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　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容，討論了虛擬仿真實驗對于培養學生創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。虛擬仿真實驗將網絡通訊技術、多媒體教學、數據庫結合起來，實現人機交互，能夠實現傳統實驗教學模式不能達到或難以實現的教學效果。隨著虛擬仿真實驗教學在各種教育領域的應用逐漸增多，必將對傳統的實驗教學的教學體系、教學模式、教學內容、教學手段等產生深刻的影響[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律所進行的綜合培育活動，是森林經營活動的主要組成部分和基礎環節。森林培育學包括良種壯苗培育、造林、林分撫育、主伐更新等內容，具有明顯的技術性、實踐性、區域性和學科前沿性，是林學專業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實場景中實施，理論教學內容與生產實踐需求不同步，使得學生不能全程參與和體驗生產實踐技術與效果，而靜態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。現代林業的整體發展，森林培育規模和質量的提高，科技成果在生產中的推廣應用，生產基地的布局和項目管理的運行等所提供的經驗沒有完全充實到森林培育的教學去，也限制了學生生產實踐能力的提高。通過虛擬仿真實驗，將森林營造與培育過程置于直觀、生動、形象的生產實踐場景中，課程教學與實踐教學相吻合，實現教與學的互動性，使學生的想象力、思維能力得以充分發揮，在此過程中思考如何利用森林培育技術提高森林生產力，從而進一步完善學生的知識結構和技能培養、提升教學質量和效果。

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營的專業課程，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，根據林木的生長發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。隨著林業科技的發展，在林木良種化和無性系化的基礎上，林木育苗已實現了工廠化生產，包括組培育苗和輕基質容器育苗技術。該部分對于學生學習現代化育苗生產作業方式、掌握規?；M織苗木生產和經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、栽植等環節，這是人工林高產栽培的首要部分。在課程授課中講解了造林技術，并進行了部分環節的操作，但由于造林技術環節跨越冬季、春季以至夏季三個季節，生產時間長，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節進行模擬，從而激發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，創造良好的環境條件，及時調控林木的生長發育，是保證桉樹成活、成材的關鍵。一般在造林后的三年內需要進行林分撫育，主要包括除草、施肥、修枝、間伐等技術。各技術環節所實施的季節不同，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，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。采用虛擬現實技術，通過人機互動、場景重現的方式，綜合運用相關的理論知識，體驗和掌握人工林撫育各個環節過程。

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教學方法的轉變，強化對學生實踐能力、創新能力和科學素養的重要途徑，同時也提高了教師的教學能力，增強服務社會和校企協同創新能力。

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據處理，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，提高教學的質量。

2.預習實驗和復習實驗的功能。傳統實驗實踐教學中，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，對林木組織培養以及容器育苗技術環節進行模擬操作，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，較系統地掌握現代林木育苗技術，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象看本質，能直觀地進行無法全程參與的實驗或實踐活動，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監測與數據分析，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容。同時也節約了實踐教學的成本。

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年》和《教育信息化十年發展規劃（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，挖掘學生自主學習、自主管理和自主服務的潛能，是現代教育模式和現代教育技術的要求。在教學中，將虛擬仿真實驗系統與學生動手操作的真實實驗相結合，與網絡技術相結合實現校園網絡化運行，促進優質教育資源的共享，更好地服務于卓越農林工程師的培養目標。

參考文獻：

[1]劉勇，宋廷茂，翟明普，等.用系統科學指導和豐富森林培育學[J].林業科學，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.