森林保护学虚拟仿真实验教学体系的构建

2016-05-30杨振德玉舒中

教育教学论坛 2016年21期

杨振德　玉舒中

摘要：虚拟仿真是20世纪40年代伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一类试验研究的新技术。广西大学林业科学与工程虚拟仿真实验教学中心根据“虚实结合，能实不虚，以虚扩实”的建设原则，构建了虚实融合的森林保护学虚拟仿真实验教学体系，为卓越农林人才培养和深化教学改革开辟了一条新的途径。

关键词：虚拟仿真；森林保护学；实验教学体系

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）21-0268-03

实验教学体系是与理论教学有机结合，以“拓展式实验教学”为主导，以能力培养为核心，多层次、多模块、衔接紧密的科学系统，虚拟仿真实验教学体系与教学内容建设是虚拟仿真实验教学中心建设的核心[1]。广西大学自2014年入选国家首批卓越农林人才教育培养计划试点高校以来，根据卓越农林人才培养计划目标，加强学生实践能力培养，强化实践教学环节。其中，广西大学林学院林学专业作为国家首批复合应用型农林人才培养模式改革试点专业，积极推进实验教学改革和实验手段创新，把虚拟仿真技术应用于实验教学，构建了虚实融合的森林保护学虚拟仿真实验教学体系，为卓越农林人才培养和深化教学改革开辟了一条新的途径。

一、森林保护学实验的特点

森林保护学是以保障林业植物健康和森林生态安全为目标，研究病、虫、草、鼠等林业有害生物的生物学特性、发生危害与灾变规律及其防治理论和防治技术的学科。它主要由森林病理学、森林昆虫学、病原真菌学、病原细菌学、病毒学、植物化学保护、林业有害生物预测预报学和林业植物检疫学等多学科组成的综合性学科。森林保护学的功能主要是预防和持续控制林业有害生物的发生和危害，减少灾害损失，保护森林资源和生态安全，促进林业经济可持续发展。森林保护的学科性质和功能决定了森林保护学实验具有以下特点：

（一）实验对象的鲜活性

森林保护学实验的对象往往是鲜活的生物体，如昆虫发育有效积温的测定、昆虫的人工饲养、林木病原菌的分离与鉴定等实验的对象均是鲜活的生物体，实验过程需要确保这些生物体正常的生活环境。

（二）实验事件的偶然性

森林病虫害、火灾等是一种灾害，具有偶然性，也是现实中不希望发生的，当它发生的时候也只有在教学进度和时间合适、实验经费允许的条件下可以安排学生去进行防治实验。相反，当按照实验教学日历要进行森林病虫害防治实验以及森林防火等有关实验的时候却很难找到大片发生病虫害或火灾的森林进行防治和灭火实验。

（三）实验过程的危险性

森林病虫害的化学防治是森林病虫害防治的一种常规技术，但是此类实验由于需要使用具有较大毒性的化学农药，该实验过程及其实验废物的排放均对人体健康造成威胁而不能开设。

（四）实验时间的季节性

森林保护学实验对象的鲜活性决定了森林保护学实验具有季节性。病虫害的发生往往具有明显的季节性，高温高湿的季节发生比较严重，冬季和春季发生比较轻，森林火灾则在干旱的秋冬季较易发生。

（五）实验场所的开放性

森林保护学的一些综合性实验（包括探索性实验、生产性实验和研究性实验），如林业有害生物普查测报、林业有害生物灾害监测预警、林业有害生物综合防治、农药药效试验、重大林业有害生物灾害的应急处置、森林火灾隐患排查、森林火灾扑救、森林可燃物类型的划分、森林火险等级预测预报等实验需要在广阔的林间进行。

二、森林保护学实验虚拟化的必要性

虚拟仿真实验教学是对传统实验教学在思想体系、实验内容、实验方法和手段等颠覆性的变革。它综合应用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库以及网络通讯等多种技术，通过构建一个逼真可视化的实验操作环境和实验对象，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展高效、安全且经济的实验，进而达到真实实验不具备或难以实现的教学效果[2-5]。虚拟实验具有沉浸感、模拟性、交互性、感知性和构想性等特点[6]，有利于提高实验教学的效果，培养学生创新能力和解决问题的能力。采用虚拟仿真技术于实验教学，可以为学生营造“自主实验”的氛围，具有实验成本低、无污染、突破现实实验中时空的限制等优点[7，8]。

因此，将森林保护学实验中一些由于受到场地、时间季节、实验成本、危险性以及不可再重现等方面的限制，难以在传统实验教学中实施的实验开发成虚拟仿真实验是非常必要的。虚拟仿真实验作为真实实验的补充和扩展，具有仿真性、参与感、安全性等特点，与传统实物实验结合，可以使学生获得全面的训练，对培养学生动手能力、观察能力、独立思考能力和创新能力具有重要意义。

三、森林保护学虚拟仿真实验教学体系的构建

广西大学林业科学与工程虚拟仿真实验教学中心根据“虚实结合，能实不虚，以虚扩实”的建设原则，建了“模块化、层次化、多元化”的虚拟仿真实验教学体系（如图1所示），即“森林昆虫、森林病理、化学保护和森林防火”4个模块，每个模块包含“基础实验、专业技能和综合创新”3个层次。形成了虚实融合，以综合创新为特色，以能力培养为核心，多层次、多模块、衔接紧密的森林保护学虚拟仿真实验教学体系。

（一）虚拟仿真实验的四模块

1.森林昆虫虚拟仿真实验模块。本模块主要针对森林昆虫的个体发育、行为习性、危害调查与综合防治等方面的实验进行虚拟仿真。如在森林昆虫多样性调查虚拟仿真实验中，采用虚拟仿真技术虚拟仿真实验背景，制作调查样线及3D化的智能昆虫模型，每种模型昆虫的数量参照当地森林中的丰富度来设定。开展多样性调查时，可将各种昆虫在树林中出现的限制因子设定为季节，以便在不同季节进行多样性调查时得出的结果与自然界相吻合。对调查到的每一种昆虫，配以真实照片，以便学生进行鉴定，做到虚实结合。

2.森林病理虚拟仿真实验模块。本模块主要针对森林病原物的分离鉴定、病害发生发展与综合防治等方面的实验进行虚拟仿真。如桉树青枯病菌主要通过根部和根颈部伤口入侵，在植物体内繁殖，沿着维管束蔓延全株发病，植株失水萎蔫枯死。但这一过程无法在常规的实验课中让学生观察到，也难以让学生理解和掌握。通过虚拟仿真技术，把桉树青枯病症状诊断、发病规律、侵染循环以及防控技术直观呈现，提高学生对桉树青枯病的诊断和防控技术水平。

3.化学保护虚拟仿真实验模块。化学保护的核心是如何科学地使用农药，根据农药、有害生物与环境之间的关系合理使用农药。农药往往具有较大毒性，实验过程及其实验废物的排放均对人体健康造成威胁。本模块主要包括农药的毒力测定、药剂室内药效筛选、林间小区药效试验、农药对植物的药害作用、除草剂的选择作用及防除效果、农药残留分析等仿真实验。

4.森林防火虚拟仿真实验模块。真实森林火灾发生与控制实验具有极其危险性与不可重复性。通过虚拟仿真技术，可以模拟森林火灾场景，通过调整参数输入设置不同火灾发生发展过程，针对不同火灾发展阶段调用不同控制火灾策略和技术，直观展示火灾控制效果。本模块主要包括火灾发生过程的仿真演示、森林火灾隐患排查、森林可燃物类型的划分、森林火险等级预测预报、森林火灾发生与控制技术等仿真实验。

（二）虚拟仿真实验的三层次

1.基础实验层次。该层次主要是演示性试验，让学生了解掌握森林保护学的基础知识和基础技能。

2.专业技能层次。该层次主要是专业技能实验，让学生了解掌握森林有害生物的调查与防治、森林植物检疫、物理防治、生物防治、森林火灾隐患的排查与扑救、农药的配制与使用等专业技能。

3.综合创新层次。该层次主要面向学科前沿和林业生产第一线，让学生参与教师的科研项目，将科研项目研究成果转化为虚拟仿真实验教学资源。此外，森林保护学是一门应用性很强的学科，常常需要解决林业生产上有害生物防治的实际问题。如天敌昆虫的人工饲养及其应用仿真实验可以结合生产实践开展花绒寄甲人工饲养并用于防治松褐天牛。

四、结语

虚拟仿真技术在实验教学中的应用，极大地拓展了实验教学的内容和时空，一些在传统实验条件下难以安排的实验得以全面的开展[9]。但是虚拟仿真实验不能完全代替真实实验，只能作为真实实验的补充和扩展，虚拟仿真实验必须与传统实验相结合，使学生获得全面的实验训练。

多层次、多模块、衔接紧密的森林保护学虚拟仿真实验教学体系把各种森林保护学实验有机串联起来，注重纵向知识体系和横向知识的相互浸透，注重森林保护的基础知识、专业技能和综合创新各个方面的衔接。该体系把实验教学、专业能力培养和科研综合创新有机结合，为卓越农林人才培养和深化教学改革开辟了一条新的途径。

参考文献：

[1]陈国辉，刘有才，刘士军.虚拟仿真实验教学中心实验教学体系建设[J].实验室研究与探索，2015，34（8）：169-172.

[2]张敬南，张镠钟.实验教学中虚拟仿真技术应用的研究[J].实验技术与管理，2013，30（12）：101-104.

[3]刘亚丰，吴元喜，苏莉，等.生命科学与技术虚拟仿真实验教学体系的构建[J].实验技术与管理，2015，32（9）：120-123.

[4]王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索，2013，32（12）：5-8.

[5]李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32（11）：5-8.

[6]谭珂，潘新华，高原.医学虚拟仿真教学环境的构建[J].中国医学教育技术，2012，26（5）：535-538.

[7]张红宾，赵二刚，张颖.虚拟仿真在电子类实验教学中的应用探讨[J].实验室科学，2015，18（3）：44-46.

[8]傅舒，王洪志，张微，等.虚拟仿真技术在中医学实验教学中的实践与探索[J].成都中医药大学学报（教育科学版），2013，15（4）：13-14.