经济林树体栽培管理虚拟仿真实验的建设与应用

伊力塔，王正加，梅 丽，张 敏，夏国华

(浙江农林大学林学类国家级实验教学示范中心，杭州 311300)

经济林现代化栽培能力一直是林学、经济林等专业的核心实践技能[1-2]。在栽培中普遍存在幼年期长、树体高大、栽培管理不便等问题，栽培管理环节技术因素多、历时长、成本高。为此，基于以往的实验教学方法很难实现全过程教学，教学效果不佳。为破解这一难题，依托国家科技进步奖二等奖“南方特色干果良种选育与高效培育关键技术”的核心成果，基于浙江农林大学虚拟仿真实验教学中心平台，以山核桃树体栽培管理为例开发了虚拟仿真实验项目(http://zafu.owvlab.net/virexp/ggzp)，并具备软件著作权(登记号2019R0886041)。

1 项目建设

1.1 目的意义

在经济林现代化栽培过程中，精准树体栽培管理是提升产量与品质的关键因素，自然也成为实践教学的关键环节；但在树体栽培管理中由于存在经济林树种树体高大、生长周期长、危险性高、重复性差、品质因素复杂等技术难点，教学实践中很难在短时间内系统完成全部的栽培管理实验内容，从而导致学生不易有效获得树体栽培关键技术的知识能力。

本实验教学项目以南方特色经济树种山核桃(Caryacathayenisis)为例，重建了树体栽培管理的完整过程，浓缩了栽培管理的时间，避免了安全风险和隐患，提高了交互实验的可操作性，使学生能够系统深入学习和掌握经济树种栽培全过程，显著提升学习兴趣，有效激发学习欲望，为培养经济林产业应用复合型人才提供有效支撑[3-4]。

1.2 关键思路

1.2.1 良种选择是经济树种丰产的重要因素

良种是将通过省级以上审(认)定的优良品种(浙林山1号、浙林山2号、浙林山3号)，抗病性强、丰产性好，产量稳定，坚果品质优良，通过嫁接在亲和性好、适应性广的砧木上形成良种嫁接苗，保证了造林后良种结实早、抗性强、品质优良等特点。由于山核桃实生苗童期长、抗性差，因此在生产上以湖南山核桃或薄壳山核桃为砧木山核桃，培育山核桃种嫁接苗，可实现缩短童期、提高抗性、优质丰产的目的。

1.2.2 造林密度与树体管理对产量的影响

在经济林培育过程中，不同的栽培密度与树体管理密切相关。造林密度低，林地透光透气性好，树体管理简单，单株产量高；造林密度高，林分透光透气性差，树体管理成本高，影响产量。因此，通过调控林分密度，加强树体管理促进林分生产力，最大发挥其效益(表1)。

表 1 密度与树体管理对产量的影响

1.2.3 整形修剪是形成合理的树形结构关键

树体管理可直接影响光能利用率，通过科学合理的修剪方法，可充分发挥其生物学特性，实现早果、优质和丰产的目的。因此，合理分析和制订不同条件下的树体结构，对栽培管理具有重要意义。

1.2.4 适时适法采收是提高经济效益的保障

成熟期采收可保证产量与品质。以山核桃为例，果实成熟期在9月上中旬，采收过早，降低果仁饱满度和油脂含量，不但影响当年的产量、质量和效益，还可能进一步影响来年产量；如采收过迟，果实已脱落而未能及时捡收，也会造成损失。

1.3 主要内容

项目建设具体内容包括了解树种生态习性，良种选择，良种嫁接苗培育，良种苗起苗技术，良种苗运输，造林地选择，造林地整理与挖穴，造林密度选择，定植，定干，幼林与成熟林树形培养，幼林与成熟林肥水管理，果实适时适法采收，密度选择与产量关系，密度选择与效益关系的项目框架见图1。

图 1 项目框架Figure 1 Framework

关键操作交互如下：(1) 苗木选择与预期造林效果。了解良种嫁接苗、普通嫁接苗与实生苗造林后预期效果(图2)。(2) 造林整地模式与密度选择。了解不同地形应选择不同的造林整地方法，进而可影响苗木的种植密度(图3)。(3) 整形修剪方法与实操训练。了解常用的修剪方法，并让学生了解通过系统修剪可达到的整形目的(图4)。(4)水肥科学管理与实操训练。利用交互性操作让学生了解科学的肥水管理方法及其对产量的影响(图5)。(5) 科学采收与采收效果。掌握采收方式、采收时间及其对产量和品质的影响[5-6](图6)。

图 3 造林密度选择Figure 3 Selection of afforestation density

图 4 整形修剪分层及树形Figure 4 Stratification and tree shape

图 5 水肥管理Figure 5 Water and fertilizer management

图 6 采收方式Figure 6 Harvesting methods

最终通过交互操作让学生了解密度调控和树形交互对产量的影响，从而掌握系列配套技术提高产量的科学方法，最终实现最佳栽培方式；并通过系统设计自动随实验成绩获得等级判断(优秀、良好与合格)，表明学生知识掌握的准确度(图7)。

图 7 产量预测及效益Figure 7 Yield prediction and performance

以山核桃树体栽培管理涉及的核心要素进行虚拟仿真，有效支撑学生深入了解以山核桃为代表的南方特色干果树种栽培完整流程，系统掌握正确的密度选择和种植方法，熟练应用山核桃树体栽培管理过程中苗木定干、整形修剪、肥水管理等技术对树体结构、经济产量等的影响。

2 建设实践成果

2.1 创新教学方法

坚持“学生中心、问题导向、学科融合、创新实践”的教学理念，基于成果导向(OBE)设置多层次实验教学设计，建立了“一核五式”实验教学方法，即在实验过程中以OBE教学模式加强学生实践能力和创新精神的培养为“主核”，设置自主式、层进式、交互式、支架式、反思式教学设计“五式”，具体如下：

(1)实验前：自主式。结合课程理论知识，学生可根据兴趣自主选择练习章节；在此模式下，学生自由选择规范练习模式或自主设计练习模式。通过模拟练习或自主设计，不但巩固了基础知识也提高了创新能力。(2)实验中：层进式。学生在沉浸式虚拟环境中操作，在操作中学习，在学习中层进，从良种选择、良种苗培育、起苗、运输、定植、肥水管理到果实采收全过程，在每个过程中设置过关题和知识点，既能学到树体栽培管理的技术要点，又能通过适量的考核来衡量学生的选择正确与否，使学生在虚拟的环境中体会到真实的感觉。交互式。在强化练习中，学生与线上教师进行互动提问与答疑；也可与虚拟场景、各类材料和物体实时互动，进行操作练习。系统具有错误提示、正确操作提示和自动评价的功能，学生通过人机交互的方式，实现边练习、边学习、边调整，错误和不足之处及时得到改正和补充。(3)实验后：支架式。“练习模式”和“考核模式”均从数据库中随机出题及自动评分，能够自动生成可追溯实验全过程的记录，便于学生及时了解与掌握学习进程，进行自我纠错；教师也能够通过后台看到每个学生的实验操作，并且通过个性化、差异化的出题模式考核每个学生，线上教师与学生进行互动提问与答疑，引导学生的实验操作。反思式。实验操作结束后，自动形成实验报告，学生可以反思自己的全部操作，并对自己掌握的情况做出评价。学生可根据评价结果和兴趣，反复进行实验操作，进而提高学习效果。此外，线下学生可利用校内实践基地，可进行修剪操作，上传相关信息至本项目数据库，教师对学生的实际操作进行点评，学生之间相互点评，实现了师生互动与生生互动。

2.2 实施效果显著

(1)提供了综合实践条件。利用虚拟仿真平台实训手段，实现由单一基础技术到各种技术综合应用的实训训练。力求体现林学专业的实际应用及发展的趋势，体现先进性、前瞻性、实用性、可操作性及示范性。切实提高学生的实际操作能力和分析解决问题的综合能力，使得纯知识性的教学与培训变得更加生动和形象，从而真正掌握现代林业技术[7]。

(2)满足了深度学习需求。通过虚拟仿真教学软件的应用，让学生课前、课中和课后在系统流程引导下根据自己学习进度进行有针对性地学习，同时可反复熟练强化操作技能的训练，而不受他人限制[8]。同时系统可根据学生学习状况帮助学生生成最优化的学习路径，通过智慧学习方式，让学生能直观、快速、便捷地掌握经济林栽培应用技能。

(3) 构建了产业接轨平台。教学互动满足相关课程的理论与实际相结合的教学要求，满足教师与学生互动式教学的需要，以达到提高学生实训效率及效果的目的。学生的实践操作环境与产业接近，有利于行动导向教学的实施，营造的虚拟与现实的实训环境不仅提高了学生的专业素养，还提高了学生的专业情怀，使其更快地融入林业产业的生产实践。

(4) 实现了教学资源共享。项目资源不仅惠及林学专业的师生，还支持了我校其他相近专业的虚拟仿真实验教学需求。南京林业大学、云南农业大学、福建农林大学等兄弟院校相关专业引进了该虚拟仿真实验教学项目。

3 结语

在“新农科”建设背景下，针对卓越农林人才培养应具备的特征，林学类相关专业实践教学环节应以加强实践创新能力和主动思维为主线，通过虚拟仿真技术，可以实现在实验不同环节中培养学生自主运用知识，发现并解决问题以及实施创新设计能力。另外，针对新时期产业需求主动设置实验课程用人单位反馈机制，将有利于学生与产业实践充分接轨，形成基础验证、综合实践、创新开放充分结合，构建多层次多维度实践教学平台，通过本实验项目能得到系统有效地训练，提升学生实际操作水平[9-10]。