虛擬仿真技術在森林培育學實踐教學中的應用設想

楊梅　吳英　潘曉芳　陸道調(diào)　葉紹明

摘要：本文基于森林培育實踐教學目標與特點，構建了森林培育技術虛擬仿真實踐教學設計內(nèi)容，討論了虛擬仿真實驗對于培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力與提高實踐教學效果方面的作用和效果。

關鍵詞：仿真技術；實踐教學；森林培育

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）03-0283-02

森林培育學是一門實踐性很強的學科，包括林木種苗繁育、森林營造、森林撫育、主伐更新等技術內(nèi)容[1，2]。實踐教學作為理論教學延伸和驗證，更具有直觀性，在提高學生吸收理論知識、掌握基本技能、增強操作能力方面起著重要作用[3]。如何將新的教學手段與這門傳統(tǒng)課程結合、更好地服務于教學活動、提高森林培育學實踐教學效果是當務之急。虛擬仿真實驗將網(wǎng)絡通訊技術、多媒體教學、數(shù)據(jù)庫結合起來，實現(xiàn)人機交互，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)實驗教學模式不能達到或難以實現(xiàn)的教學效果。隨著虛擬仿真實驗教學在各種教育領域的應用逐漸增多，必將對傳統(tǒng)的實驗教學的教學體系、教學模式、教學內(nèi)容、教學手段等產(chǎn)生深刻的影響[4]。

一、森林培育虛擬仿真實踐教學建設提出的背景

森林培育是從林木種子、苗木、造林到林木成林、成熟的整個培育過程中按既定培育目標和客觀自然規(guī)律所進行的綜合培育活動，是森林經(jīng)營活動的主要組成部分和基礎環(huán)節(jié)。森林培育學包括良種壯苗培育、造林、林分撫育、主伐更新等內(nèi)容，具有明顯的技術性、實踐性、區(qū)域性和學科前沿性，是林學專業(yè)的主干課程和重點課程。由于森林培育過程周期長、工序復雜，有些實驗因存在危險性而難以在現(xiàn)實場景中實施，理論教學內(nèi)容與生產(chǎn)實踐需求不同步，使得學生不能全程參與和體驗生產(chǎn)實踐技術與效果，而靜態(tài)的多媒體課堂教學和片斷化的實驗實習容易導致學生形成惰性，造成思維能力下降。現(xiàn)代林業(yè)的整體發(fā)展，森林培育規(guī)模和質(zhì)量的提高，科技成果在生產(chǎn)中的推廣應用，生產(chǎn)基地的布局和項目管理的運行等所提供的經(jīng)驗沒有完全充實到森林培育的教學去，也限制了學生生產(chǎn)實踐能力的提高。通過虛擬仿真實驗，將森林營造與培育過程置于直觀、生動、形象的生產(chǎn)實踐場景中，課程教學與實踐教學相吻合，實現(xiàn)教與學的互動性，使學生的想象力、思維能力得以充分發(fā)揮，在此過程中思考如何利用森林培育技術提高森林生產(chǎn)力，從而進一步完善學生的知識結構和技能培養(yǎng)、提升教學質(zhì)量和效果。

二、森林培育虛擬仿真實踐教學設計

1.森林培育虛擬仿真實踐教學模塊設計。森林培育是一門綜合性的實踐性強的課程，涉及與林木生長相關的基礎理論及林分經(jīng)營的專業(yè)課程，同時又需要應用3S技術以解決營林設計的問題，因此在進行森林培育虛擬仿真實踐教學設計時，根據(jù)林木的生長發(fā)育階段及相應的技術要點，設置了三個模塊的仿真實驗，見表1。

2.林木工廠化育苗技術虛擬仿真實驗。隨著林業(yè)科技的發(fā)展，在林木良種化和無性系化的基礎上，林木育苗已實現(xiàn)了工廠化生產(chǎn)，包括組培育苗和輕基質(zhì)容器育苗技術。該部分對于學生學習現(xiàn)代化育苗生產(chǎn)作業(yè)方式、掌握規(guī)模化組織苗木生產(chǎn)和經(jīng)營具有重要的指導作用。由于育苗技術繁鎖、培育時間長，學生難以完成整個苗木培育過程的實驗，往往不能理解或掌握育苗關鍵技術。通過模擬林木組織培養(yǎng)以及容器育苗等過程，使學生在學習理論課的同時，通過直觀演示與操作，系統(tǒng)地掌握工廠化育苗的全過程。

3.人工林造林技術虛擬仿真實驗。人工林造林技術包括造林規(guī)劃設計、林地清理、整地、種植點配置、施基肥、密度設置、栽植等環(huán)節(jié)，這是人工林高產(chǎn)栽培的首要部分。在課程授課中講解了造林技術，并進行了部分環(huán)節(jié)的操作，但由于造林技術環(huán)節(jié)跨越冬季、春季以至夏季三個季節(jié)，生產(chǎn)時間長，個別工序與理論教學時間不能匹配，且涉及范圍廣、技術內(nèi)容多、實習成本高等因素，使學生不能深刻理解和感知工程造林的環(huán)境與技術要求，不能將基礎理論與實踐相結合。選擇南方種植面積最大的桉樹、杉木、馬尾松作為培育對象，采用虛擬仿真技術對人工林造林各個環(huán)節(jié)進行模擬，從而激發(fā)學生的學習興趣和積極性，提高學習效果。

4.人工林撫育技術虛擬仿真實驗。加強人工林的撫育管理，創(chuàng)造良好的環(huán)境條件，及時調(diào)控林木的生長發(fā)育，是保證桉樹成活、成材的關鍵。一般在造林后的三年內(nèi)需要進行林分撫育，主要包括除草、施肥、修枝、間伐等技術。各技術環(huán)節(jié)所實施的季節(jié)不同，而且林木資源消耗大、技術復雜、成本高，在有限的學習周期內(nèi)，無法全程參與、跟蹤和感知林分撫育的實施及效果，并且除草劑的使用涉及用藥危險性和林分安全性的問題，這些因素學生實訓實驗受到限制。采用虛擬現(xiàn)實技術，通過人機互動、場景重現(xiàn)的方式，綜合運用相關的理論知識，體驗和掌握人工林撫育各個環(huán)節(jié)過程。

三、森林培育虛擬仿真實踐教學的功能與效果

虛擬仿真實驗教學平臺建設，是豐富森林培育實踐教學資源，推動信息化條件下傳統(tǒng)教學方法的轉(zhuǎn)變，強化對學生實踐能力、創(chuàng)新能力和科學素養(yǎng)的重要途徑，同時也提高了教師的教學能力，增強服務社會和校企協(xié)同創(chuàng)新能力。

1.改善以教師講授為中心的教學模式。通過人機交互進行實驗操作與數(shù)據(jù)處理，真實體驗實驗過程，將枯燥的學習過程游戲化，極大地提高學生的學習興趣。虛擬仿真實驗系統(tǒng)的師生互動平臺可以不受時間和地點的限制，學生和教師可以通過互動平臺進行交流，在節(jié)約教學資源與教學師資的情況下，很好地完成教學目的，提高教學的質(zhì)量。

2.預習實驗和復習實驗的功能。傳統(tǒng)實驗實踐教學中，學生跟著設定好的實驗步驟做，缺乏主觀能動性，而純文字的預習理解加大了預習的難度。森林培育學中的林木工廠化育苗技術部分，雖然在課堂上教師系統(tǒng)地介紹了工廠化育苗的流程，但沒有實際場景的情況下，學生仍不能掌握好育苗技術。如果學生預習實驗內(nèi)容文字的同時，在電腦上操作虛擬仿真實驗，對林木組織培養(yǎng)以及容器育苗技術環(huán)節(jié)進行模擬操作，再通過虛實結合，學生可以在理論授課及實踐活動之前或之后，較系統(tǒng)地掌握現(xiàn)代林木育苗技術，加深對相關知識的理解程度，提高動手能力。虛擬仿真實驗對于學生理解實驗原理、明確實驗目的、理清實驗步驟、理解實驗知識起到很好的作用。

3.可進行周期長、危險性高、成本高的實驗。把抽象的概念形象化透過現(xiàn)象看本質(zhì)，能直觀地進行無法全程參與的實驗或?qū)嵺`活動，例如人工林造林和人工林撫育技術仿真實驗，通過模擬操作造林技術工序、林分撫育措施，并可進行演示和重復操作，對林分撫育后林木生長的動態(tài)監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析，達到身臨其境的模擬效果。此實驗解決了因撫育周期長、成本高而無法開設相關實驗實習課的問題，提高學生的動手能力，更加深刻理解理論教學內(nèi)容。同時也節(jié)約了實踐教學的成本。

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年》和《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》對高等教育信息化建設提出了明確的要求[5]。將信息技術與教學深度融合，挖掘?qū)W生自主學習、自主管理和自主服務的潛能，是現(xiàn)代教育模式和現(xiàn)代教育技術的要求。在教學中，將虛擬仿真實驗系統(tǒng)與學生動手操作的真實實驗相結合，與網(wǎng)絡技術相結合實現(xiàn)校園網(wǎng)絡化運行，促進優(yōu)質(zhì)教育資源的共享，更好地服務于卓越農(nóng)林工程師的培養(yǎng)目標。

參考文獻：

[1]劉勇，宋廷茂，翟明普，等.用系統(tǒng)科學指導和豐富森林培育學[J].林業(yè)科學，2008，44（7）：1-5.

[2]劉勇，李國雷，呂瑞恒，等.關于加強森林培育學理論研究的探討[J].世界林業(yè)研究，2010，23（3）：64-68.

[3]楊梅，黃寶靈，潘曉芳，等.對森林培育實驗實踐教學的思考與探討[J].教育教學論壇，2012，14：178-179.

[4]鄺玉，曾蔚，馬巨輝，等.虛擬仿真實驗在病原生物學實驗中應用設想[J].四川生理科學雜志，2014，36（4）：199-201.

[5]王衛(wèi)國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索，2013，32（12）：5-8.