森林保護學虛擬仿真實驗教學體系的構建

楊振德　玉舒中

摘要：虛擬仿真是20世紀40年代伴隨著計算機技術的發展而逐步形成的一類試驗研究的新技術。廣西大學林業科學與工程虛擬仿真實驗教學中心根據“虛實結合，能實不虛，以虛擴實”的建設原則，構建了虛實融合的森林保護學虛擬仿真實驗教學體系，為卓越農林人才培養和深化教學改革開辟了一條新的途徑。

關鍵詞：虛擬仿真；森林保護學；實驗教學體系

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）21-0268-03

實驗教學體系是與理論教學有機結合，以“拓展式實驗教學”為主導，以能力培養為核心，多層次、多模塊、銜接緊密的科學系統，虛擬仿真實驗教學體系與教學內容建設是虛擬仿真實驗教學中心建設的核心[1]。廣西大學自2014年入選國家首批卓越農林人才教育培養計劃試點高校以來，根據卓越農林人才培養計劃目標，加強學生實踐能力培養，強化實踐教學環節。其中，廣西大學林學院林學專業作為國家首批復合應用型農林人才培養模式改革試點專業，積極推進實驗教學改革和實驗手段創新，把虛擬仿真技術應用于實驗教學，構建了虛實融合的森林保護學虛擬仿真實驗教學體系，為卓越農林人才培養和深化教學改革開辟了一條新的途徑。

一、森林保護學實驗的特點

森林保護學是以保障林業植物健康和森林生態安全為目標，研究病、蟲、草、鼠等林業有害生物的生物學特性、發生危害與災變規律及其防治理論和防治技術的學科。它主要由森林病理學、森林昆蟲學、病原真菌學、病原細菌學、病毒學、植物化學保護、林業有害生物預測預報學和林業植物檢疫學等多學科組成的綜合性學科。森林保護學的功能主要是預防和持續控制林業有害生物的發生和危害，減少災害損失，保護森林資源和生態安全，促進林業經濟可持續發展。森林保護的學科性質和功能決定了森林保護學實驗具有以下特點：

（一）實驗對象的鮮活性

森林保護學實驗的對象往往是鮮活的生物體，如昆蟲發育有效積溫的測定、昆蟲的人工飼養、林木病原菌的分離與鑒定等實驗的對象均是鮮活的生物體，實驗過程需要確保這些生物體正常的生活環境。

（二）實驗事件的偶然性

森林病蟲害、火災等是一種災害，具有偶然性，也是現實中不希望發生的，當它發生的時候也只有在教學進度和時間合適、實驗經費允許的條件下可以安排學生去進行防治實驗。相反，當按照實驗教學日歷要進行森林病蟲害防治實驗以及森林防火等有關實驗的時候卻很難找到大片發生病蟲害或火災的森林進行防治和滅火實驗。

（三）實驗過程的危險性

森林病蟲害的化學防治是森林病蟲害防治的一種常規技術，但是此類實驗由于需要使用具有較大毒性的化學農藥，該實驗過程及其實驗廢物的排放均對人體健康造成威脅而不能開設。

（四）實驗時間的季節性

森林保護學實驗對象的鮮活性決定了森林保護學實驗具有季節性。病蟲害的發生往往具有明顯的季節性，高溫高濕的季節發生比較嚴重，冬季和春季發生比較輕，森林火災則在干旱的秋冬季較易發生。

（五）實驗場所的開放性

森林保護學的一些綜合性實驗（包括探索性實驗、生產性實驗和研究性實驗），如林業有害生物普查測報、林業有害生物災害監測預警、林業有害生物綜合防治、農藥藥效試驗、重大林業有害生物災害的應急處置、森林火災隱患排查、森林火災撲救、森林可燃物類型的劃分、森林火險等級預測預報等實驗需要在廣闊的林間進行。

二、森林保護學實驗虛擬化的必要性

虛擬仿真實驗教學是對傳統實驗教學在思想體系、實驗內容、實驗方法和手段等顛覆性的變革。它綜合應用虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫以及網絡通訊等多種技術，通過構建一個逼真可視化的實驗操作環境和實驗對象，使學生在開放、自主、交互的虛擬環境中開展高效、安全且經濟的實驗，進而達到真實實驗不具備或難以實現的教學效果[2-5]。虛擬實驗具有沉浸感、模擬性、交互性、感知性和構想性等特點[6]，有利于提高實驗教學的效果，培養學生創新能力和解決問題的能力。采用虛擬仿真技術于實驗教學，可以為學生營造“自主實驗”的氛圍，具有實驗成本低、無污染、突破現實實驗中時空的限制等優點[7，8]。

因此，將森林保護學實驗中一些由于受到場地、時間季節、實驗成本、危險性以及不可再重現等方面的限制，難以在傳統實驗教學中實施的實驗開發成虛擬仿真實驗是非常必要的。虛擬仿真實驗作為真實實驗的補充和擴展，具有仿真性、參與感、安全性等特點，與傳統實物實驗結合，可以使學生獲得全面的訓練，對培養學生動手能力、觀察能力、獨立思考能力和創新能力具有重要意義。

三、森林保護學虛擬仿真實驗教學體系的構建

廣西大學林業科學與工程虛擬仿真實驗教學中心根據“虛實結合，能實不虛，以虛擴實”的建設原則，建了“模塊化、層次化、多元化”的虛擬仿真實驗教學體系（如圖1所示），即“森林昆蟲、森林病理、化學保護和森林防火”4個模塊，每個模塊包含“基礎實驗、專業技能和綜合創新”3個層次。形成了虛實融合，以綜合創新為特色，以能力培養為核心，多層次、多模塊、銜接緊密的森林保護學虛擬仿真實驗教學體系。

（一）虛擬仿真實驗的四模塊

1.森林昆蟲虛擬仿真實驗模塊。本模塊主要針對森林昆蟲的個體發育、行為習性、危害調查與綜合防治等方面的實驗進行虛擬仿真。如在森林昆蟲多樣性調查虛擬仿真實驗中，采用虛擬仿真技術虛擬仿真實驗背景，制作調查樣線及3D化的智能昆蟲模型，每種模型昆蟲的數量參照當地森林中的豐富度來設定。開展多樣性調查時，可將各種昆蟲在樹林中出現的限制因子設定為季節，以便在不同季節進行多樣性調查時得出的結果與自然界相吻合。對調查到的每一種昆蟲，配以真實照片，以便學生進行鑒定，做到虛實結合。

2.森林病理虛擬仿真實驗模塊。本模塊主要針對森林病原物的分離鑒定、病害發生發展與綜合防治等方面的實驗進行虛擬仿真。如桉樹青枯病菌主要通過根部和根頸部傷口入侵，在植物體內繁殖，沿著維管束蔓延全株發病，植株失水萎蔫枯死。但這一過程無法在常規的實驗課中讓學生觀察到，也難以讓學生理解和掌握。通過虛擬仿真技術，把桉樹青枯病癥狀診斷、發病規律、侵染循環以及防控技術直觀呈現，提高學生對桉樹青枯病的診斷和防控技術水平。

3.化學保護虛擬仿真實驗模塊。化學保護的核心是如何科學地使用農藥，根據農藥、有害生物與環境之間的關系合理使用農藥。農藥往往具有較大毒性，實驗過程及其實驗廢物的排放均對人體健康造成威脅。本模塊主要包括農藥的毒力測定、藥劑室內藥效篩選、林間小區藥效試驗、農藥對植物的藥害作用、除草劑的選擇作用及防除效果、農藥殘留分析等仿真實驗。

4.森林防火虛擬仿真實驗模塊。真實森林火災發生與控制實驗具有極其危險性與不可重復性。通過虛擬仿真技術，可以模擬森林火災場景，通過調整參數輸入設置不同火災發生發展過程，針對不同火災發展階段調用不同控制火災策略和技術，直觀展示火災控制效果。本模塊主要包括火災發生過程的仿真演示、森林火災隱患排查、森林可燃物類型的劃分、森林火險等級預測預報、森林火災發生與控制技術等仿真實驗。

（二）虛擬仿真實驗的三層次

1.基礎實驗層次。該層次主要是演示性試驗，讓學生了解掌握森林保護學的基礎知識和基礎技能。

2.專業技能層次。該層次主要是專業技能實驗，讓學生了解掌握森林有害生物的調查與防治、森林植物檢疫、物理防治、生物防治、森林火災隱患的排查與撲救、農藥的配制與使用等專業技能。

3.綜合創新層次。該層次主要面向學科前沿和林業生產第一線，讓學生參與教師的科研項目，將科研項目研究成果轉化為虛擬仿真實驗教學資源。此外，森林保護學是一門應用性很強的學科，常常需要解決林業生產上有害生物防治的實際問題。如天敵昆蟲的人工飼養及其應用仿真實驗可以結合生產實踐開展花絨寄甲人工飼養并用于防治松褐天牛。

四、結語

虛擬仿真技術在實驗教學中的應用，極大地拓展了實驗教學的內容和時空，一些在傳統實驗條件下難以安排的實驗得以全面的開展[9]。但是虛擬仿真實驗不能完全代替真實實驗，只能作為真實實驗的補充和擴展，虛擬仿真實驗必須與傳統實驗相結合，使學生獲得全面的實驗訓練。

多層次、多模塊、銜接緊密的森林保護學虛擬仿真實驗教學體系把各種森林保護學實驗有機串聯起來，注重縱向知識體系和橫向知識的相互浸透，注重森林保護的基礎知識、專業技能和綜合創新各個方面的銜接。該體系把實驗教學、專業能力培養和科研綜合創新有機結合，為卓越農林人才培養和深化教學改革開辟了一條新的途徑。

參考文獻：

[1]陳國輝，劉有才，劉士軍.虛擬仿真實驗教學中心實驗教學體系建設[J].實驗室研究與探索，2015，34（8）：169-172.

[2]張敬南，張镠鐘.實驗教學中虛擬仿真技術應用的研究[J].實驗技術與管理，2013，30（12）：101-104.

[3]劉亞豐，吳元喜，蘇莉，等.生命科學與技術虛擬仿真實驗教學體系的構建[J].實驗技術與管理，2015，32（9）：120-123.

[4]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.

[5]李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013，32（11）：5-8.

[6]譚珂，潘新華，高原.醫學虛擬仿真教學環境的構建[J].中國醫學教育技術，2012，26（5）：535-538.

[7]張紅賓，趙二剛，張穎.虛擬仿真在電子類實驗教學中的應用探討[J].實驗室科學，2015，18（3）：44-46.

[8]傅舒，王洪志，張微，等.虛擬仿真技術在中醫學實驗教學中的實踐與探索[J].成都中醫藥大學學報（教育科學版），2013，15（4）：13-14.

[9]鄒家柱，程品晶.高校虛擬仿真實驗室建設總結[J].中國電力教育，2014，（18）：80-81.