“秦岭生物学野外实践教育虚拟仿真实验教学项目”开发了秦岭5个垂直生态场景及近140个动植物3D模型的虚拟仿真资源,规划了近20个实验单元;支持学生基于VR技术完成基础性实验、研究型实验内容,覆盖自然环境、环境中的物种、生物多样性、动植物地带性分布、环境保护和可持续发展五大教学知识点(图1)。

图1 “秦岭生物学野外实践教育虚拟仿真实验教学项目”知识体系

(1)学生通过“秦岭生物学野外实践教育虚拟仿真实验教学项目”,了解秦岭及其主峰太白山自然概况。

秦岭山脉西起甘肃的临洮,东至河南伏牛山,东西长约800公里,南北宽约200公里,是中国南北自然地理、气候、水系、土壤和生物区系的天然分界线。秦岭山地生物多样性资源丰富,是我国生物多样性保护优先区域之一,被称为我国暖温带-北亚热带物种最丰富的生物基因库。同时,该区域是长江重要支流汉江、丹江和嘉陵江以及黄河重要支流南洛河的发源地,是南水北调的重要水源区、及北京、西安等大城市的重要饮用水源地。因此秦岭的生态环境保护对于保障区域生态安全和经济社会发展都具有十分重要的战略意义(图2)。 位于陕西中西部的太白山是秦岭山脉的主峰,海拔3771.2米,是我国大陆中东部第一高峰,具有我国青藏高原以东大陆地区最完整的植被垂直分布带谱,总的来说,秦岭植被分布的垂直带谱由低到高依次为:农林经济带、常绿落叶阔叶混交林带、阔叶林带、针叶林带、亚高山灌丛草甸带、高山流石滩带。各功能区带动植物分布迥异,呈现出明显的垂直变化规律,是研究植被以及赖以栖息的动物群落垂直分布规律的理想场所,是开展动物学、植物学和生态学野外实践教育的“天然实验室”。

图2 秦岭的地理位置及其重要意义

(2)学生通过“秦岭生物学野外实践教育虚拟仿真实验教学项目”,识别秦岭(太白山)各生态系统常见动植物,掌握动植物标本采集、制作、记录方法。

系统掌握各动植物类群的生物学特征及物种鉴别方法是进行野外实践活动的重要基础。本虚拟仿真实验教学项目总结描述了百合科、兰科、十字花科等科属的95种秦岭重要植物,及熊科、猴科、山雀科等45种秦岭常见动物的基本识别特征,学生通过虚拟技术,可以放大观测秦岭代表动植物物种的三维模型,根据其分类学特征进行检索,最终达到准确鉴定的目的。学生通过常见物种的识别、细微结构观测、鉴定,总结归纳该类群的特征,举一反三,了解不同类群之间的差异;重点掌握以太白山为代表的秦岭常见及濒危动植物的分类学特征(图3)。

图3 秦岭常见及濒危动植物

动植物野外调查方法是生物学野外实习的重要内容,通过本教学项目要求学生掌握动、植物的野外调查方法,学会对动、植物的形态、生态环境记录方法;掌握动、植物标本的采集,植物腊叶标本、动物扦插标本和浸制标本的制作和分类保藏方法;掌握动、植物的常规分类和鉴定方法。

(3)学生通过“秦岭生物学野外实践教育虚拟仿真实验教学项目”,理解太白山动植物物种多样性、太白山典型生态系统特征及多样性,并掌握生态学野外调查及数据分析方法。

秦岭地处我国北亚热带向暖温带的过渡地带,占据特殊地理位置、加之由于受第四纪冰川的影响较小,为各种各样的生物的生长、繁衍和保存提供了丰富的生境类型。同时,具有较高的以森林生态系统为主要特征的生态系统多样性和保存完整的第四纪冰川地貌遗迹,以及独具特色的自然景观,因而,这一地区历来是材用、药用、食用生物资源的开发基地,素有“生物基因库”、“天然博物馆”、“生态实验室”之称,是具有国际意义的陆地生物最丰富的地区之一。 秦岭地区动植物区系成分丰富多彩,多种成分汇集,表现出明显的交汇和过渡特征。已探明的有3436种植物、722种动物、440种苔藓和425种地衣(图4)。本虚拟仿真实验教学项目的虚拟仿真系统通过逼真的三维建模重现140余种秦岭特有及常见动植物,通过场景布置充分体现秦岭动植物多样性。通过本虚拟仿真实验教学项目,要求学生理解太白山动植物物种多样性、太白山典型生态系统特征及多样性。 生态学野外调查及数据分析方法是动植物群落研究的基本方法,掌握生态学野外调查及数据分析方法是野外实践活动的基本要求之一,是调查、研究秦岭动植物及生态系统多样性的重要途径。

图4 秦岭素有“生物基因库”之称

(4)学生通过“秦岭生物学野外实践教育虚拟仿真实验教学项目”,理解太白山植被分布的垂直地带性规律、太白山动物垂直分布规律,了解秦岭南北坡动植物区系差异性。

秦岭山地海拔高度大多在1000-3000米之间,海拔跨度大;随着地势抬升,气候、土壤、植被甚至动物分布都出现了明显差异,垂直分布带特别明显(图5)。秦岭主峰太白山是我国大陆中东部第一高峰,具有我国青藏高原以东大陆地区最完整的植被垂直分布带谱,由低到高依次为:农林经济带、常绿落叶阔叶混交林带、阔叶林带、针叶林带、亚高山灌丛草甸带、高山流石滩带。各个垂直带谱的动物分布也有所差异。 除此之外,秦岭山地南北坡也存在着植被和动物分布的差异,秦岭南坡和北坡的动植物区系也各不相同。秦岭被子植物中约有木本植物70科、210属、1000多种,其中常绿阔叶木本植物占38科、70属、177种,除个别树种外,南坡都有生长,而北坡只有21属、46种。樟、柑桔、茶、油桐、枇杷、竹子等亚热带标志植物在秦岭以南均生长良好,而在秦岭以北则较少见,但秦岭以北盛产苹果、梨等温带水果。秦岭南北的动物也有较大差别。就兽类来说,以秦岭为分布北界的有23种,占兽类总数的42%,秦岭以南的兽类中,有不少南方成分,如金丝猴、大熊猫、羚牛、华氏菊蝠、猪獾、大灵猫、小灵猫、云豹、苏门羚、豪猪等,而分布于秦岭以北的兽类,只有8种,占兽类总数的10%,主要有白股阔蝠和黄鼠等。通过本虚拟仿真实验教学项目,要求学生掌握太白山动植物地带性分布的特点,了解其规律及差异性。

图5 秦岭主峰太白山“六月积雪”

(5)学生通过“秦岭生物学野外实践教育虚拟仿真实验教学项目”,了解濒危动植物保护、天然林保护、退耕还林、及保护区建设的概况。

秦岭是许多古老和孑遗生物的避难所,稀有、特有物种类型较多,已有128种动物和56种植物被列入国家和省重点保护对象,其中国家一级重点保护野生动物19种,包括大熊猫(Ailuropoda melanoleuca)、川金丝猴(Rhinopithecus roxellana)、羚牛(Budorcas taxicolor)、朱鹮(Nipponia nippon)等;国家一级重点保护植物有红豆杉(Taxus chinensis)、独叶草(Kingdonia uniflora)、华山新麦草(Psathyrostachys huashanica)等。此外,秦岭植物的地理组成成分复杂多样,亚热带成分、温带成分、广布成分和中国特有成分都在秦岭汇集,形成我国重要的生态交汇区。 1965年,秦岭地区建立第一个自然保护区——太白山自然保护区。50多年来陕西省境内建立各级自然保护区52个,其中,国家级自然保护区20个、省级自然保护区25个、市(县)级自然保护区7个,保护区总面积超过100万公顷。秦岭自然保护区群是秦岭生物多样性的精华所在,对天然林保护、退耕还林均起到作用(图6)。 为了维护秦岭水源涵养、水土保持功能,保护生物多样性,规范秦岭资源开发利用活动,促进人与自然和谐相处,实现经济与社会可持续发展,习近平总书记曾先后六次批示开展秦岭生态环境保护,本虚拟仿真实验教学项目的开发与实施,有助于学生了解秦岭地区动植物及生态环境保护的重要性,树立正确的生态文明观。

图6 陕西省自然保护区分布