國家級森林生物學虛擬仿真實驗教學中心建設

張煥玲, 李周岐, 康永祥, 賈小明

(西北農林科技大學 林學院， 陜西 楊凌 712100)

國家級森林生物學虛擬仿真實驗教學中心建設

張煥玲, 李周岐, 康永祥, 賈小明

(西北農林科技大學 林學院， 陜西 楊凌 712100)

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是高校本科實踐教學的發展方向。本文從森林生物學虛擬仿真實驗教學中心建設的必要性出發，就建設模式、建設目標、實驗模塊及實驗項目建設、實驗教學平臺建設、教學管理平臺建設、運行機制、青年教師培養、實施成效以及今后的建設重點等方面，詳細介紹了西北農林科技大學國家級森林生物學虛擬仿真實驗教學中心的建設經驗，以期能為相關虛擬仿真實驗教學中心建設提供參考。

森林生物學； 虛擬仿真； 實驗教學中心

0 引 言

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容[1-2]，是高校本科實踐教學的發展方向,受到國內外高校的普遍重視[3-5]。國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作順應了高等教育的發展趨勢，是高校實驗教學信息化的最新舉措，必將對我國高等教育質量的提高產生積極重要的作用[6]。生物學類課程具有實踐性、系統性強的特點，傳統實驗因受實驗對象、時間、季節、儀器設備和實驗條件，以及某些生物現象本身不可見、長周期、不可逆性所限，存在部分實驗必須開展但無法開展或無法有效開展的問題[7-9]。這些特點及問題嚴重制約了學生對生物學現象本質的科學認識，也嚴重影響了對學生科學思維、想象力和領悟力的培養。隨著森林生物學發展和人才培養要求不斷提高，森林生物學類課程實驗教學的內容越來越豐富，要在有限的實驗教學課時內擴大教學信息量、提高教學質量和效率，必須對傳統實驗教學內容和方法進行改革。

虛擬仿真實驗可通過虛擬現實技術、構建虛擬仿真實驗環境和實驗對象，并借助數據庫、網絡通訊技術和人機交互手段實現實驗教學過程[10-11]。作為對傳統實驗的補充和擴展，虛擬仿真實驗具有仿真性、參與性、安全性等特點，與傳統實物實驗結合，可以使學生獲得更加全面的訓練，激發學生學習興趣、提高實驗教學效果、提升學生實踐能力和創新能力[4,9，12-14]。

基于此，我校在“陜西省森林生物學實驗教學示范中心” 和數字校園基礎上，整合已有資源，以森林培育學、生態學、森林保護學、植物學4個省部級重點學科為支撐，依托多種平臺，組建了“森林生物學虛擬仿真實驗教學中心”。經過3年建設，2015年獲批國家級森林生物學虛擬仿真實驗教學中心。現就該中心的建設作一較為系統總結，以期為相關院校及專業提供幫助。

1 建設模式

中心建設采用校企共建模式，學校教學管理及專業老師負責制定建設目標、建設內容、實驗項目開發思路及素材提供、組織管理及運行機制與平臺構建思路的提出，企業負責網絡管理及運行平臺的搭建與維護、實驗項目的開發、修改與維護。

2 建設目標

學校先后5次派出人員，前往國內已建成的國家級虛擬仿真實驗教學中心進行學習考察，后經教學委員會及專業老師多次開會討論，確定了森林生物學虛擬仿真實驗教學中心的建設總體目標。即以全面增強學生實踐和創新能力、提高本科教學質量、提供社會服務為宗旨，依據森林生物學的特殊性和實驗教學目標，基于“不受時空限制，爭取實時場景”的建設思路，按照“虛實載體結合，虛實對象結合，虛實手段結合”的建設理念，遵循“虛實結合，能實不虛，以虛擴實”的建設原則，對森林生物學相關課程中現實實驗條件不具備或難以完成的實驗，依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊技術，構建虛擬仿真實驗環境和實驗對象，形成虛擬仿真實驗與常規實物實驗相融合的森林生物學實驗教學新體系。力爭通過3～5年建設，把我校森林生物學虛擬仿真實驗教學中心建設成為特色明顯、示范輻射效應顯著、社會服務功能全面的國家一流虛擬仿真實驗教學中心。

3 實驗模塊及實驗項目建設

因森林生物學類課程涉及專業廣、課程多，在實驗內容建設方面，以森林“培育—經營—保護—利用”為主線，搭建了5大虛擬仿真實驗模塊，即森林生物識別、森林培育、森林保護、森林生態與經營和森林資源利用虛擬仿真模塊。

森林生物識別虛擬仿真模塊主要涵蓋了植物學、樹木學、森林病理學、微生物學、森林動物學、昆蟲學等課程中關于森林生物識別與鑒定的實驗項目。森林培育虛擬仿真模塊主要包括森林培育學、林木、園林植物育種學、經濟林、園林植物栽培學、遙感技術等課程的相關實驗。森林保護虛擬仿真模塊涵蓋森林病理學、昆蟲學、害蟲生物防治、森林動物學等課程的部分實驗。森林生態與經營虛擬仿真模塊包括生態學、森林經營學、林業遙感等課程的部分實驗內容。森林資源利用虛擬仿真模塊主要包含森林資源利用學、木材學、生物能源工程與技術、木材熱解工藝學、木材保護與改性等課程的部分實驗內容。

圍繞以上模塊，共建設開發了25項虛擬仿真實驗項目，實驗項目建設側重老師教學科研成果的轉化，實現了科研、教學成果與實驗教學的有效銜接，保證了虛擬仿真實驗的科學性與合理性。25項實驗項目，來自教學成果轉化的實驗項目達15項，占所開實驗項目的60%。建設的實驗項目共涉及林學、園林、森林保護、水土保持與荒漠化防治、木材科學與工程、林產化工等6個專業共計24門課程的虛擬仿真實驗教學任務。

4 建設實驗教學平臺

為了提高虛擬仿真實驗項目的教學效果，依據5大實驗模塊的各自特性，建設了多種虛擬仿真實驗教學平臺，可根據平臺的不同功能開展不同虛擬仿真實驗教學。

(1) 建立中心門戶網站。學生可根據自己的選課情況，依據學號信息在網站登錄，查詢與虛擬仿真實驗有關的教學信息，同時可在網站開展如“秦嶺火地塘主要森林植物識別”“校園植物識別”“林木容器育苗”“林木雜交育種”、“松樹小蠹蟲生物學習性及信息素防治”等大部分虛擬仿真實驗，并提交實驗結果。

(2) 基于IM系統的三維虛擬仿真實驗室。該實驗室以DVS3D平臺系統為強大支持軟件，運用六自由度光學及電磁追蹤系統與多種虛擬外設兼容，配備了專業的大屏幕立體投影顯示系統、位置跟蹤裝置、數據手套、數據頭盔、虛擬現實引擎工具平臺、圖形工作站等設備。一些不可重現、或者短期不可完整再現的實驗場景可在此平臺開展。如 “森林群落演替”“病蟲害防治效果”“樹體修剪反應”等虛擬仿真實驗。

(3) 人工降雨大廳。該大廳是世界上第二大規模的侵蝕試驗降雨大廳，地面由不同小流域地形模型形成各種地形地貌，可模擬從小雨到暴雨不同強度的降雨，與自然降雨非常相似，為深入了解黃土高原地區水土流失、生態環境變化以及地形地貌的形成提供了虛擬仿真實驗教學條件。 “森林理水效應”“林地水土流失”等實驗項目在該平臺開展。

(4) 生態預測與全球變化實驗室。該實驗室開發了多種生態預測模型，并擁有高性能計算機1臺，可處理海量數據。 “氣候變化對森林生態系統碳循環的影響模擬”“林火模型模擬”“森林蟲害對森林生產力的影響模擬”等實驗項目可在此平臺開展。

(5) 數字林業實驗室。該實驗室配備了70臺計算機、大型掃描儀、繪圖儀、數字化儀以及多媒體教學設備及網絡設備，安裝有ARCGIS、ENVI、ERDAS、FORSTAR等應用軟件系統。“基于GIS技術的造林規劃設計”“常見遙感圖像類型識別和特征分析”“遙感圖像解譯標志建立”“遙感圖像植被解譯與制圖”“林業專題圖數字化及編輯輸出”“GIS立地類型劃分”“林業調查規劃”等實驗項目在此平臺開展。

(6) 生態仿真優化實驗室。可進行森林生長仿真預測模型和森林經營規劃優化模型的開發與集成。“森林近自然經營”“油松、華山松等主要森林樹木生長過程模擬”“樹冠擴張模擬”“植被恢復與重建”等實驗項目在此平臺開展。

5 建設教學管理平臺

為保障森林生物學虛擬仿真實驗教學中心的順利運行，采用統一管理、獨立設置、共建共享的運行管理體制，建立了學校層面的虛擬仿真實驗教學管理平臺。平臺功能模塊主要包括用戶和系統管理、教務管理、資源管理和實驗資源運行4個功能模塊，可以實現虛擬仿真實驗教學全過程的信息化管理，具有用戶管理、教務管理、實驗管理、資源管理等功能。

用戶管理主要對系統管理員、學生、教師等進行角色管理、權限管理，對系統進行日志管理和系統維護，為虛擬實驗環境的安全、可靠運行提供保障。教務管理主要是對教師和學生的實驗課程安排、實驗成績記錄、與校園網集成等進行功能性管理。資源管理對虛擬仿真實驗資源的標準、發布、使用、檢索、維護進行管理。實驗管理主要是對教師進行實驗安排、實驗報告批改、實驗成績評定，學生進行實驗課程學習、實驗交流和討論、成績查詢等虛擬仿真實驗活動進行管理。

6 規范組織運行機制

中心實行校院兩級管理的主任負責制。設主任1名，由學校任命，全面負責中心的規劃、經費籌集與管理工作。設副主任1名，由學院任命，具體負責日常管理工作，參與實驗室規劃和建設。實驗中心教師和實驗技術人員由中心主任聘任。實驗課程統一安排，人、財、物統一管理。中心人員依照“按需設崗，競聘上崗，按崗考核”管理模式選聘。同時，制定并制定了一系列管理文件，包括中心運行機制、管理規范、人員職責等詳細規定，保證實驗室建設的規范化、制度化。

7 加強青年教師培養

中心通過各種措施鼓勵和培養青年教師參與虛擬仿真實驗教學。① 通過“導師制”和“青年教師實驗室鍛煉制”等制度，培養從事虛擬仿真實驗教學的青年人才。② 鼓勵青年教師以項目申報形式開展虛擬仿真實驗建設，受資助教師將給予考核工作量，并對虛擬實驗教學成績優秀的教師在職稱晉升上給予傾斜，以調動青年教師參與實驗教學的積極性。③ 將青年教師短期出國留學訪問納入實驗人才建設方案，學習國外先進的實驗教學理念、教學體系和教學方法。

8 中心實施成效

森林生物學虛擬仿真實驗中心雖然成立時間較短，但開設的虛擬仿真實驗項目及資源在本科教學及社會服務方面已初見成效。因實驗項目有較強的趣味性與互動性，受到上課學生的普遍好評，認為虛擬仿真實驗在增加課程信息量、提高教學質量、普及生物學知識等方面具有明顯效果。具體體現在：① 模擬仿真實驗不受病原、標本源、實驗對象、生長季節、地區、實驗時間的限制，可使學生在短時間內全面系統地感知并理解生物學過程與功能，在增加實驗教學信息量、擴展學生知識面、有效克服教學學時不足、全面展示生物學事件方面具有明顯優勢；② 虛擬仿真實驗教學平臺具有很強的互動性、參與性和趣味性，提高了學生的學習興趣和教學效果；③ 虛擬仿真實驗項目一次建設持續利用，節約成本、人力和物力；資源開放共享，訪問無時空限制，可緩解師資緊缺矛盾；④ 服務社會，中心在全民普及森林生物學知識、增強我校森林生物實驗教學示范中心示范輻射作用等方面發揮了重要的作用。中心部分虛擬仿真資源向兄弟院校及基層林業單位開放共享，近2年來，共接待了10余次來自全國多所高校、基層林業單位人員的參觀學習，前來秦嶺火地塘教學實習基地進行課程實習的高校也在逐年增加。

9 結 語

實驗教學是森林生物學課程教學的重要環節，在中心建設過程中，對已有優質教學資源與學術研究成果進行了整合，在實驗對象、實驗內容、實驗平臺等方面形成了較鮮明的特色與創新，但也存在很多問題。要想實現中心的總體目標，需要繼續做好以下工作：

(1) 融合多學科構建學科大基地的共享平臺。打破隔閡，在全校范圍內乃至兄弟院校之間進行重組優化，整合并加強與相關學科的聯系，進行跨方向、跨專業、跨學科教學資源共享。借助校園網絡平臺，進一步擴大共享范圍，促進學科的交叉與融合，形成全校的學科大基地實驗教學平臺。

(2) 依托公共服務平臺進一步擴大示范輻射作用。在校內共享的基礎上，中心將繼續完善和拓展優質虛擬仿真教學資源，通過中心門戶網站共享平臺向校外全方位、全天候開放。繼續加強與兄弟院校的教學互動聯系，本科實驗教學類、專業技能實訓類和實驗設計類虛擬仿真實驗教學資源采用協議授權方式對企業、院校、校外個人開放；教學輔助類資源面向全國高校和社會開放。通過對不同教學資源分類共享，提高虛擬仿真實驗教學效果與中心的示范輻射作用。

(3) 進一步拓展虛擬仿真實驗內容，開發新的虛擬仿真實驗教學項目。在前期建設基礎上，繼續通過自主研發、聯合攻關、持續投入等形式，不斷開發符合本科教學大綱的虛擬仿真實驗項目與實驗教學資源，力爭通過3年的再建設，將虛擬仿真實驗項目增加至50項，并不斷豐富各類虛擬仿真實驗教學資源，開發新的虛擬仿真實驗教學平臺，實現虛擬仿真實驗的多資源、多項目、多平臺共享。

[1] 中華人民共和國教育部.教育信息化十年發展規劃(2011-2020年),2012.3.

[2] 中華人民共和國教育部.關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知,2013.8.

[3] 吳 涓,孫岳民,雷 威,等.東南大學機電綜合虛擬仿真實驗教學中心建設規劃思路與進展[J].實驗技術與管理,2014,31(10):5-9.

[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] 王衛國,胡金鴻,劉 宏.國外高校虛擬仿真實驗教學現狀與發展[J].實驗室研究與探索,2015,34(5):214-219.

[6] 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.

[7] 王 芳,李 濱,郭興啟.農業生物學實驗教學中心網絡信息化平臺系統的構建[J].髙等農業教育,2008(4):57-59.

[8] 錢 猛,崔 瑾,成 丹,等.南京農業大學微生物學虛擬仿真實驗教學模式的探索[J].微生物學通報,2016,43(4):961-866.

[9] 張 煒,崔 瑾,成 丹.農業生物學虛擬仿真實驗教學資源建設[J].高校生物學教學研究(電子版),2015(1):51-56.

[10] 杜月林,黃 剛,王 峰,等.建設虛擬仿真實驗平臺探索創新人才培養模式[J].實驗技術與管理,2015,32(12):26-29.

[11] 陳國輝,劉有才,劉士軍,等.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.

[12] 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.

[13] 黃劍玲,鄒 輝.基于虛擬現實技術的實驗教學系統及其特點 [J].中國電化教育,2009(4):108-111.

[14] 沈建華,楊 震,程崇虎,等.國家級信息與通信工程實驗教學示范中心建設的探索與實踐[J].實驗技術與管理,2014,31(6):153-157.

編輯·作者須知

一、應當使用阿拉伯數字的情況

1.物理量量值中的數字，如1 m(1米)、3 kg(3千克)、5 d(5天)、20 ℃(20攝氏度)、0.5 A(0.5安)、25 mol(25摩)。

2.非物理量量詞(計數單位)前的數字，如3人、50元、100根。

3.計數的數值，如正負整數(3，-6)、小數(0.28)、分數(1/3)、百分數(96.25%)、比例(3∶7)及一部分概數(10多、500余、3 000左右)。

4.公歷世紀、年代、年、月、日、時刻。

5.代號、代碼和序號中的數字，如GB 3100—1993、國辦發〔1998〕3號文件、ISBN 7-303-04761-X、HP-3000型電子計算機、第1卷、第18屆年會。

二、必須使用漢字數字的情況

1.定型的詞、詞組、成語、慣用語、縮略語或具有修辭色彩的詞語中作為語速的數字。

2.相鄰數字連用表示的概數和帶“幾”字的概數。如七八個人、五十四歲、十幾、三千幾百。

3.非公歷紀念一律用漢字數字，但應采用阿拉伯數字括注公歷。

4.含有月日簡稱表示事件、節日和其他意義的詞組中的數字，應使用漢字數字。當涉及1月、11月、12月時，應用間隔號“·”將表示月和日的數字隔開，并外加引號；涉及其他月份時，不用間隔號。

5.古籍中的數字。

6.文學著作一般使用漢字數字，但也可以適當使用阿拉伯數字，如公歷世紀、年代、年、月、日、時刻，計量或計數單位前的數字，純數字等。

阿拉伯數字的書寫規則

1.為使多位數字便于閱讀，可將數字分成組，從小數點起，向左或向右每3位分成1組，組間隙一空隙(約為1個漢字的1/4)，但不得用逗號、圈點或其他方式。非科技出版物也可不分節。

2.純小數必須寫出小數點前用以定位的“0”。

3.阿拉伯數字不得與除萬、億及法定計量單位詞頭外的漢字數字連用。如453 000 000可寫成45 300萬或4.53億或4億5 300萬，但不能寫作4億5千3百萬；三千元可寫成3 000元或0.3萬元，但不能寫成3千元；三千米可寫成3千米，這里的“千”是詞頭。

4.一個用阿拉伯數字書寫的數值(包括小數和百分數)不能拆開轉行。

5.表示用阿拉伯數字書寫的數值范圍，使用浪紋號“～”。如：10%～20%，30～40 km(也可寫成30 km～40 km)。

Construction of the National Virtual Simulation Experiment Teaching Center of Forest Biology

ZHANGHuan-ling,LIZhou-qi,KANGYong-xiang,JIAXiao-ming

(College of Forestry, Northwest A & F University, Yangling 712100, Shanxi， China)

Virtual simulation experiment teaching is the main content in construction of higher education informatization and experiment teaching demonstration center, also is the ongoing direction of undergraduate practical teaching in colleges and universities. In this paper, the beginning was the necessity of construction of forest biology virtual simulation experiment teaching center, and then experiences during construction of this national center in Northwest A&F University, including construction mode, goal, experiment module and project, construction of experiment teaching and teaching management platforms, as well as operating mechanism, young teachers training, implement achievements and future construction emphasis were introduced in detail, so as to offer references for relevant center construction.

forest biology； virtual simulation； experiment teaching centers

2016-04-15

西北農林科技大學教改項目(JY1502020)

張煥玲(1973-)，女，陜西渭南人，博士，實驗師。研究方向：林學、生態學；實驗室建設與管理。

Tel.:15229238929； E-mail:xingyuejia@163.com

賈小明(1973-)，男，甘肅涇川人，碩士，講師。專業方向：林木遺傳育種。

Tel.:15029041377; E-mail:jxm0601@163.com

TP 391.9

A

1006-7167(2017)01-0152-04