植物标本载玻片放置正确调试好显微镜参数,将载玻片放在载物台上53分钟内完成放置,给5分;4分钟内完成放置,给4分;5分钟内完成放置,给3分;超过5分钟完成放置给2分。5
    11实验4 显微镜观察植物细胞:(2)低倍镜观察植物细胞调整粗细准焦螺旋及光亮度等保证低倍镜下对焦清晰53分钟内完成,给5分;4分钟内完成,给4分;5分钟内完成,给3分;超过5分钟完成,给2分。5
    12实验4 显微镜观察植物细胞:(3)高倍镜观察植物细胞调整物镜放大倍数、调整细准焦螺旋对焦保证高倍镜下对焦清晰53分钟内完成,给5分;4分钟内完成,给4分;5分钟内完成,给3分;超过5分钟完成,给2分。5
    13实验4 显微镜观察植物细胞:(4)显微镜观察实验收尾观察完标本后,将载玻片取下,放入正确位置,将显微镜参数回归初始,并关闭显微镜53分钟内完成,给5分;4分钟内完成,给4分;5分钟内完成,给3分;超过5分钟完成,给2分。5
    14实验报告查看、修改、提交实验报告25教师按照实验报告质量赋分0~100分(实验操作成绩占总成绩50%,实验报告占总成绩50%)100
    (2)交互性步骤详细说明:

    步骤1:东北虎豹国家公园种子植物形态与特征实验模块,正确识别云杉等目标物种后,采集目标植物(3-6-1)

    图片1.jpg

    3-6-1.种子植物形态与特征实验模块

     

    具体操作:

    1)在场景中漫游,点击场景中的植物可以查看该植物的照片和物种描述,点击物种识别按钮,可以进行物种识别;

    2)根据任务提示,正确识别苏铁、云杉、银杏等裸子植物物种后,找到国家公园代表性珍惜濒危植物物种云杉、冷杉、西伯利亚刺柏和东北红豆杉进行采集;

    3)采集成功后,目标植物自动放入背包,可以点击查看。

     

    步骤2采集完成后,完成标本制作(3-6-2)

    图片2.jpg

    3-6-2.种子植物标本制作

     

    具体操作:

    1)点击标本制作按钮,进入标本制作环节,开始标本制作;

    2)将植物样本放到标本干燥纸上进行压制处理,定期更换干燥纸;

    3)待标本完全干燥后即可将标本装帧,并贴上植物标签。

     

    步骤3东北虎豹国家公园早春开花植物调查实验模块,正确识别植物种类(3-6-3)

    图片3.jpg

    3-6-3.早春开花植物调查实验模块

     

    具体操作:

    1)在场景中漫游,点击一种植物,根据图片和描述等对植物进行识别,输入对应的中文名和拉丁名;

    2)至少识别3种开花植物,并记录物种中文名和拉丁名。

     

    步骤4正确提交植物物种列表(3-6-4)

    图片4.jpg

    3-6-4.早春开花植物物种数据提交

     

    具体操作:将记录好的开花植物物种记录表格进行提交

     

    步骤5东北虎豹公园植物群落特征调查与分析实验模块,选择调查地点后正确测量地理坐标信息(3-6-5)

    图片13.jpg

    3-6-5.植物群落特征调查与分析调查地点选择

     

    具体操作:

    1)在东北虎豹国家公园大地图中,选择调查地点;

    2)进入调查地点后,点击GPS图标按钮,测量相关地理坐标信息,输入相关信息后提交;

    3)选择样地,准备开始调查。

     

    步骤6一号样方物种调查,输入正确物种信息(3-6-6)

    图片5.jpg

    3-6-6.植物群落一号样方物种调查

     

    具体操作:

    1)进入样地后,逐步开始乔木、灌木和草本植物种类调查;

    2)逐个点击样方内的植物个体;

    3)登记植物个体名称、高度并目视估测盖度。

     

    步骤7二号样方内物种调查,输入正确物种信息(3-6-7)

    图片6.jpg

    3-6-7. 植物群落二号样方物种调查

     

    具体操作:

    1)进入样地后,逐步开始乔木、灌木和草本植物种类调查;

    2)逐个点击样方内的植物个体;

    3)登记植物个体名称、高度并目视估测盖度。

     

    步骤8三号样方内物种调查,输入正确物种信息(3-6-8)

    图片7.jpg

    3-6-8. 植物群落三号样方物种调查

     

    具体操作:

    1)进入样地后,逐步开始乔木、灌木和草本植物种类调查;

    2)逐个点击样方内的植物个体;

    3)登记植物个体名称、高度并目视估测盖度。

     

    步骤9将调查数据正确上传至实验系统;

    具体操作:调查完成后,将调查数据通过提交按钮提交到系统内

     

     

    步骤10显微镜观察植物细胞实验模块,将载玻片放在载物台上准备进行观察(3-6-9)

    图片8.jpg

    3-6-9. 显微镜观察植物细胞实验模块

     

    具体操作:

    1)打开显微镜电源;

    2)调节显微镜光照强度至0.4-0.5之间;

    3)点击旋转调焦旋钮,降低载物台高度至最低处;

    4)点击载物台上样品夹将其打开;

    5)选择合适的标本放置到载物台上。

     

    步骤11调整粗、细准焦螺旋及光亮度等保证低倍镜下对焦清晰(3-6-10)

    图片9.png

    3-6-10. 显微镜调整粗细准焦螺旋及光亮度

     

    具体操作:

    1)调节目镜瞳距;

    2)插入滤光片;

    3)先调节粗准焦螺旋、再调节细准焦螺旋,保证对焦清晰。

     

    步骤12调整物镜放大倍数、调整细准焦螺旋对焦保证高倍镜下对焦清晰(3-6-11)

    图片10.png

    3-6-11. 调整物镜放大倍数、调整细准焦螺旋对焦

     

    具体操作:

    1)调节物镜转换器,将物镜调整为20倍镜;

    2)使用细准焦螺旋调准对焦;

    3)调节物镜转换器,将物镜调整为50倍镜;

    4)使用细准焦螺旋调准对焦。

     

    步骤13完成相关参数设置和调整后,将载玻片取下,放入正确位置后整理并关闭显微镜(3-6-12)

     

    图片11.jpg

    3-6-12. 整理后关闭显微镜

     

    具体操作:

    1)调节光强调节旋钮,并恢复原位;

    2)调节孔径光阑;

    3)调节粗准焦螺旋,降低载物台,打开样品夹,取下标本,并归位样品夹;

    4)调节物镜转换器至10倍镜;

    5)调节光强至最低;

    6)关闭显微镜开关。

     

    步骤14根据实验数据撰写实验报告,并提交至虚拟仿真实验教学平台


    实验教学过程

    本实验项目可在线下集中野外实践前作为演练开展,也可作为主要实践内容开展。实验教学过程如下:

    (1)指导教师讲解实验内容和虚拟实验操作方法后布置学习任务。学生需要在规定时间内通过虚拟仿真实验平台进行实验。

    (2)学生进入系统后,根据不同的学习任务,选择不同的实验模块。每个实验模块分为练习模式和考核模式。

    (3)实验时,运行模式首先设为练习模式,持续时间1个月左右,学生可利用该实验平台进行物种认知、细胞结构观察、群落特征调查等练习。该模式下实验会有操作提示,以帮助学生学习。学生可以重复多次练习,系统不记录成绩。

    (4)练习完成后,可选择进入考核模式。该模式下,系统没有提示信息,学生需要根据实验要求,完成相关实验。

    (5)实验结束后需保存和提交实验结果并导出实验数据,线下完成统计分析后完成实验报告并提交。

    (6)系统将自动评定实验过程分数,教师对实验报告批改赋分后,平台综合评定最终实验成绩。

    实验方法

    (1)观察法:在实验操作中,学生观察虚拟仿真实验平台生成的东北虎豹国家公园代表性裸子植物3D模型和物种形态特征信息。此外,学生前往虚拟实验室,使用显微镜观察植物细胞、组织和器官的形态结构。

    (2)野外调查法:学生前往虚拟野外实验场景,调查虚拟仿真实验平台生成的早春开花植物,获取物种形态特征和信息。此外,还可以调查植物群落草本、灌木和乔木物种信息、个体数量,获取植物群落数量特征信息。

    (1)实验过程:学生经过学习,按照规定流程正确完成实验时,系统将自动赋分,不会干扰其操作;当学生实验过程违背操作规范时,系统自动提供辅助提示,指出错误,帮助学生规范操作,避免错误行为。

    (2)实验报告:学生在物种调查等实验获得的数据为模拟自然情况随机生成,不同学生会对虚拟场景的生境状况形成不同的认识与判断,可能会认为实验场景生物多样性情况良好或恶化,教师会根据学生实验报告撰写的合理性进行科学评价,并指出不足之处,保证学生形成正确、科学的认识。

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