林學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程體系構(gòu)建探索

尹艷豹，李鳳日，楊 光，鄭 紅

(東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，哈爾濱 150040)

0 引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育教學(xué)課程體系的重要組成部分。當(dāng)前我國(guó)高等教育正處于以“質(zhì)”為綱的信息化建設(shè)教育改革背景中?！督逃畔⒒臧l(fā)展規(guī)劃(2011—2020)》中指明虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容[1]。教育部發(fā)布的《關(guān)于開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》(教高〔2018〕2 號(hào))中明確要開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)工作[2]。我國(guó)一流課程建設(shè)“雙萬(wàn)計(jì)劃(2018.6)”實(shí)施方式中即有建成1 000項(xiàng)左右虛擬仿真“金課”(國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目)的明確要求[3]。本文以提升林學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量、完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系為切入點(diǎn)，以東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院為例，對(duì)林學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系的構(gòu)建與實(shí)踐進(jìn)行研究，并探索多元化人才培養(yǎng)模式的改革之路。

1 教學(xué)資源積累

東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心于2008年被批準(zhǔn)為國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心。目前面向林學(xué)國(guó)家一類特色專業(yè)、國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)研究和教學(xué)人才培養(yǎng)基地等12個(gè)本科專業(yè)提供教研服務(wù)，并承擔(dān)“林學(xué)類人才培養(yǎng)模式改革”國(guó)家教育體制改革試點(diǎn)項(xiàng)目、林學(xué)國(guó)家級(jí)卓越農(nóng)林人才培養(yǎng)計(jì)劃等國(guó)家級(jí)改革項(xiàng)目。

第一，整合主干課程教學(xué)資源，開(kāi)展教學(xué)資源開(kāi)放共享。學(xué)院有森林與人類國(guó)家級(jí)視頻公開(kāi)課，以及林木育種學(xué)、資源昆蟲(chóng)學(xué)、保護(hù)生物學(xué)等國(guó)家級(jí)精品資源共享課程和多門省級(jí)校級(jí)精品在線開(kāi)放課程。目前林學(xué)專業(yè)所屬63.2%的主干課程都已建設(shè)成為省級(jí)以上精品課程。相關(guān)的教學(xué)大綱、教案、習(xí)題、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、參考文獻(xiàn)目錄等資源網(wǎng)上開(kāi)放，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的共享。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心近五年正式出版國(guó)家規(guī)劃教材、全國(guó)高等農(nóng)林院校教材等各類教材共10余部，相關(guān)參考書(shū)12部，實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)教材17部，使用近三年出版的教材占本專業(yè)課程的73.7%。

第二，基于高水平科研成果，開(kāi)發(fā)虛擬仿真教學(xué)資源，不斷完善實(shí)驗(yàn)課程體系。如近年由科研成果轉(zhuǎn)化而來(lái)的典型實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容有：防護(hù)林體系空間配置與結(jié)構(gòu)優(yōu)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、林木工廠化育苗技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、天然林撫育技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、撲火指揮與機(jī)具使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、森林有害生物成災(zāi)過(guò)程與蔓延模擬仿真實(shí)驗(yàn)、樟子松人工林樹(shù)冠結(jié)構(gòu)三維圖形可視化模擬、基于無(wú)人機(jī)遙感影像的三維森林景觀可視化、森林資源經(jīng)營(yíng)與監(jiān)測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、天然混交林隨機(jī)生長(zhǎng)與演替模擬仿真、森林昆蟲(chóng)形態(tài)特征虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、病理解剖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、遙感森林水文作用動(dòng)態(tài)過(guò)程建模和仿真等，更新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目50余項(xiàng)。三年內(nèi)大學(xué)生科技創(chuàng)新計(jì)劃校級(jí)以上立項(xiàng)41項(xiàng)，其中國(guó)家級(jí)創(chuàng)新項(xiàng)目18項(xiàng)，林學(xué)專業(yè)本科生在各類學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文51篇，榮獲第四屆全國(guó)高校GIS應(yīng)用開(kāi)發(fā)大賽二等獎(jiǎng)3項(xiàng)，東三省數(shù)學(xué)建模聯(lián)賽一等獎(jiǎng)3項(xiàng)等。目前學(xué)院已研發(fā)出多項(xiàng)具有自主產(chǎn)權(quán)的農(nóng)林院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)新方法、新裝置，并通過(guò)校企合作的方式開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的研發(fā)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共建，從而豐富了教學(xué)內(nèi)容、拓展了學(xué)生的實(shí)踐領(lǐng)域。

2 實(shí)驗(yàn)課程體系構(gòu)建

2.1 建設(shè)理念

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以作為傳統(tǒng)野外實(shí)踐教學(xué)的補(bǔ)充，本著“能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充”的建設(shè)思路，將優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源與信息化技術(shù)集成，著力補(bǔ)充和強(qiáng)化實(shí)踐育人環(huán)節(jié)，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采取自主研發(fā)或校企聯(lián)合開(kāi)發(fā)形式，以近3.3萬(wàn)公頃的校區(qū)教研用地和校外實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn)基地為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)字資源開(kāi)發(fā)，具有極高原創(chuàng)性且與教學(xué)實(shí)踐場(chǎng)地密切關(guān)聯(lián)。

2.2 實(shí)驗(yàn)課程框架

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是將先進(jìn)的教學(xué)設(shè)施、豐富的教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合在一起，集教學(xué)、實(shí)訓(xùn)、考核、共享功能于一體。立足科教融合的工作思路，以林學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心為基礎(chǔ)，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科學(xué)研究、野外實(shí)踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)相結(jié)合，建立三層次、四平臺(tái)和四結(jié)合(“3+4+4”)的林學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。三個(gè)層次虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K支撐10門學(xué)科基礎(chǔ)課，8門專業(yè)課，輻射其他10門專業(yè)課程，基本覆蓋了林學(xué)專業(yè)主干課程。

2.3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

“基礎(chǔ)”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)熱情、夯實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)為目的，與理論課相互配合，建成14個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分別是：樹(shù)木(植物)數(shù)字標(biāo)本、樹(shù)木形態(tài)特征虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、典型地質(zhì)地貌的整段數(shù)字標(biāo)本、土壤形態(tài)特征虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、林區(qū)暖風(fēng)/冷鋒天氣模擬、森林昆蟲(chóng)數(shù)字標(biāo)本、森林昆蟲(chóng)形態(tài)特征虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、森林昆蟲(chóng)解剖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、森林病理數(shù)字標(biāo)本、病理解剖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、全球碳循環(huán)模擬、資源競(jìng)爭(zhēng)模型模擬、帽兒山虛擬林相、樹(shù)木枝條分形特征模擬。對(duì)應(yīng)課程包括：樹(shù)木學(xué)/植物學(xué)、樹(shù)木學(xué)實(shí)驗(yàn)、土壤與土壤資源學(xué)、土壤與土壤資源學(xué)實(shí)驗(yàn)、森林氣象學(xué)、森林昆蟲(chóng)學(xué)、林木病理學(xué)、森林生態(tài)學(xué)、測(cè)樹(shù)學(xué)。

“專業(yè)”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要解決林學(xué)專業(yè)的實(shí)際問(wèn)題，本著“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充”的原則，服務(wù)于核心課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，建設(shè)10個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括：林火行為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、森林火災(zāi)撲救方法虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、森林災(zāi)害安全避險(xiǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、樟子松人工林樹(shù)冠結(jié)構(gòu)三維圖形可視化模擬、天然混交林隨機(jī)生長(zhǎng)與演替模擬、遙感森林水文作用動(dòng)態(tài)過(guò)程的建模和仿真、人工林造林技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、天然林撫育技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、基于無(wú)人機(jī)遙感影像的三維森林景觀可視化、林木工廠化育苗技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。對(duì)應(yīng)課程包括：林火管理、森林經(jīng)理學(xué)、濕地概論、森林培育學(xué)/經(jīng)濟(jì)林育種與栽培學(xué)、森林培育學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)、種苗學(xué)。

“創(chuàng)新訓(xùn)練”虛擬實(shí)驗(yàn)主要是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力。創(chuàng)建了13個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括：土壤剖面營(yíng)養(yǎng)元素運(yùn)移的模擬研究、三維地質(zhì)建模與仿真實(shí)驗(yàn)、森林氣象要素空間分布模擬實(shí)驗(yàn)、氣象場(chǎng)差異對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的數(shù)值模擬、一次大氣污染物的大氣環(huán)流輸送規(guī)律模擬、森林有害生物成災(zāi)過(guò)程與蔓延模擬仿真實(shí)驗(yàn)、防護(hù)林體系空間配置與結(jié)構(gòu)優(yōu)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、森林資源經(jīng)營(yíng)與管護(hù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、撲火指揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、樟子松人工林空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化及可視化模擬、森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、東北典型森林土壤呼吸的模擬實(shí)驗(yàn)、東北東部森林凈初級(jí)生產(chǎn)力的模擬實(shí)驗(yàn)。對(duì)應(yīng)課程包括：土壤與土壤資源學(xué)、森林氣象學(xué)、森林昆蟲(chóng)學(xué)、森林生態(tài)學(xué)、林火管理、森林經(jīng)理學(xué)、森林生態(tài)學(xué)。

3 教學(xué)成效

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程體系的建設(shè)為林學(xué)及相關(guān)專業(yè)教育資源升級(jí)、教學(xué)水平提升創(chuàng)造了條件，以下列舉幾方面應(yīng)用效果：

第一，操作能力明顯增強(qiáng)。由于仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，學(xué)生動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)更加方便，激發(fā)出自主學(xué)習(xí)興趣，顯著提高學(xué)生的實(shí)踐能力。第二，創(chuàng)新能力明顯提高。學(xué)生自主進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，鍛煉了分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，更主動(dòng)地思考。第三，學(xué)習(xí)積極性明顯增強(qiáng)。信息技術(shù)的體驗(yàn)激發(fā)學(xué)生參與的興趣，變被動(dòng)學(xué)為主動(dòng)學(xué)。第四，就業(yè)適應(yīng)能力明顯增強(qiáng)。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)了書(shū)本知識(shí)和就業(yè)技能的實(shí)時(shí)銜接，畢業(yè)生更受企業(yè)歡迎。

4 前景展望

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)是高校信息化建設(shè)的重要內(nèi)容和教學(xué)改革的必然方向[4]。西方一些發(fā)達(dá)國(guó)家大學(xué)給高年級(jí)學(xué)生開(kāi)設(shè)高級(jí)虛擬實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，證明此類實(shí)驗(yàn)比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)更具有吸引力[5，6]。我國(guó)也有在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上增加了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生對(duì)該課程的興趣、操作創(chuàng)新性、操作獨(dú)立性、知識(shí)理解程度均有明顯提升的報(bào)道[7]。東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)符合人才培養(yǎng)目標(biāo)，堅(jiān)持優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享，優(yōu)勢(shì)學(xué)科科研反哺教學(xué)，最終提升教學(xué)效果，為其他專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)做出了有益探索。