教学案例一:秦岭珍稀濒危陆生脊椎动物物种多样性及其栖息地的保护

【实验目的】

熟悉秦岭代表性珍稀濒危动物的种类和形态特征,生物学习性和栖息地环境,了解物种保护的根本措施以及珍稀濒危动物保护的重要性和紧迫性。

【实验原理】

秦岭是我国南北地质、气候、水系、土壤和动物地理的天然分界线和过渡地带。在脊椎动物方面,秦岭是东洋界和古北界在中国的分界线和南北动物区系的交汇和过渡地带。

秦岭是我国生物多样性的热点区域和优先区域之一,有很多特有物种和珍稀濒危动植物,其中列入中国脊椎动物红色名录的有大熊猫、金丝猴、羚牛、朱鹮、黑熊、豹、林麝等,而大熊猫、金丝猴是我国特有的珍稀物种。这些物种具有很大的研究和保护价值。

濒危物种,尤其是兽类,在野外调查中一般很难看到鲜活的实体,即使是痕迹都很难看到(足迹、毛发等),因此应用虚拟仿真结合课堂教学。教学过程中采用虚实结合的实验教学方法,配合秦岭生物学野外实习过程。学习过程包括:(1)课堂学习,了解秦岭珍稀濒危动物的种类,内部生理结构和外部形态特征,系统进化地位和生活史特征以及栖息地特点;(2)野外实习,首先参观陕西省珍稀濒危动物抢救饲养研究中心,近距离面对这些人工救护的珍稀濒危动物,了解珍稀濒危动物救护工作的步骤和程序以及重要性,其次走进秦岭深处,探寻秦岭珍稀濒危动物的痕迹,进一步了解其栖息地的特点和适宜性;(3)通过虚拟仿真系统认识秦岭珍惜濒危动物的形态结构、栖息环境。通过本虚拟仿真系统学习的过程包括教师演示讲解、学生练习操作及探索、学生学习效果的考核等过程。

【实验设备】

电脑(配置独立2G显存,耳机),塔式数据服务器、陕西师范大学秦岭野外综合实习虚拟仿真实验模拟软件,多媒体投影机,秦岭鸟类野外实习手册,秦岭兽类志,陕西野生动物图鉴,实验报告册。

【实验步骤】

(1)背景知识课堂教学

以《普通动物学》(第4版)为教材,主要讲授第21章第2节“哺乳纲的分类” ,第3节“哺乳类的进化和适应辐射”和第21章第4节“哺乳类的保护、持续利用与害兽防治原则”。重点介绍哺乳纲中主要目的分类特征、分布、代表种类、濒危状况及致危原因;讲授物种及栖息地的保护、建立自然保护区、受胁物种保护工作中的基本理论、政策法规和保护实践。

(2)虚拟仿真物种形态和栖息地实景展示

学生进入虚拟仿真系统,以第一人视角在5个典型植被样带场景中自由探索,对遇到的所有动物点击获取其特征描述,观察其出现地点的环境特征。重点关注以下动物物种(图12):

① 大熊猫的形态特征和栖息地实景展示

了解大熊猫的外部形态特征(体色、体长、体重等),熟悉大熊猫在秦岭分布的栖息地环境(海拔区间、植被垂直带、竹林)、食性以及繁殖习性,所面临的主要威胁和保护措施。

② 川金丝猴的形态特征和栖息地实景展示

了解金丝猴的外部形态特征以及和其他金丝猴的区别(滇金丝猴、黔金丝猴)(体色、雌性差异、体长、体重等),熟悉金丝猴的栖息地特点(海拔、植被类型),生活习性(树栖、群居社会性、繁殖),集群特点和保护对策。

③ 羚牛的形态特征和栖息地实景展示

熟悉羚牛的体态特征(体色、雌性差异、体长、体重等)和食性以及繁殖习性,了解秦岭羚牛和其他地区羚牛的形态差异,羚牛在秦岭的分布及其面临威胁。

④ 朱鹮的实体模拟和栖息地实景展示

了解朱鹮栖息地主要特点,朱鹮繁殖地,夜宿地和觅食地之间的区别和联系,通过朱鹮在秦岭宁陕的再引入,理解再引入工程在受胁物种保护上的重要意义。

图12 “教学案例一”实验过程-四种珍稀濒危动物

(3)实验效果考核

学生进入虚拟仿真系统考核界面,完成随机抽选的动物特征及环境特征问答,并提交。

(4)教师评价

教师在虚拟仿真系统考核界面教师端口对学生回答做出评分。

(5)学生完成纸质实验报告

【思考题】

1. 大型哺乳类动物(如:东北虎)和小型哺乳动物(如:田鼠)在环境发生剧烈波动时是否具有相同灭绝风险?试解释其原因。

2. 结合物种保护的基础理论谈谈大熊猫养在动物园里或者人工繁育中心等地对于这个物种的保护有什么意义,这些大熊猫可以进行野外放生吗?

教学案例二:从秦岭太白山的草本植物认识被子植物花的演化

【实验目的】

学生沿五个预设场景,认识不同科属的草本植物类群,掌握各个植物类群花的形态学特征及其变化方向,理解花器官在被子植物中的演化历程。

【实验原理】

花是被植物创新性的繁殖器官,被子植物是现生陆生植物种类最繁盛、环境适应性最强的植物类群,被子植物的繁盛,与花器官产生大大提高了植物繁殖的异交率和生殖成功率息息相关。

现生的被子植物约有25万种,他们共有的繁殖器官的形态结构也是多种多样。整体来说,原始的被子植物的花大多数是具有多数花器官的两性花,往往是单独的一朵花着生在枝顶或者叶腋处;辐射对称;花器官着生方式为螺旋状、离生,花被同形、不分化为绿色的萼片和颜色鲜艳的花瓣,子房上位,子房中胚珠数目较多,多为边缘或中轴胎座;而演化后期衍生的被子植物的花,大多具有固定数目的花器官,并且单性花的比例上升,多数的花形成花序的比例上升;两侧对称或者不对称;花器官多为轮状排列,相同或者不同的花器官之间开始广泛合生,花被分化、常常区分为绿色的萼片和颜色鲜艳的花瓣(冠),子房逐渐与花萼筒合生(即子房下位,隐藏、保护),子房中胚珠数目减少,出现侧膜胎座、基地胎座等衍生胎座类型。这种演化趋势,揭示了被子植物花器官的叶性起源,也代表了被子植物花的保护性一步一步加强、在保护性提高后向着节省能量和消耗的方向发展演化。

在理论课教学、传统实验课教学的过程中,城市的环境使学生只能接触到常见的少数几个被子植物的科,比如木兰科、蔷薇科、木犀科和菊科等;在这些少数几个常见科中,也只能见到广泛人工栽培的品种、或者少数的野生种;种类的局限性不能帮助同学们全面认识被子植物多种多样的花部形态分化,更不能很好的理解花在自然界的演化历程,与教学目标背离;野外实习使得学生有机会接触更多的野生植物,更多的类群、同类群中更多的物种,但是野外实习时间有限,各种非人力因素的影响大,赶路和认识植物的任务繁重,学生常常出现看得多、记得多,回来遗忘更多更快的情况。虚拟仿真实验平台上,五个教学场景中包含了95种被子植物,每一种植物的植株、器官均完成了模型构建,学生可以反复进入几个场景中做比较性的学习,不仅认知更多在校园里看不到的植物种类,更方便学生归纳、总结,自己去体会教科书上描述的花在被子植物中的演化历史。

在虚拟仿真教学平台现有的95种被子植物中,有47种草本植物,分别来自毛茛科、虎耳草科、蔷薇科、伞形科、龙胆科、菊科、禾本科和百合科等19个科,代表了被子植物中双子叶植物八个亚纲中的五个:毛茛亚纲、石竹亚纲、五桠果亚纲、蔷薇亚纲、菊亚纲,单子叶植物中向着风媒方向演化的鸭跖草群和向着虫媒方向发展的百合群;如此广泛的类群分布已经足以开展花部形态结构比较和演化历程推演的学习和分析。

【实验设备】

电脑(配置独立2G显存,耳机),塔式数据服务器、陕西师范大学秦岭野外综合实习虚拟仿真实验模拟软件,多媒体投影机,秦岭常见植物图册,实验报告册。

【实验步骤】

(1)背景知识的课堂教学

教师带领学生,复习相关理论知识背景,尤其是被子植物花部形态结构、各部分形态学术语;被子植物的演化历程,塔赫他间系统被子植物分类知识、被子植物花部演化趋势等。

教材内容:《植物生物学》(第3版,周云龙,北师大,高等教育出版社)第十三章 被子植物(Angiosperm),第一节 被子植物的主要特征;第二节 被子植物的分类原则和演化趋向;第五节 被子植物的分类(各亚纲、各科植物特征,尤其花部形态结构)。

(2)虚拟仿真平台植物特征认知

学生登录虚拟仿真平台,在老师的带领下,分别进入五个预设场景,了解下述草本植物(及其所属科属)的花部形态结构(图13):

下面是部分草本植物花部结构的举例展示:

图13 “教学案例二”实验过程-四种草本植物花部形态(三维模型) 左上:太白银莲花;右上:白花碎米荠;左下:秦岭龙胆;右下:牛蒡

(3)实验效果考核

①虚拟仿真平台植物花部形态总结

学生在虚拟仿真实验平台进入考核界面,完成针对本节内容的实训任务1:太白山各个场景代表性草本植物花部形态结构总结,完成下表填写:

②虚拟仿真平台归纳总结植物所属类群及其类群特征

学生在虚拟仿真实验平台进入考核界面,完成针对本节内容的实训任务2:太白山各个场景代表性草本植物所属植物类群及其类群花部特征的总结归纳,完成下表填写:

③虚拟仿真平台推演被子植物花部形态的演化趋势

学生在虚拟仿真实验平台进入考核界面,完成针对本节内容的实训任务3:太白山代表草本植物花部形态结构演化历程推演,根据被子植物各个亚纲一致的演化历程,和本次实验观察归纳的各个亚纲代表性的草本植物花部特征,填写下表:

(4)教师评价

教师在虚拟仿真系统考核界面教师端口对学生完成实训任务1-3做出评分。

(5)学生完成纸质实验报告

学生根据教师的评价,回顾在太白山虚拟场景中遇到的草本植物花部形态,归纳整理被子植物花的演化历史。

【思考题】

A:被子植物花形态演化的趋势是?

B:接合五个预设场景,被子植物花的演化与环境适应的关系是?

【实验效果】

通过本实验和在虚拟仿真平台各个虚拟场景的实训,学生认识到了更多课堂和校园内见不到的植物,通过系统的认知、比较和总结不同植物的花部特征,获得如下认知:

A:通过反复的观察、比较和理论性的总结,学生能更好的理解被子植物花器官的演化趋势:从单生到集成花序,从两性花到单性花,从辐射对称到两侧对生;花器官从多数螺旋状着生到定数、轮状着生,从离生到合生;花被从同被到异被;子房从上位到下位;胚珠从多数到少数,胎座从边缘、中轴到侧膜、基地(顶生)胎座,等等;

B:通过对各种植物的观察和归纳,学生能够逐步理解原始或者衍生的形态特征往往不全部集中在一个植物中,同一植物具有的形态特征可能有一些是比较原始的,另一些却是后衍生的,这代表了特定的植物从产生之日并不是就一成不变了,而是始终处在不断的演化过程中;

C:通过按照植物类群的演化历史标定花部形态的演化历程,学生能够明白,植物形态学特征的演化的确具有总的方向和趋势,但是这个方向和趋势并不是唯一单向的,演化总有反复、迂回,一些原始的性状又可以次生产生,比如被子植物演化产生的导管,在水生植物中又次生的丢失;如花器官演化过程中,子房中胚珠数目减少是大趋势,但是在单子叶植物最演化的类群之一,兰科植物中,胚珠数目极多,也是一种次生的原始性状,因为它与兰科特异的生活习性和环境适应息息相关。

教学案例三:秦岭太白山植被垂直分布格局及其与环境因子的关系

【实验目的】

了解太白山植被随海拔高度变化而呈现的垂直分布规律,掌握特定海拔高度范围内主要群落类型的群落结构及群落外貌特征,深入理解环境因子对物种多样性分布格局的影响。

【实验原理】

物种多样性沿环境梯度的分布格局受到生态学家的密切关注。水、热因子、干扰及空间异质性等多种生态因子,均会在区域尺度上影响物种多样性的分布格局。海拔梯度由于包含了多种环境因子的综合变化过程,且环境因子在较小的空间距离内就会产生较大差异,而在陆地生物多样性的水平分布格局(纬度地带性和经度地带性)中,环境因子对生物多样性产生同样的影响需要更广阔的空间距离,因此海拔梯度成为研究环境因子对生物多样性格局综合影响工作中的理想环境梯度类型。

秦岭山脉地处我国暖温带和亚热带的生态过渡带,是我国南北自然地理,气候、水系、土壤和动物地理的天然分界线和过渡地带。就植物区系而言,秦岭山脉是我国种子植物分布的特有中心之一,有种子植物164科1052属3839种,其中中国特有种1620 种(占全部物种的51. 9 %) ,秦岭特有种192 种(6. 1 %) ,而在892 属中39 属为中国特有。秦岭主峰太白山,垂直海拔落差达3400多米,气温、降水随海拔差异变化大,地形复杂,环境梯度分异显著,在太白山观察、学习植物物种多样性沿海拔梯度的分布格局,有助于掌握和深入理解物种多样性沿海拔梯度分布格局的一般规律。

秦岭山脉北坡短而陡峭,南坡长而缓和。气候上南坡低山丘陵区属北亚热带,气候温暖,雨量较多;北亚热带之上,自下而上分别为暖温带、温带、寒温带、亚寒带和寒带共计六个气候带,延海拔上升渐变的、丰富多样的气候类型决定了秦岭丰富的生物物种资源和植被垂直分布带的形成。秦岭主峰太白山,海拔3771.2 米,是我国青藏高原以东大陆的最高峰,也是研究山地生物多样性垂直分布格局形成的良好场所。太白山自基部的农林经济带之上,野生植被可以分为4个植被型18个群系, 4个植被型由低到高包括落叶林、针叶林、灌丛草甸及高山流石滩稀疏植被。阔叶林带(海拔600~2700 m)是在温暖湿润和半湿润的气候条件下形成的森林群落,群落结构复杂,物种组成丰富,生物多样性较高,栓皮栎、锐齿栎、辽东栎、红桦、牛皮桦为其主要建群种。针叶林带(海拔2700~3300m)是以寒温性针叶树种为建群种所组成的森林群落,包括针叶纯林、针叶树种的混交林以及针叶树为主的针阔叶混交林。太白山针叶林带以巴山冷杉林和太白红杉为主要建群种,前者相对海拔略低,为常绿针叶林;后者是落叶针叶,海拔相对高,其上界为太白山的林线高度。灌丛草甸(林线以上)是以高山灌木植物及草本植物为建群种组成的植被类型。该植被分布在太白山林线以上,灌丛与草甸镶嵌生长,形成灌丛草甸带。灌丛包括常绿革叶灌丛(太白杜鹃群系、金背杜鹃群系和头花杜鹃群系)和落叶阔叶灌丛(蒙古绣线菊群系和杯腺柳群系),草甸物种相对丰富,主要包括廖科、龙胆科、禾本科、豆科、菊科、蔷薇科等多种一年生及多年生草本植物。高山流石滩稀疏植被分布在海拔3400米以上区域,在冰川遗迹石河及石海中零星分布有草本、灌木及木本植物,均为局域种库中的先锋物种。

【实验设备】

电脑(配置独立2G显存,耳机),塔式数据服务器、陕西师范大学秦岭野外综合实习虚拟仿真实验模拟软件,多媒体投影机,实验指导手册,实验报告册。

【实验步骤】

(1)教师使用多媒体授课形式,讲解生物多样性分布格局以及群落生态学相关理论知识;

(2)教师利用多媒体设备,介绍秦岭及太白山相关背景知识,展示实地摄制图片及视频材料;

(3)展示不同海拔植被带中的主要群落建群种图片及文字资料,要求学生识记,掌握其主要辨别特征;

(4)通过数据服务器,教师演示虚拟仿真软件的使用方法,学生详细记录;

(5)学生上机操作,在虚拟仿真软件内完成5条不同海拔群落样带的漫游式浏览,对途中遇到的植被特征进行文字性描述,并记录主要物种;同时对不同群落对应的海拔高度、温度、降水、土壤等生境指标进行记录(图14);

图14 “教学案例三”实验过程-观察记录植被特征、生境指标

(6)学生完成样带浏览后,进入平台测试窗口,在太白山不同海拔空白地图上使用平台提供的元素分别搭建太白山农林经济带、阔叶林带、针叶林带、亚高山灌丛草甸带和高山流石滩带上的植物群落(图15);

图15 “教学案例三”考核过程-自主搭建典型场景

(7)点击提交按钮,系统给出吻合度评分,教师根据学生构建的群落的合理性给出最终评分;

(8)完成实验报告,总结实验过程中遇到的问题,完成课后思考题;

(9)由虚拟软件导出个人实验记录数据,关闭电脑,实验结束。

【思考题】

(1)如何理解物种多样性分布格局中垂直地带性和水平地带性的异同?

(2)如何理解环境因子与物种多样性分布格局的关系?