植物學(xué)野外實(shí)習(xí)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

徐 冰 劉全儒 劉丹輝 向本瓊 王 寧 雷維蟠

（北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 北京 100875）

生物學(xué)野外實(shí)習(xí)是生物學(xué)、生態(tài)學(xué)等專業(yè)本科生的基礎(chǔ)課，是理論課堂教學(xué)的延伸和發(fā)展，是實(shí)踐教學(xué)的重要環(huán)節(jié)［1-2］。然而，物候、天氣、師資、經(jīng)費(fèi)、學(xué)時(shí)等因素影響著野外實(shí)習(xí)教學(xué)的實(shí)施與效果［3-5］。將虛擬仿真、互聯(lián)網(wǎng)等信息化技術(shù)、在線課程、翻轉(zhuǎn)課堂等新型教學(xué)方法引入野外實(shí)習(xí)教學(xué)，可在一定程度上緩解上述問(wèn)題，為高校實(shí)習(xí)實(shí)踐教學(xué)改革提供新思路［6-9］。

北京師范大學(xué)生物學(xué)野外實(shí)習(xí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)，結(jié)合自身教學(xué)特色與優(yōu)勢(shì)，根據(jù)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)習(xí)實(shí)踐創(chuàng)新能力的要求，利用Unity 3D 信息化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)化虛擬教學(xué)平臺(tái)，設(shè)計(jì)和構(gòu)建了植物學(xué)野外實(shí)習(xí)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)模擬真實(shí)植物學(xué)野外實(shí)習(xí)場(chǎng)景和內(nèi)容，集知識(shí)性、趣味性、互動(dòng)性于一體。學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)訪問(wèn)該系統(tǒng)，交互式的虛擬操作激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和探究熱情；虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式，有利于學(xué)生掌握植物識(shí)別與野外工作方法，提高野外實(shí)習(xí)教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)及其特點(diǎn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)及網(wǎng)絡(luò)通訊等多種信息技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能［10-11］。虛擬實(shí)驗(yàn)具有開放性、廣域性、交互性和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)［12］，可將高危實(shí)驗(yàn)安全化、長(zhǎng)周期實(shí)驗(yàn)短時(shí)化，打破時(shí)間、空間對(duì)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的限制。將高危險(xiǎn)、高成本、操作復(fù)雜、周期過(guò)長(zhǎng)等實(shí)體教學(xué)難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)虛擬化，使學(xué)生能在開放、自主、交互的環(huán)境中開展高效、安全且經(jīng)濟(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)，可提升學(xué)生實(shí)踐能力，促進(jìn)人才培養(yǎng)。

目前，全國(guó)已建成300 多個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心及400 多項(xiàng)國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。虛實(shí)結(jié)合的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式，可全面提升高校學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，擴(kuò)大優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享范圍，推動(dòng)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新，提高教育教學(xué)質(zhì)量［13］。

2 虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

北京師范大學(xué)生物學(xué)野外實(shí)習(xí)基地為小龍門國(guó)家森林公園（115°26′E，39°57′N），隸屬北京百花山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)。該地區(qū)為溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，生物多樣性十分豐富，森林覆蓋率達(dá)91%。植物學(xué)野外實(shí)習(xí)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，以該實(shí)習(xí)基地常見植物及植被類型為基礎(chǔ)，構(gòu)建了常見植物3D 虛擬仿真模型，高度還原了實(shí)習(xí)基地的植被地貌。該系統(tǒng)由植物識(shí)別、植被分布的垂直地帶性和森林植物群落物種多樣性測(cè)定3 個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)組成。

2.1 植物識(shí)別虛擬仿真實(shí)驗(yàn) 掌握植物界各大類群的特點(diǎn)及生態(tài)分布規(guī)律，識(shí)別與鑒定常見植物是植物學(xué)野外實(shí)習(xí)的重要教學(xué)內(nèi)容。根據(jù)實(shí)習(xí)教學(xué)的內(nèi)容和要求，結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中存在的問(wèn)題，構(gòu)建的植物識(shí)別虛擬仿真實(shí)驗(yàn)包括學(xué)習(xí)和考試2 種模式。

學(xué)習(xí)模式包括小龍門實(shí)習(xí)基地近300 種常見種子植物。學(xué)習(xí)內(nèi)容涵蓋每種植物的中文名、別名、學(xué)名、分類地位、形態(tài)特征、生境分布等信息，結(jié)合多組照片，全面展示了植物的莖、葉、花、果實(shí)特征及生活狀態(tài)（圖1A）。該模式也具有植物查詢功能，輸入植物科、屬、種等關(guān)鍵詞名稱，即可迅速定位到相關(guān)植物。

考試模式以小龍門實(shí)習(xí)基地的南溝為基礎(chǔ)，構(gòu)建了高仿真的3D 虛擬森林場(chǎng)景；在場(chǎng)景中漫游，辨識(shí)生境中出現(xiàn)的植物。考試系統(tǒng)設(shè)置了50株植物，學(xué)生根據(jù)植物的3D 高仿真模型、形態(tài)學(xué)特征、生境分布及照片，識(shí)別并記錄植物的物種名稱和所屬科名（圖1B）。識(shí)別結(jié)束后，匯總實(shí)驗(yàn)結(jié)果，共計(jì)100 分。80 分以下建議重新學(xué)習(xí)，80 分以上建議到野外進(jìn)行實(shí)踐。

2.2 植被分布的垂直地帶性虛擬仿真實(shí)驗(yàn) 東靈山位于北京市門頭溝區(qū)的西部，為北京市境內(nèi)最高峰，海拔2 303 m，屬太行山系小五臺(tái)山的余脈。植被分布的垂直地帶性明顯，隨海拔的變化從下而上可分為灌叢及農(nóng)田帶、落葉闊葉林帶、亞高山草甸帶和亞高山灌叢帶［14］。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)根據(jù)植被分布的垂直地帶性特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際的地質(zhì)地貌，高度還原了該地區(qū)的植被地貌（圖2A）。部分植被帶同時(shí)以3D 虛擬仿真場(chǎng)景和360 度實(shí)景2 種模式呈現(xiàn)。學(xué)生在場(chǎng)景中漫游，可身臨其境了解植被分布的規(guī)律及不同群落內(nèi)植物種類的變化。

海拔900～1 800 m 為落葉闊葉林帶（圖2B）。根據(jù)海拔和植被變化，構(gòu)建了落葉闊葉林、落葉闊葉林林窗、白樺林和棘皮樺林、蒙古櫟林和遼東櫟林4 個(gè)不同的虛擬仿真場(chǎng)景。落葉闊葉林由喬木層、灌木層和草本層植物組成，喬木層優(yōu)勢(shì)種主要以青楊、山楊、蒙古櫟、遼東櫟、核桃楸等落葉喬木為主，林下灌木層主要由金花忍冬、胡枝子、三裂繡線菊、毛榛、平榛、六道木、衛(wèi)矛、刺五加等落葉灌木組成，草本層主要包括了銀背風(fēng)毛菊、華北風(fēng)毛菊、三脈紫宛、菊葉委陵菜、龍芽草、東亞唐松草、草烏、藜蘆、雉隱天冬等植物。

海拔1 800 m 處為落葉闊葉林和亞高山草甸的群落交錯(cuò)區(qū)，林草分界線清晰可見（圖2C）。

海拔1 800～2 200 m 為亞高山草甸，主要由早春苔草、洽草、金蓮花、銀蓮花、北京假報(bào)春、大葉龍膽、小叢紅景天、白苞筋骨草等植物組成。

海拔2 200 m 以上為亞高山灌叢，分布有成片的鬼箭錦雞兒灌叢，并散生有金露梅和銀露梅灌叢（圖2D）。

圖1 植物識(shí)別虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

圖2 植被分布的垂直地帶性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

2.3 森林植物群落物種多樣性測(cè)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn) 樣方法是植物學(xué)、生態(tài)學(xué)野外工作中經(jīng)常使用的測(cè)定植物群落物種多樣性的一種方法。森林植物群落物種多樣性測(cè)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，完整再現(xiàn)了樣方法的操作步驟，并將實(shí)驗(yàn)操作的關(guān)鍵步驟設(shè)定為一些題目，以考核學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

首先，根據(jù)群落的類型在調(diào)查樣地內(nèi)，制定適合北溫帶森林植物群落的樣方設(shè)定方案。按照該方案設(shè)定1 個(gè)10 m×10 m 的喬木層樣方，將喬木層樣方分割成4 個(gè)5 m×5 m 的灌木層樣方，并在喬木層樣方內(nèi)隨機(jī)設(shè)置5 個(gè)1 m×1 m 的草本層樣方（圖3A）。

其次，測(cè)量并記錄植物群落的基本情況，包括調(diào)查時(shí)間、調(diào)查人員、樣地海拔、經(jīng)緯度、坡度、地質(zhì)地貌、人為及動(dòng)物活動(dòng)等情況（圖3B）。

再次，調(diào)查群落內(nèi)各數(shù)量指標(biāo)。依次調(diào)查喬木層、灌木層和草本層植物情況。喬木層識(shí)別并記錄喬木的物種名稱、植株高度、胸徑和郁閉度（圖3C），灌木層和草本層包括物種名、植株高度和蓋度。

最后，統(tǒng)計(jì)調(diào)查結(jié)果，并按照公式計(jì)算植物群落的香農(nóng)-威納多樣性指數(shù)和辛普森多樣性指數(shù)（圖3D）。

虛擬操作結(jié)束后，系統(tǒng)匯總實(shí)驗(yàn)結(jié)果，共計(jì)100 分；80 分以下建議重新學(xué)習(xí)；80 分以上建議到野外進(jìn)行實(shí)踐。

圖3 森林群落物種多樣性的測(cè)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

3 虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用

虛實(shí)結(jié)合，提升實(shí)習(xí)效果。植物學(xué)野外實(shí)習(xí)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，虛擬場(chǎng)景真實(shí)，植物模型逼真，使學(xué)生有身臨其境的感覺(jué)。學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)訪問(wèn)該系統(tǒng)，隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)和了解華北地區(qū)植物多樣性、植被類型及野外工作方法，減少時(shí)空、天氣、物候、野生植物資源對(duì)野外實(shí)習(xí)的不利影響；彌補(bǔ)因教學(xué)學(xué)時(shí)、經(jīng)費(fèi)、師資等因素的限制，學(xué)生在野外學(xué)習(xí)時(shí)間過(guò)少、學(xué)習(xí)不充分的不足［15］。學(xué)生在實(shí)習(xí)前利用該系統(tǒng)全面了解實(shí)習(xí)環(huán)境、植物類群、生態(tài)學(xué)野外研究方法等，做到實(shí)習(xí)前心中有數(shù)、實(shí)習(xí)目標(biāo)明確；實(shí)習(xí)過(guò)程中，可利用虛擬實(shí)習(xí)系統(tǒng)回放觀看、把握關(guān)鍵，模擬操作、掌握要領(lǐng)，也可通過(guò)考試模式考查自己的學(xué)習(xí)情況；實(shí)習(xí)結(jié)束后，隨時(shí)隨地通過(guò)線上訪問(wèn)進(jìn)行復(fù)習(xí)。線上、線下虛實(shí)結(jié)合，為學(xué)生掌握植物學(xué)相關(guān)知識(shí)及野外工作方法提供有力保障。

擴(kuò)大輻射，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享。植物學(xué)野外實(shí)習(xí)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，充分利用北京師范大學(xué)植物學(xué)野外實(shí)習(xí)優(yōu)質(zhì)師資等資源，為兄弟院校實(shí)習(xí)提供參考，擴(kuò)大與其他高校的交流共享；為缺少野外實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)的學(xué)生提供模擬學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，使其置身于實(shí)習(xí)場(chǎng)景，掌握相關(guān)知識(shí)，完善知識(shí)體系。集知識(shí)性、趣味性、互動(dòng)性的虛擬實(shí)習(xí)系統(tǒng)，可服務(wù)社會(huì)大眾，為感興趣的中、小學(xué)生和社會(huì)公眾提供學(xué)習(xí)常見植物和野外工作方法相關(guān)知識(shí)的平臺(tái)，提高公眾參與認(rèn)識(shí)生物多樣性、了解自然科學(xué)研究的積極性，促進(jìn)生物多樣性和生態(tài)文明相關(guān)知識(shí)傳播。

4 結(jié)語(yǔ)

北京師范大學(xué)構(gòu)建的植物學(xué)野外實(shí)習(xí)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，是對(duì)信息化教學(xué)的初步嘗試與探索，在教學(xué)過(guò)程中還需要逐步完善，以建成全方位、立體式的虛擬仿真野外實(shí)習(xí)系統(tǒng)為目標(biāo)，推動(dòng)野外實(shí)習(xí)教學(xué)模式的創(chuàng)新與改革，促進(jìn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。