數字化標本與虛擬仿真融合在森林保護專業教學中的應用

中圖分類號 G42.0；S76 文獻標識碼A 文章編號 1007-7731(2025)09-0128-04

DOI號 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.09.028

Application of digital specimen and virtual simulation in Forest Protection teaching

WANG XiaoliWudabala ZHANG Yanru LIU Xueying ZHANG LiyanHAN Tuya JIANG Haiyal (College of Forestry，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot O10O19， China)

AbstractTocultivate highquality professionalsinthefieldof forest protection，thecurrent stateofdigital specimen and virtual simulation system development was explored，their effective integration into teaching practices for ForestProtection disciplines was investigated，and the methods for evaluating and providing feedback on teaching efctiveness were analyzed.Regarding development，physical specimensof insects and plant diseases canbe digitized to enableonline data diseminationand sharing.Virtual reality (VR)and augmented reality (AR) technologieswere utilized to simulate real-worldoperations and established virtual simulation systems.In terms of integratedapplication， the two tchnologies were combined and appliedto 3 teaching models: case-driven learning，project-based learning and practice，and interactive discussons.These approaches were exemplified through simulations of sampling，detection， andanalysis proceses forpine wilt disease，the designof pest monitoring and control projects，andtheuseof guiding or open-ended questions，highlighting the multidimensionaland highly interactive natureoftheteaching models.Interms of teaching efectivenessevaluationand feedback，basedontheeffctiveintegrationof twotechnologies，students' learning outcomes，learning participation，innovation andcolaboration abilitiesare evaluated，and good feedback evaluations are obtained from teachers and students.This study provides areferenceforthe reformof teaching inForest Protection and related disciplines.

Keywordsdigital specimen; virtual simulation; Forest Protection; pest monitoring

森林保護專業的開設對維護森林生態安全和生物安全具有重要意義。隨著林業生物災害的發生情況越加復雜和頻繁，當前，該領域面臨科技管理體制改革、科技創新、本科專業建設等方面的機遇和挑戰[]。為此，該專業亟需加強科技創新，提升人才培養質量，加強交流與合作。常規教學模式受時間和空間限制，難以滿足現代化教育需求，而數字化技術的快速發展為該專業教學模式創新提供了新的可能，數字化標本資源與虛擬仿真實驗的融合應用是其教學模式改革的重點。

將數字化標本融入教學資源是數字化技術不斷進步與更新的體現。梁小紅對標本數字化在林學實踐教學中的應用進行了分析，證明了標本數字化可使標本保存井然有序，便于科學管理和查找利用，有效提升了分類統計和數據共享效率，對提升教學效果和科研價值具有積極作用。梁亞萍等3研究發現，昆蟲數字化標本具有直觀、方便、易于保存和分享等優勢，是保護昆蟲標本的有效方法和獲取昆蟲基礎知識、信息資源的重要途徑之一。數字化標本資源的建設和利用為教育模式提供了新途徑，李朝霞等4對微生物學數字化智慧教育模式進行創新實踐，挖掘了該模式在提升教學質量、促進教育資源共享和教育公平方面的潛力。馬榮等5對林業有害生物標本進行影像采集和數字化處理，并將典型病害和害蟲標本進行二維碼標識，實現了標本資源的數字化共享。

虛擬仿真實驗教學可直觀反映難以觀察到的現象或規律，達到人與虛擬系統的交互，有助于緩解常規實驗教學形式單一，教學內容綜合性和探究性不足，以及實驗周期長、操作復雜等問題。何虎軍等7構建野外地質實習虛擬仿真教學平臺，實現了“互聯網 + ”野外地質自主實踐學習研究及雙向互動式教學。基于森林保護專業常規教學模式下存在的理論與實踐脫節、資源利用不足和學生參與度低等問題，數字化標本資源和虛擬仿真技術的應用為該專業教學模式的創新和人才培養提供了實踐案例，本文在森林保護專業教學中融合應用數字化標本和虛擬仿真技術，對二者建設現狀和應用模式進行探討，并分析教學效果評估與反饋的具體方法，提升了教學資源的可獲取性和課堂教學的互動性，加強了學生學習體驗的豐富度和直觀性。

1數字化標本與虛擬仿真系統的建設現狀

1.1數字化標本資源庫建設

數字化標本資源在實踐教學中以數字化方式保存和利用圖像資料，解決教學形式和內容受限等問題，增強視覺體驗。森林保護專業教學的數字化標本可將昆蟲、植物病害實物標本通過數碼相機、高清晰度掃描儀或3D建模等設備或技術進行數字化處理，形成高清晰度圖像、電子文件或模型，或通過數字化平臺、多媒體教學資源將文本、圖像和動畫資源進行收集、整理和整合，創建成可在線訪問的數字化標本資源庫，實現標本數據的在線發布和共享，訪問者可利用該線上平臺隨時隨地訪問數據資源，還可通過網絡上傳圖片進行輔助對照或診斷；同時，數字化標本還使易受損或難以長期貯藏的標本在虛擬空間中得到保存和傳承。

借鑒高校和科研院開展和推進的數字化標本項目，特別是在植物標本的數字化方面取得的成果開展相應建設。例如，參考由中國科學院植物研究所維護、各大院校參與建設的在線共享平臺“國家植物標本資源庫《中國數字植物標本館》\"（https://www.cvh.ac.cn/），收錄涵蓋模式標本和彩色照片的數字標本；劉慧圓等開展植物標本的數字化精度、采集時間和采集地區規律等研究，為繼續挖掘館藏標本，加強信息共享提供參考。實現數字化標本資源的共享和高效利用，需加強數字化建設、管理和更新，提升數據質量，加強新技術引入和區域合作等。

1.2虛擬仿真實驗模型構建

虛擬仿真實驗教學項目建設有助于深化信息技術與教育教學的融合，強調以學生為中心的教學理念，推動實驗教學內容和方式創新。利用虛擬現實(VR)和增強現實(AR)技術，模擬真實操作環境，讓學生在安全環境下實驗，為其帶來身臨其境的深度學習體驗，有助于提高學生的實踐操作技能，具有綠色、安全、可共享等優勢[]。何虎軍等采用先進的三維建模和可視化技術，通過背景模擬、野外場景真實再現、路線布設、實物標本資源等仿真模塊單元的建設平臺，構建了實景三維模型。這為模擬森林生態系統的虛擬仿真實驗模型提供了新的思路，如建設森林病蟲害的發生、發展和防治，以及森林火災的撲救等單元模塊，通過模擬復雜的現實問題，讓學生在虛擬環境中嘗試應用不同的解決方案。韓麗瓊等[利用三維虛擬模擬技術建立森林火災風險評估模型，通過致災因子選取、評估模型建立、林火蔓延及林火行為演化、損失評價及災后評估等環節，提高了教學互動性、趣味性，培養了學生的批判性思維和解決問題的能力。

此外，設計一個沉浸式和交互式的虛擬博物館，作為展示數字化標本和虛擬仿真實驗成果的平臺。該虛擬博物館能夠在超大范圍內訪問和探索虛擬森林資源，體驗者在虛擬環境中參與互動討論和觀看3D演示，為研究者和學習者提供更加直觀豐富和更具吸引力的互動學習體驗[12]，為其深入理解和掌握森林保護專業知識提供高效平臺。

2技術融合在教學模式中的應用探索

常規教學模式較為注重對理論知識的講授，對實踐操作的重視度有待提升，部分現有教學資源暫未得到充分利用，使得部分學生學習參與度和積極性不高，課堂有效互動較少。將數字化標本與虛擬仿真技術有效融合并應用于教學模式，設計更加豐富多樣的教學活動，讓學生在虛擬環境中獲得接近真實的學習體驗，有助于提高教學質量與效果。將兩項技術融合應用于案例驅動教學、項目式學習與實踐、互動討論3種教學模式，具體如下。

2.1案例驅動教學法

在森林保護專業教學中，選取與數字化標本資源相關的松材線蟲病等實際案例，講解病蟲害的生物學特性、診斷方法和防治措施等重要知識點，并充分利用高清圖片、3D模型、分布地圖和歷史數據等數字化標本資源。實踐中，可將上述相關數字化標本資源上傳至在線教學平臺，應用虛擬仿真實驗模型模擬松材線蟲病的采樣、檢測和分析過程[1]。依托虛擬仿真實驗教學管理平臺，在小蠹蟲數字化標本資源庫基礎上構建了“小蠹蟲發生規律\"的虛擬仿真模型，主要用于森林昆蟲學蛀干害蟲的講解教學，通過動畫形式展示小蠹蟲鉆蛀、取食、釋放性信息素招引配偶交尾和產卵等過程，并設置語音提醒和問答環節；讓學生利用該資源庫測試應用不同防治技術、管理策略和干預措施的結果，并就結論進行共享討論。此外，選擇與數字化標本資源相關的實際案例，引導學生通過分析案例來理解專業理論知識，并應用虛擬仿真實驗模型進行模擬操作，以提升學生的實踐操作能力。

2.2項目式學習與實踐法

通過設計解決實際森林保護問題的項目，利用數字化資源和虛擬仿真技術，進行項目規劃、實施和評估，以培養學生的批判性思維、團隊合作精神和自主學習能力[13]。例如，設計關于某地某蟲害發生的監測與防控項目，學生需先通過數字化標本資源庫訪問相關資源，了解該地區此類蟲害的發生情況，進行數據收集、分析和研究，明確項目實施的目標、策略和方法，預期成果以及評估標準。借鑒昝慶安等[14關于煙蚜種群空間格局和取樣方法虛擬仿真實驗項自實踐，設計集昆蟲科普、用戶漫游、交互仿真、教學管理為一體的實驗系統，包括選擇工具、樣地，確定樣方、取樣位置，采樣，計算平均密度和樣本方差，判斷種群空間格局類型，選擇合適的抽樣方法，抽樣等步驟。學生根據虛擬仿真實驗結果，撰寫案例分析報告，通過項目式學習與實踐法，學生不僅能將理論知識應用于實際問題的解決，還可顯著提升解決實際問題的綜合能力，為其從事森林保護工作奠定基礎。

2.3 互動討論法

利用在線教育平臺，創建一個互動討論和協作的學習環境，鼓勵學生就數字化標本資源和虛擬仿真實驗中的問題進行討論。教師提出引導性問題或設計開放性問題，如“如何利用數字化標本資源有效進行森林生物多樣性監測”“虛擬仿真技術在森林保護中的潛在應用”，激發學生深入思考和討論。學生在交流和討論中發表觀點、辨析問題。同時，教師還可設計靈活的互動教學活動，如利用線上線下混合式課堂、翻轉課堂和虛擬現場考察等，提高教學質量和效果。

上述3種教學模式可單獨使用，也可串聯整合、相互補充，形成全面互動的學習體驗，尤其基于數字化標本和虛擬仿真技術的融合應用，有助于突顯教學模式的多維度化和強互動性。

3技術融合下的教學效果評估與反饋

在數字化標本和虛擬仿真融合教學模式下，學生的學習效果評價是多維度過程，可從以下方面進行分析和評價。

3.1 學生學習效果評估

3.1.1學習成果評估 一是測試理論知識掌握程度。采用在線測試、卷面考試或實際操作等方式來評估學生對所學知識的掌握程度，包括對數字化標本和虛擬仿真技術的理解。二是考核實踐技能應用情況?？疾鞂W生使用數字化標本和虛擬仿真平臺的熟練程度和操作能力，評估其在虛擬環境中將理論知識應用于問題解決、實驗設計和實驗操作等的能力；要求學生提交實驗報告或項目成果，評估其分析能力和創新思維。三是比較學生開展虛擬仿真實驗前后的成績變化，或與常規實驗教學模式的成績進

行對比分析。

3.1.2學習參與度分析 一是利用學習管理系統或虛擬仿真平臺的數據分析工具，追蹤學生的學習進度和成效，通過學習行為數據（如登錄頻率、停留時間、互動次數等指標）評估其學習參與度和活躍度。二是通過學習日志，分析學生在數字化標本和虛擬仿真課堂中的自主學習態度和興趣，考核其主動探索、資料查閱和問題解決等能力。三是通過問卷調查、訪談或收集反饋等途徑，了解學生對數字化標本和虛擬仿真實驗課堂的體驗和滿意度，以及調查其接受度和學習偏好。

3.1.3創新協作能力評估 一是通過創新實驗設計、研究項目或案例分析報告來評估學生的創新思維，考察其在虛擬仿真實驗中提出新觀點、新方法和解決問題的能力。二是考察學生在數字化標本資源和虛擬仿真實驗中的團隊合作情況，包括溝通協調、分工合作、小組討論和團隊成果共享等方面。

3.2 師生反饋評價

3.2.1教師層面 基于數字化標本資源和虛擬仿真技術的融合應用，不僅提升了學生的學習體驗，更對教師教學能力提升產生了積極影響。教師不斷學習和探索新教學方法，提高了教學內容的豐富性和多樣性，使教學更適應信息時代的教育環境和需求。教師通過數字化標本平臺快速獲取和展示大量教學資源，并將其高效整合后應用于課堂教學實踐，增加與學生的互動并保持教學的時效性和相關性。通過虛擬仿真技術的應用，采用以學生為中心的教學模式，教師能夠更好地理解學生的學習需求以及面臨的挑戰，從而調整教學策略。

3.2.2學生層面 學生對數字化標本資源和虛擬仿真技術的融合應用給予了高度評價，認為多樣化的教學模式使學習變得更加直觀、生動和有趣。參與虛擬仿真實驗，有助于激發其學習興趣和提高參與度，實踐操作能力和創新思維得到了有效鍛煉，學習效率有所提高，能夠更深刻地理解森林保護中的實際問題。

綜上，本文深入探討了數字化標本資源和虛擬仿真系統的建設現狀，對其在森林保護專業教學模式中的融合應用進行探索。二者的融合應用不僅突破了常規教學模式在時間和空間上的限制，而且提升了教學質量，激發了學生的學習積極性。隨著人工智能、大數據等新技術的不斷涌現和發展，教學團隊將繼續探索創新森林保護專業教學模式，進一步與環境科學、生態學等學科相結合，以培養學生的綜合素質和解決復雜問題的能力。同時，建立持續有效的評估與反饋機制，加強資源共享，為培養森林保護領域的創新型人才提供參考。

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(責任編輯：楊歡)