泰山生态虚拟仿真实验教学项目建设的探索

王耐寒，赵维军

1.泰山学院教务处，山东 泰安 271000

2.泰山学院旅游学院，山东 泰安 271000

实验教学是高等院校，特别是应用型本科专业教学中的重要组成部分，对学生专业知识掌握和科学研究方法、实验技能、动手能力的培养，具有重要的地位，对培养学生创新意识、提升学生创新能力有重要作用。随着国家不断增加对应用型本科人才的需求，对人才培养也提出了新的实验教学要求[1]。但从目前情况来看，因资金投入、配置等方面的不足，限制了高校实验教学的开展，再加上部分实验项目并不适合开展传统实验，因此，为了满足国家对人才的实践能力和创新能力培养的需求，以及提高信息化背景下高等学校实验教学质量和实践育人水平，教育部计划2017 年-2020年起开展约1000 项示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作，推动高校积极探索虚实相结合的实验教学改革，形成线上虚拟资源，线下真实操作的实验教学新模式。坐落在泰山脚下的泰山学院，也在2017 年开始积极探索虚拟仿真技术与本校研究特色—泰山文化研究的深度融合，建设了泰山生态环境野外实习虚拟仿真实验，对推进学校实验教学改革具有重要意义。

1 泰山环境的复杂性及使用VR 开展实验的意义

从泰山环境实验教学的建设上来说，需要培养一大批专业的实验教师，并投入大量的实验经费。然而，利用虚拟仿真技术，通过信息技术、多媒体技术及其数据库和网络通讯技术，来构建智能化、人性化、交互性的虚实结合、相互补充的实验教学资源，可以满足当前教学改革思路，改变实验教学功能，并在整个实验中可以更好地控制成本、消耗，使现代前沿科技手段和实验教学相融合，通过虚拟仿真技术和地理学、生态学、生物学等专业知识来实现实验教学信息化的改革和创新。

1.1 泰山生态环境实验背景

泰山是世界首例自然文化双遗产，世界地质公园，自然文化资源丰富，含有众多特有珍稀物种，是高校生态学、地理学、地质学等专业天然实验室。生态环境野外实验教学是生态学、地理科学、生物学等学科中，研究生物与环境关系的重要组成部分。通过此项实验学生可以掌握野外实习中植物群落特征调查方法和操作步骤，常见山地植物的特征识别；调查泰山植物资源，识别土壤剖面的形态结构，通过计算生物多样性，探索植被生长特征与土壤、气象要素、地形等环境的关系，进而探究山地自然带垂直分异规律。

但是，泰山景区禁止开展带有破坏性的土壤、生物样本采集等实验，而且土地环境是一个复杂的系统，地势险峻、气候多变，难以开展野外实验。利用虚拟现实技术，开展虚实结合、相互补充的虚拟仿真教学，非常必要。

1.2 使用虚拟仿真技术开展实验的意义

泰山中地貌、土壤、气象、地形等环境构成了一个复杂的系统，需要结合山地的复杂性、自然环境和人文环境，结合不同尺度的影响因素和机制，需要整合大量地理学、土壤学、生物学、生态学的数据资源，结合丰富的理论、实践经验，进而实现泰山野外生态环境的模拟，从教学手段、教学模式和教学方法上，打破了传统专业界限，实现了整个泰山野外环境教学的完整性，提高实验效率，从而提升学生专业知识认知水平。

本项目将始终围绕信息化时代背景下学生的需求，利用VR 头盔显示器、数据手套等现代硬件，在线上置身于泰山生态环境中，理解其垂直分布规律及不同自然带植物群落特征、土壤剖面形态，利用泰山虚拟仿真中心微信公众号线上线下研相结合开展研讨与互动，呈现鲜明个性化、智能化、泛在化、逻辑化的实验教学新模式，完美的成为传统教学的延伸与拓展。

2 泰山生态环境虚拟仿真实验的设计与实现

2.1 泰山生态环境虚拟仿真实验的构建

2.1.1 实验目的生态环境野外实习是生态学中研究生物与环境关系的重要组成部分，利用虚拟仿真技术构建的野外实习系统，为生态学野外实习提供全方位教学辅助，使学生突破时间、空间限制，开展自主学习，构建更完整的知识体系，提高综合实践与创新能力。

（1）学习并掌握常见泰山植物的野外识别特征和鉴定方法；调查泰山植物资源的种类组成、群落结构及资源状况；进而学习并掌握实地野外实习中植物群落特征调查方法和操作步骤。

（2）掌握泰山资源环境中，土壤剖面形态观测方法，进行土壤类型判别；学习并掌握不同植被带发育的土壤类型特征。

（3）分析泰山山脉不同自然带上植物生长特征与环境因子间的关系，学习和理解山地自然带垂直分异规律。

2.1.2 教学方法的实施过程 按照实验教学内容设计，采用B/S 架构开发《泰山生态环境野外实习虚拟仿真实验》网站，如图1所示。网站提供利用全景泰山观察泰山地貌形态、植被覆盖与分布；在虚拟仿真场景中，采用人机交互方式完成调查。使学生掌握野外实习中植物群落特征调查方法和操作步骤，常见山地植物的特征识别；调查泰山植物资源，识别土壤剖面的形态结构，通过计算生物多样性，探索植被生长特征与土壤、气象要素、地形等环境的关系，探究山地自然带垂直分异规律。

图1 项目首页Fig.1 Home page of the project

2.1.3 实验方案设计思路 按照教育部提出的“能实不虚”的虚拟仿真实验教学项目建设要求，实训实验课程设计为综合实验教学项目。泰山，野外实习受多种条件限制，又具有危险性，开展仿真实验成为教学的必要手段，本项目使学生突破时间、空间限制，开展自主学习，主动探索。生态环境野外实习是研究生物与生态环境关系的重要环节。本项目利用全景泰山，了解泰山地貌形态、生态环境等基本信息；通过仿真模型和虚拟场景的交互操作，观察植物形态特征，识别植物种类，了解植物群落特征；观察土壤性状，判断土壤类型；计算生物多样性，分析植物种类与生态因子之间相关性，探究自然带垂直分异规律；掌握野外实习调查技能和方法。

（1）实验课程设计与任务模块通过该模块学习，学生自主学习并掌握实训课程所涉及的原理与知识点、实验步骤、实验任务、考核指标、实验易错提示。

（2）样线取样与调查

样线法指在某个植物群落内或者穿过几个群落取一直线（用测绳、卷尺等），沿线记录此线所遇到的植物并分析群落结构的方法。适于分析逐渐过渡的群落结构。

样线的设置：主观选定一块代表地段，并在该地段的一侧设一条线（基线），然后沿基线用随机或系统取样选出待测点（起点），沿起点分别布线进行调查。

（3）评价体系

本项目从学生实验的完成度、准确度，和实验报告相结合进行总体成绩的评定，虚拟仿真实验教学管理平台，可以跟踪记录学生整个实验项目的学习情况，并实现在线指导与及时评价反馈。

2.2 项目构架的主要研发技术

泰山生态环境野外实习虚拟仿真实验选择泰山中路登山路线为样线，沿线设计制作虚拟仿真场景，在岱宗坊、红门宫、壶天阁、斩云剑、朝阳洞、对松亭、南天门、碧霞祠、玉皇顶九个点分别进行GPS、气象等要素的测量，构建植物调查和土壤调查虚拟仿真场景，在仿真场景中完成样线调查实验。

水流、落叶等动画系统的构建、模拟和演示，交互界面设计，可视化演示的设计与展示等关键技术进行研究，利用OpenGL 技术在引擎内部进行模型和贴图的视觉表现力图形处理，以达到一个较高的视觉表现。利用WebGL 的软件接口实现网页端的3D 模型渲染，通过借助系统显卡来在浏览器中展示3D 场景和模型，以实现数据可视化。主要开发技术如下：

2.2.1 三维GIS 技术 三维GIS 是布满整个三维空间的GIS，与过去传统的二维GIS 或2.5 维GIS 明显不同，尤其体现在空间位置和拓扑关系的描述及空间分析的扩展上，空间目标通过X、Y、Z 三个坐标轴来定义。

本项目采用GIS 三维建模技术，利用泰山1:1 万数字地形图数据生成DEM 数据，构建泰山三维模型，结合遥感影像贴图，还原泰山真实场景。采用基于扫描云点的建模技术，采集大量真实的植被各个部位的样本进行扫描，在采集树叶的基础骨架的基础上构建树叶、树枝、树干等的基础模型骨架线，然后采用蒙皮技术丰富植被的各个部位，从而生成相应的三维素模模型。

2.2.2 次世代模型贴图技术 在泰山生态环境野外实习虚拟仿真实验中，图像处理采用手绘与三维扫描相结合的方法制作次世代游戏贴图技术，采集不同光照、不同环境影响下的材质数据信息，采用手绘技术，绘制和修改响应的纹理，对因氧化、虫蛀等表面损伤的植被进行贴图修复处理，保证制作出的模型能够从外观到颜色与实物的相似度达到90%以上，还原度达到95%以上。

2.2.3 三维动画技术 三维动画又称3D 动画，随着计算机软硬件技术的发展而产生的一新兴技术。三维动画技术是现在模拟真实物体的一个有用工具。具有精确性、真实性和无限的可操作性。

针对本项目中的流体，采用计算流体力学技术制作，采集相应的水域、水系流动信息，进行运动数值求解，然后首先进行三维流体软件解算，解算并模拟流体的相对运动轨迹和运动方向，然后采用逐帧绘制的方法进行表面重建和动画模拟和制作，然后导入到AE 中进行最终的流体动画渲染和颜色矫正，最终得到相对准确的喷溅、撕裂、路径动画。

2.2.4 虚拟现实技术(VR 技术) 虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中[2]。

本项目采用的虚拟现实技术是仿真技术与计算机图形学人机接口技术多媒体技术传感技术网络技术等多种技术的集合。虚拟现实技术(VR)主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。简而言之就是通过虚拟现实技术把制作的三维模型、三维贴图、UI 界面、文字、视频、以及输入输出设备进行整合、集成，最终制作出具有沉浸性、真实性、带入感、可实时进行互动的虚拟试验。

2.2.5 WebGL 技术 本项目最终的发布是采用的WebGL 技术，利用WebGL 技术把JavaScript 和OpenGL ES 2.0 结合在一起，通过增加OpenGL ES 2.0 的一个JavaScript 绑定，WebGL 可以为HTML5 Canvas 提供硬件3D 加速渲染，这样就可以借助系统显卡来在浏览器里更流畅地展示3D 场景和模型了，还能创建复杂的导航和数据视觉化。显然，WebGL 技术标准免去了开发网页专用渲染插件的麻烦，可被用于创建具有复杂3D 结构的网站页面，甚至可以用来设计3D 网页游戏等等。

WebGL 完美地解决了现有的Web 交互式三维动画的两个问题：第一，它通过HTML 脚本本身实现Web 交互式三维动画的制作，无需任何浏览器插件支持；第二，它利用底层的图形硬件加速功能进行的图形渲染，是通过统一的、标准的、跨平台的OpenGL 接口实现的[3]。

3 结语

泰山生态环境野外实习虚拟仿真实验，融合三维技术、虚拟仿真技术、互联网技术，建立泰山生态环境野外实习虚拟仿真实验网站，为本校生态学、地理学、生物学等相关专业的学生和社会相关领域的技术人员提供虚拟泰山环境实训实验教学课程。通过本项目，实现了虚拟仿真实验教学改革，能够有效解决高校实训实验教学所涉及的不可行、高危险等难以满足师生野外实训实验学习等客观问题。同时，通过项目实验教学网站建设，可以让更多高校和社会同行共享虚拟教学资源。

综上所述，结合泰山生态环境野外实习虚拟仿真实验成功开发，为了实现其虚拟仿真实验教学的重要性，为未来实验教学的发展奠定坚实的基础，就要不断的创新和完善，从根本上创建虚拟仿真实验教学的有效性，通过合理的平台构建和专业的团队及其管理来实现泰山虚拟仿真实验中心的建设，为共享虚拟泰山环境与资源实现开放共享探索一条有效途径。