植物学野外实习虚拟仿真教学系统的设计*

2020-11-10刘全儒刘丹辉向本琼雷维蟠

生物学通报 2020年1期

徐冰刘全儒刘丹辉向本琼王宁雷维蟠

（北京师范大学生命科学学院北京 100875）

生物学野外实习是生物学、生态学等专业本科生的基础课，是理论课堂教学的延伸和发展，是实践教学的重要环节［1-2］。然而，物候、天气、师资、经费、学时等因素影响着野外实习教学的实施与效果［3-5］。将虚拟仿真、互联网等信息化技术、在线课程、翻转课堂等新型教学方法引入野外实习教学，可在一定程度上缓解上述问题，为高校实习实践教学改革提供新思路［6-9］。

北京师范大学生物学野外实习教学团队，结合自身教学特色与优势，根据培养学生实习实践创新能力的要求，利用Unity 3D 信息化技术和网络化虚拟教学平台，设计和构建了植物学野外实习虚拟仿真教学系统。该系统模拟真实植物学野外实习场景和内容，集知识性、趣味性、互动性于一体。学生通过网络平台访问该系统，交互式的虚拟操作激发学习兴趣和探究热情；虚实结合的教学模式，有利于学生掌握植物识别与野外工作方法，提高野外实习教学质量和学习效果。

1 虚拟仿真实验教学及其特点

虚拟仿真实验教学综合应用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库及网络通讯等多种信息技术，构建高度仿真的虚拟实验操作环境和实验对象，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能［10-11］。虚拟实验具有开放性、广域性、交互性和实时性的特点［12］，可将高危实验安全化、长周期实验短时化，打破时间、空间对实体实验的限制。将高危险、高成本、操作复杂、周期过长等实体教学难以实现的实验虚拟化，使学生能在开放、自主、交互的环境中开展高效、安全且经济的虚拟实验，可提升学生实践能力，促进人才培养。

目前，全国已建成300 多个国家级虚拟仿真实验教学中心及400 多项国家虚拟仿真实验教学项目。虚实结合的新型实验教学形式，可全面提升高校学生的创新精神和实践能力，扩大优质教学资源共享范围，推动高校实验教学改革与创新，提高教育教学质量［13］。

2 虚拟仿真教学系统的设计

北京师范大学生物学野外实习基地为小龙门国家森林公园（115°26′E，39°57′N），隶属北京百花山国家级自然保护区。该地区为温带半湿润季风气候，生物多样性十分丰富，森林覆盖率达91%。植物学野外实习虚拟仿真教学系统，以该实习基地常见植物及植被类型为基础，构建了常见植物3D 虚拟仿真模型，高度还原了实习基地的植被地貌。该系统由植物识别、植被分布的垂直地带性和森林植物群落物种多样性测定3 个虚拟仿真实验组成。

2.1 植物识别虚拟仿真实验掌握植物界各大类群的特点及生态分布规律，识别与鉴定常见植物是植物学野外实习的重要教学内容。根据实习教学的内容和要求，结合学生学习过程中存在的问题，构建的植物识别虚拟仿真实验包括学习和考试2 种模式。

学习模式包括小龙门实习基地近300 种常见种子植物。学习内容涵盖每种植物的中文名、别名、学名、分类地位、形态特征、生境分布等信息，结合多组照片，全面展示了植物的茎、叶、花、果实特征及生活状态（图1A）。该模式也具有植物查询功能，输入植物科、属、种等关键词名称，即可迅速定位到相关植物。

考试模式以小龙门实习基地的南沟为基础，构建了高仿真的3D 虚拟森林场景；在场景中漫游，辨识生境中出现的植物。考试系统设置了50株植物，学生根据植物的3D 高仿真模型、形态学特征、生境分布及照片，识别并记录植物的物种名称和所属科名（图1B）。识别结束后，汇总实验结果，共计100 分。80 分以下建议重新学习，80 分以上建议到野外进行实践。

2.2 植被分布的垂直地带性虚拟仿真实验东灵山位于北京市门头沟区的西部，为北京市境内最高峰，海拔2 303 m，属太行山系小五台山的余脉。植被分布的垂直地带性明显，随海拔的变化从下而上可分为灌丛及农田带、落叶阔叶林带、亚高山草甸带和亚高山灌丛带［14］。虚拟仿真实验根据植被分布的垂直地带性特点，结合实际的地质地貌，高度还原了该地区的植被地貌（图2A）。部分植被带同时以3D 虚拟仿真场景和360 度实景2 种模式呈现。学生在场景中漫游，可身临其境了解植被分布的规律及不同群落内植物种类的变化。

海拔900～1 800 m 为落叶阔叶林带（图2B）。根据海拔和植被变化，构建了落叶阔叶林、落叶阔叶林林窗、白桦林和棘皮桦林、蒙古栎林和辽东栎林4 个不同的虚拟仿真场景。落叶阔叶林由乔木层、灌木层和草本层植物组成，乔木层优势种主要以青杨、山杨、蒙古栎、辽东栎、核桃楸等落叶乔木为主，林下灌木层主要由金花忍冬、胡枝子、三裂绣线菊、毛榛、平榛、六道木、卫矛、刺五加等落叶灌木组成，草本层主要包括了银背风毛菊、华北风毛菊、三脉紫宛、菊叶委陵菜、龙芽草、东亚唐松草、草乌、藜芦、雉隐天冬等植物。

海拔1 800 m 处为落叶阔叶林和亚高山草甸的群落交错区，林草分界线清晰可见（图2C）。

海拔1 800～2 200 m 为亚高山草甸，主要由早春苔草、洽草、金莲花、银莲花、北京假报春、大叶龙胆、小丛红景天、白苞筋骨草等植物组成。

海拔2 200 m 以上为亚高山灌丛，分布有成片的鬼箭锦鸡儿灌丛，并散生有金露梅和银露梅灌丛（图2D）。

图1 植物识别虚拟仿真实验

图2 植被分布的垂直地带性虚拟仿真实验

2.3 森林植物群落物种多样性测定虚拟仿真实验样方法是植物学、生态学野外工作中经常使用的测定植物群落物种多样性的一种方法。森林植物群落物种多样性测定虚拟仿真实验，完整再现了样方法的操作步骤，并将实验操作的关键步骤设定为一些题目，以考核学生的学习情况。

首先，根据群落的类型在调查样地内，制定适合北温带森林植物群落的样方设定方案。按照该方案设定1 个10 m×10 m 的乔木层样方，将乔木层样方分割成4 个5 m×5 m 的灌木层样方，并在乔木层样方内随机设置5 个1 m×1 m 的草本层样方（图3A）。

其次，测量并记录植物群落的基本情况，包括调查时间、调查人员、样地海拔、经纬度、坡度、地质地貌、人为及动物活动等情况（图3B）。

再次，调查群落内各数量指标。依次调查乔木层、灌木层和草本层植物情况。乔木层识别并记录乔木的物种名称、植株高度、胸径和郁闭度（图3C），灌木层和草本层包括物种名、植株高度和盖度。

最后，统计调查结果，并按照公式计算植物群落的香农-威纳多样性指数和辛普森多样性指数（图3D）。

虚拟操作结束后，系统汇总实验结果，共计100 分；80 分以下建议重新学习；80 分以上建议到野外进行实践。

图3 森林群落物种多样性的测定虚拟仿真实验

3 虚拟仿真教学系统的应用

虚实结合，提升实习效果。植物学野外实习虚拟仿真教学系统，虚拟场景真实，植物模型逼真，使学生有身临其境的感觉。学生通过网络平台访问该系统，随时随地学习和了解华北地区植物多样性、植被类型及野外工作方法，减少时空、天气、物候、野生植物资源对野外实习的不利影响；弥补因教学学时、经费、师资等因素的限制，学生在野外学习时间过少、学习不充分的不足［15］。学生在实习前利用该系统全面了解实习环境、植物类群、生态学野外研究方法等，做到实习前心中有数、实习目标明确；实习过程中，可利用虚拟实习系统回放观看、把握关键，模拟操作、掌握要领，也可通过考试模式考查自己的学习情况；实习结束后，随时随地通过线上访问进行复习。线上、线下虚实结合，为学生掌握植物学相关知识及野外工作方法提供有力保障。

扩大辐射，实现优质教学资源共享。植物学野外实习虚拟仿真教学系统，充分利用北京师范大学植物学野外实习优质师资等资源，为兄弟院校实习提供参考，扩大与其他高校的交流共享；为缺少野外实习机会的学生提供模拟学习的机会，使其置身于实习场景，掌握相关知识，完善知识体系。集知识性、趣味性、互动性的虚拟实习系统，可服务社会大众，为感兴趣的中、小学生和社会公众提供学习常见植物和野外工作方法相关知识的平台，提高公众参与认识生物多样性、了解自然科学研究的积极性，促进生物多样性和生态文明相关知识传播。