AI 在“土壤中小动物类群丰富度的研究”实验的应用
1 引言
根据《普通高中生物学课程标准》[1]，“土壤中小动物类群丰富度的研究”属于选择性必修《生物与环境》中的一项探究实验。本实验高度关注学生实验过程中的实践经历，强调学生学习的主动参与能力。因此在实验过程中可以提升学生的科学探究能力，提高学生的生物学学科核心素养，帮助学生理解土壤中小动物类群丰富度与环境和社会之间的联系。
土壤中小动物类群十分丰富，高中生缺乏动物分类学知识，使得在物种鉴定过程存在较大的障碍[2]。虽然中学教师可以讲解一些基础的分类知识，甚至提供一些专业鉴定工具书如
《中国土壤动物检索图鉴》、《常见昆虫野外识别手册》等。但学生学习分类学知识依然困难，教师教授专业且系统的动物分类学难度较大，学生鉴定小动物查阅工具书费时费力。
随着 4G 通信技术的发展及各种移动互联设备的普及，加上深度学习在动物识别的深入研究，本实验采用百度公司基于卷积神经网络开发的 AI 动物识别小程序[3]。动物分类系统由大到小依次为界、门、纲、目、科、属、种等七个主要等级，越小的等级区分，其相似性越高，人眼识别难度越大，而 AI 动物识别小程序能充分提取图像特征，提高动物图像识别的准确率；AI 动物识别小程序存在于手机 APP 中，具有操作简单、便捷性、普及性等优点。为实验快速获取准确的识别结果提供有力的保障。
2 AI 动物识别小程序简介
在 AI 领域中，图像识别技术占有极为重要的地位，其发展先后经历文字识别、数字图像处理与识别、物体识别三个发展阶段，而卷积神经网络在整个 AI 识图发展起着重要作用， 卷积神经网络是通过模仿大脑神经元的工作原理进行运算。目前 AI 图像识别已经应用到动物图像识别中，而百度 AI 动物识别小程序就是一类对动物拍照、上传，能快速准确识别动物的工具软件。AI 动物小程序的识别过程是一种
online 模式（图 1），移动终端只是获取图像数据并初步预处理，然后直接将图像数据传到服务器终端，通过高性能计算机深度学习图像数据之后，将识别结果返回给终端并在终端展示。目前 AI 动物识别小程序支持 8000 多种动物识别，基于百度丰富的海量数据，深度学习研究的深入，小程序持续地迭代，可靠性、准确性得到不断提高。AI 动
土壤中小动物类群丰富度的研究实验原理
土壤中小动物类群丰富度是指在一定的时间和空间范围内，土壤中存在的小型动物物种多样性的丰富程度。理解这一指标非常重要，因为小型动物在土壤生态系统中扮演着非常重要的角色，例如在土壤中分解和循环有机物质、调控有害生物和维持土壤结构等方面都扮演着重要的角色。为了研究土壤中小动物的丰富度，可以进行以下实验。
1. 土样采集和处理：采集土样时需要遵循一定的规则，例如选择草地、林地或者耕地等不同生态系统类型，同时采集均匀分布的土样。在采样过程中要避免过度损坏土壤结构，可以使用钻孔器或者询问专业人员选择合适的采样方法。采集后，将土样带回实验室，去除杂质和植被残渣，并进行均匀混合，以确保样品具有代表性。
2. 样品筛选：将土样进行筛选，去除大块土壤和石头等大型颗粒。筛选过程中需要滤掉直径大于2mm的颗粒，以保证小型动物得以筛选出来。之后，将土样放入有孔筛网中，再放入简易萃取器中，在简易萃取器中使用85%酒精对土样处理30分钟，以将小型动物从土样中实现分离。
3. 动物种类识别：将从土样中分离出来的动物在显微镜下进行鉴定，识别其种类。通常情况下，可以识别的动物种类包括昆虫、动物、螨类等。在鉴定过程中，需要特别关注不同种类分布的情况，以提高分析结果的准确性。
4. 数据分析：通过对采样数据和小型动物种类的鉴定数据进行分析，计算出土壤中小动物的种类数目和丰富度指数。常用的指标包括Shannon-Wiener指数和Simpson指数，它们都是基于小型动物物种多样性计算的。通常情况下，指数值越高，土壤中小型动物的种类越多，而信息单一性越小，说明物种之间的竞争关系较容易被破坏。
总的来说，以上实验方法可以用于研究土壤中小动物的丰富度，并针对不同土地类型进行比较。研究小型动物的种群和分布对于理解土壤生物学和生态学等领域非常重要。
1
2016年内蒙古高考生物模拟试题：土壤中小动物类群丰富度的研究
实验《土壤中小动物类群丰富度的研究》
思维激活
判断正误
(1)调查土壤小动物类群丰富度时，应将表层土上的落叶轻轻拨开，将取样器来回旋转按入土中进行取样( )。
(2)调查时既可调查某处土壤中小动物类群丰富度，也可以通过调查来比较不同土壤中小动物类群丰富度( )。 2
(3)在同一地块不同时间或不同深度土层，调查结果应一致( )。
(4)吸虫器主要用于采集体型较大的小动物( )。
(5)采集的小动物应一律放于70%的酒精中( )。
(6)统计时，若无法知道小动物的名称，则应忽略不记( )。
答案 (1)√ (2)√ (3)× (4)× (5)× (6)×
[典例透析]
3
【典例】
(宁夏理综卷改编题)跳虫、甲螨和线虫是土壤中的主要动物类群，对植物遗体的分解起重要作用。
请回答下列问题。
(1)由于跳虫和甲螨活动能力________，身体________，不适合用手直接捕捉，常采用吸虫器等进行采集。
(2)现要采集大量的跳虫用于实验室培养，选择下图中的吸虫器________，理由是________________。若要采集大量的甲螨作为标本保存，选择吸虫器________，理由是________________________________________________________________________。
4
(3)现在一培养罐内同时培养跳虫、甲螨和线虫三个种群，若它们均仅以罐内已有的酵母菌为食，则跳虫与甲螨之间的关系是________，线虫与酵母菌之间的关系是________。
(4)下图是“土壤中小动物类群丰富度的研究”实验中常用的两种装置，下列有关叙述不正确的是( )。
A.甲装置的花盆壁a和放在其中的土壤之间留一定空隙的目的是便于空气流通
B.乙装置通常用于对体型较小的土壤动物进行采集
C.甲装置主要是利用土壤动物趋光、避高温、趋湿的习性采集
1 “土壤中小动物类群丰富度的研究”实验探究和改进教学设计
一、使用教材
人教版高中《生物必修三》第四章第三节
二、实验器材
（一）探究不同来源土壤小动物类群丰富度的差异
仪器与试剂：采自不同地点的土壤样品，70%酒精，烧杯，显微镜，载玻片，培养皿，瓷盆，自制取样器（饮料瓶），铲子，标签，塑料袋，镊子，纱布，土壤动物检索图鉴。
（二）模拟不同土壤环境探究小动物类群丰富度的差异
仪器与试剂：喷壶，石头，花铲，草木灰及有机肥，70%酒精，烧杯，显微镜，载玻片，培养皿，瓷盆，自制取样器（饮料瓶），标签，塑料袋，镊子，纱布，土壤动物检索图鉴。
（三）探究环境污染对土壤小动物类群丰富度的影响
仪器与试剂：污染和无污染的土壤样品，70%酒精，显微镜，载玻片，培养皿，自制取样器（饮料瓶），铲子，标签，塑料袋，诱虫器（装有酒精的烧杯，塑料漏斗、金属网，带插头的40W-60W白炽灯，灯罩铁架台）镊子，纱布，土壤动物检索图鉴。
三、实验创新要求\改进要点
（一）设计三个探究性实验，丰富课堂内容，提升核心素养
第一次探究实验“探究不同来源土壤小动物类群丰富度的差异”，帮助学生了解土壤生物的生活习性，并且对物种多样性、生物与环境的关系有更深刻的认识。
第二次探究实验“模拟不同土壤环境探究小动物类群丰富度的差异”学生设置实验条件，实施实验计划，充分展现自主、合作、探究的精神，认同了小动物趋湿避光避高温的特性。
第三次探究实验“探究环境污染对土壤小动物类群丰富度的影响”通过研究污染源的土壤和远离污染源的土壤，可在一定程度上反应工业污染对土壤小动物的影响，既联系了本地实际，又增强学生的环保意识，还提高了探究能力
（二）改良实验装置---诱虫器 2 人教版教材中所建议的土壤动物分离装置的组装需将金属网置于无底花盆中，再将花盆放到漏斗上面，当向金属网中放置土样之后，由于花盆很难固定，且较重，使得装置极不稳定。
故对此装置进行改进，直接将金属网放置于漏斗中，再往漏斗放置土样，既解决了上述问题，又减少了材料的浪费。
