人工智能在動物繁殖學教學中的運用

夏 威,李 嘉,李俊杰

(河北農業大學 動物科技學院,河北 保定 071001)

動物繁殖學是一門研究如何通過繁殖來提高生產效率的科學,它旨在探索動物繁殖的生理特征、規律、機理,并利用各種技術手段來改善和控制繁殖過程,從而促進動物的健康發育。其中動物繁育學的課程在這里起到了關鍵角色,教育過程培養了專門的動物繁育學人員,為動物繁育領域培育具有技能和意識的從業人員;與此同時,可以提升畜牧業的效益和品質,通過調整飼養方針與技能,改善動物飼養質量,促進畜牧業的蓬勃發展。

在當前動物繁殖的教學中存在很多難點。首先,動物繁殖學涉及多個物種和不同的繁殖策略,每個物種都有其獨特的特點和需求,因此教學需要針對不同的物種進行個性化的教學和培訓;其次,動物繁殖學的技術和方法不斷發展和更新,教師需要跟上這些變化,并及時更新教學內容和教學方法,以保持教學的前沿性和實用性;在這個過程中還涉及到動物的實際操作和實驗,但實踐環境可能受到如動物數量、實驗條件等條件限制,有時可能面臨教師資源不足、設施不完備、實踐難以進行等問題,對教學質量和效果產生了影響。

1 動物繁殖學教學背景

動物繁殖學通常是農學、畜牧學、動物科學等相關專業的重要課程。動物繁殖學的教學內容包括動物繁殖的基本原理、繁殖系統與技術、繁殖管理與策略等方面的知識。教學通常包括實驗環節,學生通過實驗課程掌握動物繁殖技術的基本操作和實踐能力。該實驗將探討人工授精、胚胎移植及利用繁殖性激素的技術,從而獲得更好的結果。此外,為了提高學生的實踐能力和職業素養,動物繁殖學的教學通常還包括實習和實踐環節,學生可能參與到養殖場、繁殖中心等實踐場所進行動物繁殖管理和技術操作。

這個專業涵蓋了動物飼養、育種和繁殖等很多個領域,它擁有很強的實踐性,教師開展了許多的教學實驗[1]?，F如今,高校的招生數及實驗科研項目日益增多,學校實驗室每學年都會給學生安排大量的實驗,以滿足其學習需求;并且完成大量的實驗需要耗費大量的師資和實驗資源,這種情況給實驗教學工作帶來了很大的壓力,教學的難點(見圖1)根據招生人數的不斷增加逐漸體現出來。

圖1 動物繁殖學教學中的難點、痛點Fig.1 Schematic diagram of the difficulties and pain points in teaching Animal Reproduction

1.1 教學內容多樣且復雜

動物繁殖學的教學內容具有多樣性和復雜性,包括動物繁殖的基本原理、繁殖系統與技術、繁殖管理與策略以及繁殖相關的新技術和前沿研究。動物繁殖學的教學內容包括動物繁殖的基本原理,如生殖生理、生殖行為、繁殖器官結構與功能等。學生需要了解動物的生殖周期、性腺發育、性激素分泌等基本原理,以便理解和分析動物繁殖過程中的問題和挑戰。教學內容還包括各種動物繁殖系統和相關的繁殖技術。不同的動物種類可能有不同的繁殖系統和技術,如人工授精、胚胎移植、人工孵化等。此外,還包括繁殖管理和策略方面的知識。學生需要學習如何進行動物繁殖的管理和策略制定,以提高繁殖效率和質量。這包括繁殖環境的調控、繁殖期的管理、繁殖動物的選擇與配對等方面的知識。隨著科學技術的不斷發展,動物繁殖學的教學內容還需要涵蓋繁殖相關的新技術和前沿研究。例如,基因編輯技術、胚胎干細胞技術等在動物繁殖中的應用,以及繁殖過程中的遺傳改良和疾病篩選等方面的最新研究進展。因此,如何讓一名老師能夠講清楚、講明白,同時學生如何做到將知識融會貫通,將理論和實踐結合起來,真正掌握動物繁殖學是有一定難度的。

1.2 教學技術更新和變化快

在現代教學環境下,教學技術的更新變化給教師和學生都帶來了一些難題。對于教師來說,他們需要不斷更新自己的教學方法和技能,以適應新的教學技術。這需要他們學習和掌握新的教學工具和平臺,如在線教學平臺課堂派[2]、虛擬實驗室等。此外,老師還需要適應學生的學習方式和需求的變化。例如,學生更加傾向于使用移動設備和互聯網進行學習,老師需要探索如何將這些新技術融入到自己的教學中,以提高學生的學習效果。

對于學生來說,他們面臨的主要難題是適應新的學習環境和學習方式?，F代教學技術的更新變化意味著學生需要具備更多的自主學習能力和信息獲取能力。學生需要學會利用互聯網和在線資源進行自主學習,同時需要適應在線學習的節奏和方式。此外,學生還需要適應使用新的學習工具和平臺,如在線學習管理系統、虛擬實驗室等。

除此之外,教學技術的更新變化還可能給老師和學生帶來一些技術操作上的難題。老師可能需要花費更多的時間和精力來學習和掌握新的教學工具和平臺的使用方法,而學生可能需要面對技術操作上的困難和挑戰。

1.3 教師資源限制

教師資源包括教師的素質、教學經驗和教學方法等。優秀的教師能夠提供高質量的教學,能夠根據學生的需求和特點采用不同的教學策略和方法,激發學生的學習興趣和主動性。然而,由于招生人數的不斷擴大,很多缺乏教學經驗的新入職教師擔任教學工作,這可能不利于學生的發展。在很多高校都存在實驗教師相對較少的現象,這導致實驗教師指導效果差[3],難以在短時間內完成對大批量學生的精細輔導,教學目標難以完成,專業性強的實驗更加難以開展。

學生需要觀察動物的行為、生理特征和繁殖過程等,以了解其中的規律和機制。如果沒有動物材料可供觀察和研究,學生將無法深入了解動物繁殖的細節和變化,會影響他們對知識的理解和應用能力的培養,此外,還可能會因缺乏實際操作和觀察的樂趣,導致學習興趣和動力的下降。為此,提出了人工智能在動物繁殖學教學中的應用路線(見圖2)。

圖2 人工智能幫助教學模式Fig.2 Schematic diagram of the artificial intelligence-assisted teaching model

2 人工智能在動物繁殖學教學中的運用探討

教師可以通過先進的技術手段,如人工智能(artificial intelligence,AI),對實驗動物的數據進行深度分析[4],從而更好地理解其特征,并且可以更加全面地構建出各種不同的數學模型(見圖3)。

圖3 人工智能應用領域Fig.3 Schematic diagram of artificial intelligence application areas

2.1 智能教育軟件的開發

針對教師水平參差不齊的問題,可以開發一款智能化AI教育軟件,該軟件可以整合豐富的學習資源,如動物繁殖的案例分析、相關文獻和視頻資料等,為學生提供更全面和深入的學習支持,學生可以通過軟件自主選擇和探索學習資源,豐富自己的學習經驗和知識儲備;此外,軟件還可以通過圖像、視頻、動畫等多媒體形式呈現動物繁殖過程,使學生能夠更直觀地理解和學習相關知識,學生可以通過觸摸屏幕、點擊按鈕等方式與軟件進行互動,增加學習的趣味性和參與度;智能化教育軟件還可以模擬動物繁殖過程,提供虛擬實驗和操作的機會,學生可以通過軟件進行模擬操作,觀察和探索動物繁殖的各個環節,培養實際操作的能力;除此之外,還可以根據學生的學習情況和水平提供個性化的學習支持。軟件可以根據學生的答題情況和反饋信息,自動調整學習內容和難度,幫助學生更好地掌握動物繁殖知識。

對于教師而言,智能化教育軟件可以提供教學輔助工具和資源,幫助教師更好地設計和組織動物繁殖教學,教師可以利用軟件中的教學資源和模擬實驗,提供豐富的教學內容和實踐操作機會。同時,軟件也可以提供學生學習情況的數據分析和評估報告,幫助教師了解學生的學習進展和困難,有針對性地進行教學調整和輔導。

2.2 虛擬實踐和模擬仿真環境的搭建

動物繁殖學作為一門實踐性非常強的學科,需要涉及到一些實驗操作的和觀察過程,對于一些實驗條件不足的學?？梢砸胩摂M實踐和模擬仿真環境,模擬動物繁殖的各個環節和過程,學生可以通過操作虛擬實驗設備、觀察虛擬動物的繁殖行為等方式進行實踐操作。采用虛擬實驗室整合豐富的學習資源,如實驗操作指導、相關文獻和視頻資料等,為學生提供更全面和深入的學習支持。學生可以通過虛擬實踐環境自主選擇和探索學習資源,豐富自己的學習經驗和知識儲備。這樣的實踐操作機會可以幫助學生更好地理解和掌握動物繁殖的原理和技術。此外,在實際的實驗室或場地中進行可能存在安全隱患或受限制,而虛擬實踐和模擬仿真環境可以提供安全的學習環境,學生可以在虛擬場景中進行實驗操作和觀察,避免了潛在的危險[5]。

2.3 數據分析和預測

通過實驗動物不但能得到很豐富的數據,同時也可能有不少的隱性信息。在這些信息海洋中,AI數據分析成為了一種主要的方法,它能夠從海量的信息中提取和發掘更能代表數據本質特征、更能反映數據內在統計學規律的信息。由于數據庫系統的不斷完善及各種建模方法的涌現,常規的假設驅動實驗設計開始被非假設驅動實驗設計所代替,為后續試驗計劃的建立提供了強大的支撐。通過AI技術進行數據分析和建立數據庫,可以更加準確地檢測出實驗動物模型的微觀特征,在動物繁殖學實驗中具有重要作用。與此同時,這個技術也已經廣泛用于很多相關領域[6]。

3 國內外運用人工智能在動物繁殖學教學的發展現狀

3.1 國內運用人工智能在動物繁殖學教學上的現狀

內蒙古農業大學的李蓓等[7]將虛擬仿真技術應用在實驗課題教學中,構建了虛擬仿真實驗教學互動平臺,將綿羊胚胎體外制作虛仿真實驗做成五個模塊化系統。仿真實驗模塊中包括實驗目的與原理、五個模塊的虛擬實驗操作,學生在進行理論課程學習和實際實驗操作的同時,加上虛擬實驗操作。實驗細節用視頻和動畫代替,最終讓學生掌握整個胚胎體外制作的全部流程。實驗采用視頻結合動畫,還原胚胎移植所票實驗場景和條件,動態展示了體外受精、早期胚胎發育、胚胎移植、分娩和妊娠的方法和過程,將學生平時難以理解的復雜生物過程充分展現出來,便于學生更加形象地記憶和理解。

廣西大學動物科學技術學院的許惠艷等[8-9]在新時代教育背景下,探索了一種將虛擬仿真實驗教學與傳統教學相結合的教學模式,以改善動物繁殖教學實踐。通過實施發現,這種教學模式能夠有效激發學生的學習熱情,增加學習樂趣,促進學生創新思維和實踐能力的發展,從而提高教學效果。

揚州大學的陳煒昊[10]結合實驗室前期研究數據,以Clock、Cry1/2和Per1/2/3共6個關鍵生物鐘基因的21個位點的多態性位點數據為研究對象,通過兩種不同的決策樹機器學習模型(random forest和XGBoost),比較探究各個位點中與小尾寒羊產羔數最為顯著關聯的位點。

3.2 國外運用人工智能在動物繁殖學教學上的現狀

在利用虛擬仿真技術方面,美國耶魯大學充分發揮了移動實驗具有的即時性、參與性、情境性、泛在性、愉悅度等優點,除了通過平板計算機進行分子生物學、細胞生物學、發育生理學等項目實驗,教師還利用在iPad上的手機應用程序,共享了在中心實驗室和顯微鏡上得到的信息和圖片的數據。通過將可遠距離操作的數碼顯微鏡和平板計算機相連,他們不但能夠對試驗信息進行錄入、分類和注解,還能夠將得到的試驗結果保存備用。

英國開放大學高校開放性研究實驗室建立的宗旨定位：①作為研究與創新實驗教學改革的在線中心;②作為對現場(異地)試驗資料的認真、嚴謹和正確的研究分析方法;③建立了3D沉浸的實驗環境,并提供了遠程監控、虛擬儀器、互動多媒體試驗和在線數據分析與研究等的試驗與研究平臺。目前,該實驗室已經能夠現場完成實驗室的全部工作,只需使用虛擬儀器軟件就能夠現場完成實驗了,并且還可以通過遙控的設備來對實驗完成進行遠程管理。與此同時,該實驗室還開設了一批應用網絡、虛擬現實等技術,能夠實現與實驗項目共享使用的虛擬儀器[11]。

在數據庫及數據分析預測模型方面,馬林納等[12]整理、歸納、分析并總結子宮肌瘤動物模型構建的重要參數,就是運用了數據挖掘的方法,如制造模型的方法、周期和頻率次數等,這些對實驗中建立合理的模型和提升成模率具有很重要的作用和意義。N.Pallast 等[13]提出一種以云為基礎的多模態動物數據關系數據庫,匯總了各種動物臨床前的特征數據,在很大程度上提升了數據的可訪問性、數據的處理效率和數據記錄標準化。

4 結 語

總體看來,將來人工智能在動物繁殖教學中將發揮越來越重要的作用,具備十分廣闊的應用前景。人工智能領域的相關應用能夠針對當今教學中存在的教學內容復雜、教學技術更新變化、教學環境受限的問題做出改進,它能夠幫助教師對生成數據進行分析,并且能夠個性化地參與學生的學習環節,減輕老師的教學負擔;此外,學生還能夠利用人工智能框架的虛擬仿真環境進行虛擬實驗,大大提升學生的參與感,助力教學事業的發展。然而,人工智能的應用也面臨著一些挑戰和問題,如數據隱私和安全性等。因此,未來的發展方向應該是在充分發揮人工智能優勢的同時,加強數據保護和安全管理,確保教學的可持續發展和良好運行。相信隨著科技的進一步發展和人工智能的不斷創新,人工智能在動物繁殖學教學中的應用將會越來越廣泛和深入,為動物繁殖學教育的發展帶來新的機遇和突破。