生物學(xué)野外實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用

成 丹, 崔 瑾, 魯燕舞, 包浩然, 陸 巍, 張 煒, 沈振國

(1. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)生物學(xué)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心, 江蘇 南京 210095；2. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京 210095)

生物學(xué)野外實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用

成 丹1, 崔 瑾1, 魯燕舞1, 包浩然1, 陸 巍1, 張 煒2, 沈振國2

(1. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)生物學(xué)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心, 江蘇 南京 210095；2. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京 210095)

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心從生物學(xué)野外實(shí)習(xí)教學(xué)的實(shí)際應(yīng)用出發(fā),主導(dǎo)構(gòu)建了天目山生物學(xué)野外實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。該文探討了系統(tǒng)的構(gòu)建思路、實(shí)現(xiàn)模式及應(yīng)用效果。該系統(tǒng)充分發(fā)揮了現(xiàn)代信息技術(shù)的作用,將虛擬仿真技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)融合,化解了傳統(tǒng)野外實(shí)習(xí)的困難,有助于擴(kuò)充教學(xué)信息容量、顯著提高野外實(shí)習(xí)效率,同時(shí)也推動(dòng)了生物學(xué)野外實(shí)習(xí)教學(xué)模式的改革和創(chuàng)新。

生物學(xué)； 野外實(shí)習(xí)； 虛擬仿真

天目山生物學(xué)野外實(shí)習(xí)基地位于浙江省天目山,其地理位置獨(dú)特、自然環(huán)境優(yōu)越,具有生物多樣性,是華東地區(qū)高校生物學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)研究與教學(xué)人才培養(yǎng)的重要基地。該基地不僅能幫助學(xué)生實(shí)地認(rèn)識(shí)、驗(yàn)證和鞏固課堂知識(shí),而且有利于培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力和分析問題、解決問題的能力[1]。然而,生物學(xué)野外實(shí)習(xí)模式存在諸多的困境,例如野外實(shí)習(xí)經(jīng)驗(yàn)豐富的帶隊(duì)教師不足、難以實(shí)現(xiàn)“一對(duì)一”指導(dǎo)、野外實(shí)習(xí)教學(xué)保障體系構(gòu)建不完善、實(shí)習(xí)成果共享性差、采集標(biāo)本不利于環(huán)境保護(hù)等[2]。

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心是2014年教育部首批建設(shè)的國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。在教育部“科學(xué)規(guī)劃、共享資源、突出重點(diǎn)、提高效益、持續(xù)發(fā)展”建設(shè)思想指導(dǎo)下,中心按照虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的建設(shè)原則,設(shè)計(jì)和制作了天目山野外實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng),使實(shí)習(xí)不受時(shí)間和空間的限制,有助于提高實(shí)習(xí)效率和質(zhì)量,填補(bǔ)國內(nèi)生物學(xué)野外實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)研發(fā)的空白[3]。

1 野外實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的構(gòu)建思路

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。平臺(tái)的建設(shè)遵循“技術(shù)設(shè)計(jì)為教學(xué)設(shè)計(jì)服務(wù)”的原則[4-5],充分體現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)資源獨(dú)特的優(yōu)勢,最大限度地利用現(xiàn)代信息技術(shù)彌補(bǔ)生物學(xué)野外實(shí)習(xí)的不足,具有網(wǎng)絡(luò)教學(xué)功能和網(wǎng)上實(shí)訓(xùn)功能,實(shí)現(xiàn)資源共享并具有一定的智能特性。

天目山野外實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)分為PC版和移動(dòng)版。PC版利用電腦的優(yōu)化硬件配置,構(gòu)建大型虛擬三維野外實(shí)習(xí)場景,讓學(xué)生獲得沉浸式虛擬實(shí)習(xí)環(huán)境,完成實(shí)習(xí)前后的主動(dòng)學(xué)習(xí)；移動(dòng)版利用智能終端GPS定位功能,在實(shí)習(xí)過程中快速導(dǎo)航并查找目標(biāo)植物,與教師實(shí)時(shí)互動(dòng)交流,及時(shí)查詢數(shù)據(jù)庫并獲得資料,提高實(shí)習(xí)效果。

1.1 生物學(xué)野外實(shí)習(xí)存在問題

野外實(shí)習(xí)作為生物學(xué)專業(yè)課程教學(xué)過程中的重要實(shí)踐性環(huán)節(jié),是學(xué)生復(fù)習(xí)、鞏固、驗(yàn)證理論知識(shí),聯(lián)系實(shí)際的重要環(huán)節(jié)[6]。實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的關(guān)鍵,而實(shí)習(xí)則是實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分[7]。通過實(shí)習(xí)可以加深理解解剖學(xué)、形態(tài)學(xué)以及分類學(xué)的原理和方法,并使抽象的原理具體化,達(dá)到知識(shí)的融會(huì)貫通,學(xué)習(xí)到書本以外的知識(shí),使學(xué)生充分地認(rèn)識(shí)生物多樣性,擴(kuò)展視野,在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、提高其綜合素質(zhì)方面具有重要作用。

目前生物學(xué)野外實(shí)習(xí)存在的問題主要表現(xiàn)為:(1)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一,只定位在生物種類的辨認(rèn)、標(biāo)本的采集與制作的層次上；(2)缺少分類學(xué)基礎(chǔ)扎實(shí)、野外實(shí)習(xí)經(jīng)驗(yàn)豐富的帶隊(duì)教師；(3)實(shí)習(xí)過程中由于學(xué)生多,師生互動(dòng)交流困難,難以實(shí)現(xiàn)“一對(duì)一”指導(dǎo)；(4)采集標(biāo)本與環(huán)境保護(hù)相沖突。另外,學(xué)生缺少有關(guān)環(huán)境的綜合知識(shí),有時(shí)成為走馬觀花式的實(shí)習(xí),近似于郊游[8]。

1.2 生物學(xué)野外實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的功能

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)包括4項(xiàng)基本功能。

(1) 滿足生物學(xué)野外實(shí)習(xí)教學(xué)的需要。建設(shè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的目的,是讓學(xué)生通過虛擬實(shí)習(xí)更快速、有效地學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理、掌握實(shí)驗(yàn)方法、訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)技能,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力[9]。

(2) 課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的拓展。課堂的實(shí)驗(yàn)教學(xué)畢竟存在時(shí)間、地點(diǎn)等多方面條件的限制,虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)要能夠建立交互性良好的生物學(xué)野外實(shí)習(xí)虛擬環(huán)境,并且能夠讓學(xué)生不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制地認(rèn)知實(shí)習(xí)內(nèi)容,以達(dá)到拓展課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

(3) 突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件的限制。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的建設(shè)不局限于目前條件的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛擬。某些生態(tài)學(xué)的野外實(shí)習(xí)因缺少必要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)手段而無法完成。對(duì)于此類實(shí)驗(yàn),可以通過建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來完成,從而提高實(shí)驗(yàn)效率,節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本。

(4) 實(shí)驗(yàn)資源整合和共享。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)面向社會(huì),應(yīng)該充分考慮多種技術(shù)的融合,以實(shí)現(xiàn)高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的整合。這種整合應(yīng)涵蓋主流的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和設(shè)備,通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)環(huán)境的搭建,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)資源的共享[10]。

2 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的架構(gòu)

天目山生物學(xué)野外實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主要采用B/S和B/C兩種主流架構(gòu),其中B/S架構(gòu)是本系統(tǒng)的主要網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。系統(tǒng)不依托于其他昂貴的外圍設(shè)備。該系統(tǒng)的所有的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,均可以在客戶端的電腦或手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備上操作完成。系統(tǒng)所需的硬件設(shè)備,主要是高性能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和交換機(jī)、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

以目前的技術(shù)看,基于校園網(wǎng)建立B/S結(jié)構(gòu)的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng),并通過Internet/Intranet模式下數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用,相對(duì)易于把握,成本也是較低的。它是一次性到位的開發(fā),能實(shí)現(xiàn)不同的人員在不同的地點(diǎn)、以不同的接入方式訪問和操作共同的數(shù)據(jù)庫。它能有效地保護(hù)數(shù)據(jù)平臺(tái)和管理訪問權(quán)限,服務(wù)器數(shù)據(jù)庫也很安全。在信息安全方面,平臺(tái)的絕大多數(shù)功能只針對(duì)校園網(wǎng)用戶開放,且系統(tǒng)核心功能需要通過專門插件才能實(shí)現(xiàn),因此安全性能較高[11]。

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)主要是多媒體資源制作和軟件編程兩部分工作。利用Visual Studio、Flash、3ds Max、Unity 3d等工具構(gòu)建了基于ASP .NET的交互式站點(diǎn)平臺(tái)。網(wǎng)站服務(wù)器端軟件采用Windows Server 2008、IIS(Internet Information Service)、DotnetFramework4.0及SQ L Server 2008數(shù)據(jù)庫；服務(wù)器端硬件采用Dell PowerEdge R720服務(wù)器。客戶端可以通過瀏覽器及App,高效、快捷地訪問虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

天目山野外實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的PC版以沉浸式虛擬場景為主場景,結(jié)合實(shí)際實(shí)習(xí)場景及真實(shí)的動(dòng)植物圖片,構(gòu)建出虛實(shí)結(jié)合的仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái),其主要系統(tǒng)構(gòu)架包括:(1)360°實(shí)景全景環(huán)視；(2)沉浸式虛擬三維實(shí)習(xí)場景；(3)虛擬三維動(dòng)植物標(biāo)本館；(4)天目山主要?jiǎng)又参锊樵兿到y(tǒng)；(5)師生互動(dòng)交流平臺(tái)。PC版系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)架圖如圖1所示。

移動(dòng)版以實(shí)時(shí)互動(dòng)為主要特點(diǎn),結(jié)合天目山動(dòng)植物數(shù)據(jù)庫及地理信息數(shù)據(jù)庫,構(gòu)建出便捷的野外實(shí)習(xí)移動(dòng)平臺(tái),其主要功能構(gòu)架包括:(1)實(shí)習(xí)報(bào)告生成系統(tǒng)；(2)植物地理信息實(shí)時(shí)定位及GPS導(dǎo)航查找；(3)天目山主要?jiǎng)又参锊樵兿到y(tǒng)及天目山植物地理信息數(shù)據(jù)庫；(4)師生實(shí)時(shí)互動(dòng)答疑。移動(dòng)版系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)架圖如圖2所示。

圖1 PC版系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)圖

圖2 移動(dòng)版系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)圖

3 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能架構(gòu)

生物學(xué)野外實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)包括天目山三維地理信息系統(tǒng)、天目山動(dòng)植物分類檢索系統(tǒng)、天目山虛擬生物標(biāo)本庫、野外實(shí)習(xí)導(dǎo)航系統(tǒng)等4個(gè)功能模塊,將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于生物學(xué)野外實(shí)習(xí)教學(xué)。

3.1 天目山三維地理信息系統(tǒng)

天目山三維地理信息系統(tǒng)包括天目山GIS三維地形圖、沉浸式三維虛擬野外實(shí)習(xí)場景和360°全景3個(gè)子系統(tǒng)。

天目山GIS三維地形圖如圖3所示,它是通過GIS系統(tǒng)自帶的遙感圖像分析工具、森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查成果編制工具、三維景觀建模工具等工具軟件,以真實(shí)衛(wèi)星遙感天目山景區(qū)地圖信息制作出的三維地圖,在圖上標(biāo)有虛擬野外實(shí)習(xí)入山路徑。學(xué)生可以進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃,按平均海拔高度構(gòu)建虛擬植物群落和進(jìn)山路線，自由選擇實(shí)習(xí)場景,相關(guān)場景均有注明。

圖3 虛擬天目山三維地形圖

除了構(gòu)建天目山三維地形圖外,針對(duì)每個(gè)實(shí)習(xí)場景還以真實(shí)林間小景為參考,制作方法是采用無人機(jī)現(xiàn)場拍攝并在3ds Max軟件中建模,在Unity3D軟件中構(gòu)建單個(gè)虛擬三維山間場景(見圖4)。為了更好地表現(xiàn)場景,增強(qiáng)身臨其境之感受,對(duì)一些有特色的場景進(jìn)行實(shí)景環(huán)拍,構(gòu)建出360°漫游場景(見圖5)。

圖4 虛擬三維山間場景

圖5 360°漫游場景

3.2 天目山動(dòng)植物分類檢索系統(tǒng)

天目山動(dòng)植物分類檢索系統(tǒng)結(jié)合Web和數(shù)據(jù)庫技術(shù),以動(dòng)植物(科級(jí))的形態(tài)特征建庫,使用二叉式檢索原理在客戶端進(jìn)行動(dòng)植物分類信息的查詢與未知種類的鑒定。系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中二叉樹結(jié)構(gòu)[12]的分支節(jié)點(diǎn)搜索技術(shù)進(jìn)行動(dòng)植物分科檢索。動(dòng)植物特征表中包含天目山動(dòng)植物分類檢索表中動(dòng)植物性狀的文字描述,同時(shí)以“科名稱”為關(guān)鍵字段關(guān)聯(lián)圖片數(shù)據(jù)庫,為鑒定結(jié)果提供豐富的植物特征圖片。

學(xué)生可利用電腦或手機(jī)進(jìn)行在線瀏覽和學(xué)習(xí),通過天目山動(dòng)植物分類檢索系統(tǒng)查詢天目山的動(dòng)植物分類檢索信息,通過圖片數(shù)據(jù)庫了解動(dòng)植物的具體特征。本系統(tǒng)收集了天目山28個(gè)科、500多種動(dòng)植物資料,對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)植物分類學(xué)有很好的輔助作用。

3.3 天目山虛擬生物標(biāo)本庫

對(duì)動(dòng)植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D仿真,構(gòu)建了天目山虛擬生物標(biāo)本庫。基于天目山野外實(shí)習(xí)教學(xué)的重點(diǎn),對(duì)學(xué)生野外實(shí)習(xí)涉及的重點(diǎn)動(dòng)植物進(jìn)行了三維重建,可以真實(shí)地再現(xiàn)動(dòng)植物的三維外觀形態(tài)特征,使學(xué)生能夠通過瀏覽器全視角對(duì)動(dòng)植物的形態(tài)進(jìn)行觀察,便于生物學(xué)野外實(shí)習(xí)內(nèi)容的學(xué)習(xí)。標(biāo)本庫還將三維重建后的植物放到采集地與GPS信息對(duì)應(yīng)的三維虛擬野外實(shí)習(xí)場景中,使物種與實(shí)際分布地理數(shù)據(jù)信息一致。植物外觀的三維重建示例見圖6。

圖6 植物信息及三維重建植物示例

3.4 野外實(shí)習(xí)導(dǎo)航系統(tǒng)

野外實(shí)習(xí)導(dǎo)航系統(tǒng)是基于手機(jī)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。參加野外實(shí)習(xí)的學(xué)生根據(jù)教師給出的實(shí)習(xí)線路,結(jié)合手機(jī)的GPS功能,可以方便、快捷地進(jìn)行野外植物的查找,也可判斷當(dāng)前自己的位置與某野外植物之間的距離。所生成的雷達(dá)圖方便學(xué)生在野外查找植物,做到有的放矢,從而提高實(shí)習(xí)效率。

4 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的特色及應(yīng)用效果

生物學(xué)野外實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)運(yùn)行于計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)多媒體教學(xué)系統(tǒng)之上,突出了運(yùn)用信息技術(shù)的教學(xué)特色。天目山野外實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)在研發(fā)建設(shè)過程中不斷改進(jìn)與創(chuàng)新,形成了自己的特色。

(1) 功能互補(bǔ),虛實(shí)結(jié)合。具有沉浸式虛擬三維實(shí)習(xí)場景、實(shí)景360°觀察、天目山動(dòng)植物數(shù)據(jù)庫查詢系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航定位及植物查找、師生互動(dòng)交流平臺(tái)。虛擬場景與真實(shí)場景互補(bǔ),有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高實(shí)習(xí)效果。

(2) 多平臺(tái)互動(dòng),實(shí)用性強(qiáng)。開發(fā)了天目山野外實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的PC版和移動(dòng)版。PC版構(gòu)建了大型虛擬三維野外實(shí)習(xí)場景,融合了最新的虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)頭盔技術(shù)。學(xué)生可以通過佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)頭盔獲得如身臨其境的沉浸式學(xué)習(xí)體驗(yàn)。在實(shí)習(xí)出發(fā)前,學(xué)生可以在教師指導(dǎo)下用PC版虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng),明確實(shí)習(xí)要求及內(nèi)容、漫游天目山野外實(shí)習(xí)路線,盡快熟悉環(huán)境、了解物種分布情況。在實(shí)習(xí)過程中,師生運(yùn)用手機(jī)移動(dòng)端進(jìn)行“一對(duì)一”的互動(dòng)交流、快速定位目標(biāo)植物以及記錄信息、訪問數(shù)據(jù)庫等。

(3) 激發(fā)學(xué)生對(duì)于科學(xué)研究的興趣,提高實(shí)踐能力。運(yùn)用虛擬仿真技術(shù),可以逼真地模擬天目山實(shí)習(xí)過程中的事物和環(huán)境,使學(xué)生有親臨其境的感覺,提高對(duì)于未知生物現(xiàn)象的探索興趣，發(fā)揮科學(xué)研究的主動(dòng)性。此外,虛擬仿真系統(tǒng)具有較強(qiáng)的交互性,有利于使用者根據(jù)實(shí)習(xí)內(nèi)容思考和參與,通過輸入關(guān)鍵檢索信息或圖像進(jìn)行人機(jī)互動(dòng),開展探究式實(shí)習(xí)。這種實(shí)習(xí)模式能夠顯著提高學(xué)生對(duì)于傳統(tǒng)生物分類學(xué)探究的興趣、提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

(4) 共享性好,輻射面廣。學(xué)生通過拍照、上傳文件,可與其他學(xué)生分享學(xué)習(xí)成果和心得,所生成的實(shí)習(xí)報(bào)告進(jìn)入數(shù)據(jù)庫之后,既補(bǔ)充了數(shù)據(jù)庫內(nèi)容,又可供其他學(xué)生參考,而且手機(jī)版和PC版平臺(tái)數(shù)據(jù)共享。

(5) 緩解自然保護(hù)和實(shí)習(xí)采集之間的矛盾。標(biāo)本的采集和制作是野外實(shí)習(xí)的基本技能訓(xùn)練。天目山作為華東高校學(xué)生野外實(shí)習(xí)的主要場所,在實(shí)習(xí)中免不了要采集和制作標(biāo)本。而隨著野外實(shí)習(xí)的學(xué)生增多,標(biāo)本采集對(duì)天目山自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)保護(hù)和保持生物多樣性將造成一定的影響。天目山野外實(shí)習(xí)虛擬仿真系統(tǒng)的應(yīng)用可使學(xué)生通過三維重建植物來觀察植物,減少標(biāo)本的采集,更有利于保護(hù)生態(tài)和生物多樣性。

5 結(jié)語

野外實(shí)習(xí)是生物類專業(yè)本科生必修的實(shí)踐教學(xué)課程[13]。在野外實(shí)習(xí)的實(shí)踐教學(xué)中,把虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)有機(jī)地整合起來,能延伸課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)、拓展實(shí)驗(yàn)空間、延長實(shí)驗(yàn)時(shí)間,為進(jìn)行研究性實(shí)驗(yàn)提供更靈活、更便利的條件。但虛擬仿真實(shí)驗(yàn)也有它的局限性,在建設(shè)中要針對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇合適的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件、科學(xué)地利用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件。另外,通過開展小組探究式學(xué)習(xí)、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系、強(qiáng)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的整合,有效地促進(jìn)了研究性實(shí)驗(yàn)的開發(fā),顯著地提高了學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)。

生物學(xué)野外實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)置有多個(gè)創(chuàng)新、實(shí)用的功能模塊。然而,生物學(xué)野外實(shí)習(xí)虛擬仿真系統(tǒng)的使用也要避免學(xué)生的過度依賴。虛擬仿真不能替代實(shí)際對(duì)野外生物的觀察和操作,兩者應(yīng)優(yōu)勢互補(bǔ)、揚(yáng)長避短,方能提高實(shí)習(xí)效果。

目前,南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心已與華東地區(qū)多所高校簽訂了天目山生物學(xué)野外實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)共享使用協(xié)議,這也是該系統(tǒng)建設(shè)的重要成果之一。

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Construction and application of virtual simulation training system in biological field practice

Cheng Dan1, Cui Jin1, Lu Yanwu1, Bao Haoran1, Lu Wei1, Zhang Wei2, Shen Zhenguo2

(1. National Experimental Teaching Center for Virtual Simulation of Agrobiology, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 2. School of Life Science, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

Based on the actual application in the biological field practice, Nanjing Agricultural University Virtual Simulation Experimental Teaching Center led to construct the virtual simulation training system in Tianmu Mountain biological field practice. This paper discusses the idea of constructing virtual experiment platform, implementation mode and application effect. This system makes full use of modern information technology, organic integrate simulation technology with experimental teaching, and gets the breakthrough of the weak points of traditional filed practice. Through the application of the platform, it can not only expand the capacity of teaching information, improve teaching efficiency, but also promote the reform and innovation of biological field practice teaching mode.

biology; field practice; virtual simulation

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.032

2016-06-16

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)校級(jí)教改重點(diǎn)項(xiàng)目(2015Z001)

成丹(1982—),男,江蘇南通,博士,實(shí)驗(yàn)師,主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用、虛擬仿真

E-mail：softcheng@njau.edu.cn

崔瑾(1974—),女,江蘇鎮(zhèn)江,博士,教授,主要研究方向植物學(xué)、教育管理.

E-mail：cuijin@njau.edu.cn

TP391.9；Q94-33

: B

: 1002-4956(2016)12-0128-04