虚拟仿真技术在树木学实践教学中的应用初探

段一凡 李垚 李蒙 方炎明

[摘 要] 树木学是高等农林院校林学、生态学等专业的重要基础课，也是一门实践性很强的课程。针对传统树木学实践教学中存在的山高路险、受天气影响大、实习成本高等问题，探索将虚拟仿真技术融入其中，自主开发了黄山亚热带森林类型观察与树种探究虚拟仿真实验系统。通过介绍实验系统的目的、主要知识点、模块设置、主要步骤、考核方法及特色优势，以期有利于传统树木学实践教学的有益延伸与拓展，有助于提升整体教学效果。

[关键词] 树木学;虚拟仿真;实践教学

[作者简介] 段一凡（1984—），男，河南淮阳人，理学博士，南京林业大学生物与环境学院副教授，主要从事树木学研究。

[中图分类号]  G642.0    [文献标识码] A  [文章编号] 1674-9324（2021）39-0132-04    [收稿日期] 2021-05-18

一、引言

树木学既是高等农林院校林学、生态学等本科专业必修的专业基础课，也是一门实践性很强的课程[1]。课程的核心内容包括森林类型认知、树木识别、树种特性和利用价值，是相关专业学生必备的业务能力。从20世纪40年代开始，树木学先辈陈嵘教授、郑万钧教授等开始在中央大学、金陵大学讲授树木学课程，历经数十年的传承发展至今。从20世纪80年代开始，黄山、天目山、武夷山等亚热带山区的树木学实践教学一直是南京林业大学树木学课程教学的重要组成部分。而多年的教学实践证明，该实践项目是必要且需要坚持的。根据校友的反馈，树木学实习是学生在校期间最有兴趣的课程之一，而树木野外识别是工作后非常重要而有用的技能。

总结多年的树木学野外实践教学，笔者发现其中存在一些亟待解决的问题：（1）学生实习经过高山险路时，人身安全风险高;（2）实践教学多在黄山等亚热带山区进行，经费成本高，遇到雨天，严重影响野外作业;（3）林木生长周期长、分布广，森林面貌和树木器官形态因季节而变化，短暂的实习期很难观察到这些变化。因此，传统树木学实习存在一定的局限性，使之很难适应新时代林业对森林生物多样性保护的综合需求。

虚拟仿真技术（Virtual Simulation Technology）是通过计算机系统创建一个虚拟世界（Virtual World）。虚拟世界可以是现实世界的再现或者是构想的世界，用户可以通过视觉、听觉、触觉等多种感官方式在虚拟世界形成直观性、交互性和沉浸式体验[2，3]。虚拟仿真技术的出现为有效解决传统树木学实践教学中存在的问题提供了重要契机。本文拟结合笔者团队自主开发的“黄山亚热带森林类型观察与树种探究”虚拟仿真实验系统，初探虚拟仿真技术在树木学实践教学中的应用，以期将其作为传统树木学实践教学的延伸与拓展，虚实结合，打破时空限制，提高教学效果。

二、虚拟仿真实验设计

（一）实验目的

1.基于在线辅助工具，构建低安全风险、低成本的虚拟森林环境，使学生了解环境对森林类型的影响，掌握黄山森林群落的组成、结构及垂直分布规律。

2.虚实结合，整合野外现场形态认知方法与室内实验方法，多途径探究黄山森林优势树种的形态特征与变异式样，牢固掌握树种辨别的科学方法与鉴定技能。

3.突破时空和天气限制，在虚拟环境中还原黄山森林的季相变化，再现优势树种的叶花果物候与形态变化，全方位认知与探究森林和树种的科学方法。

4.认知与解析珍稀濒危保护树种案例，有效利用在线珍稀濒危保护树种资源，树立正确的生态文明观。

（二）实验主要知识点

1.黄山森林类型垂直分布的特征。黄山地理位置、海拔、气候带等背景;黄山森林类型垂直分布示意;不同森林类型的垂直分布情况。不同森林类型分布的海拔区域：400～1000m为常绿阔叶林;1000～1400m为常绿落叶阔叶林;1400～1600m为落叶阔叶林、黄山松林;1600～1860m为落叶矮林灌丛林。

2.不同森林类型的特征。以常绿阔叶林为例，观察常绿阔叶林四季植被的外貌，通过植被季相外貌可以判别不同森林的类型。常绿阔叶林主要树种的科属组成有樟科、壳斗科、山茶科、冬青科、山矾科等。常绿阔叶林的结构有灌木层、中下乔木层和大乔木层等。

3.树种形态特征习性。常绿、落叶与乔木或灌木等性状的观察与判别。树皮：树皮不裂与纵裂等性状的观察与判别。叶形态：单叶与复叶，以及对生或互生等性状的观察与判别。叶边缘：中部以上有疏齿（全缘及中部以上有疏齿、先端有1～2对锯齿、叶缘有锯齿、波状锯齿、芒状锯齿、羽状分裂等性状的观察与判别）。叶背：有平伏白色单毛，老时渐脱落，常有白色鳞秕等性状。花形态：柔荑花序、总状花序、圆锥花序、伞形花序等性状的观察与判别。果：坚果、核果、蒴果、蓇葖果等性状的观察与判别。雄花序类型：柔荑花序（头状花序与柔荑花序性状的观察与判别）。雄花序状态：雄花序下垂（直立、下垂性状的观察与判别）。果形态观察。壳斗包被方式：壳斗碗状，半包住坚果（包着坚果底部、半包着坚果、全包着坚果等性状的观察与判别）。壳斗小苞片：小苞片同心环带（壳斗平滑、刺形、条形、瘤状突起等性状的观察与识别）。坚果：每个壳斗中有坚果1枚。3D模型形态观察，代表种青冈的果实和壳斗的三维模型，包括壳斗形态、包被方式、小苞片、同心环带、坚果形状与数量、柱头宿存情况等形态特征。

4.树种地理分布規律。主要树种馆藏标本收集与整理情况，主要树种的中国各省地理分布情况。

（三）实验主要模块

1.实验简介模块。此模块主要包括实验背景、实验目的、实验原理、实验内容及要求、实验流程等。

2.基础实验模块。此模块主要用于学生在了解实验原理和基本实验内容的基础上，对黄山不同海拔森林类型及其代表性树种的叶、花、果形态进行学习，并熟悉检索表的使用。通过虚拟场景模拟和人机交互，掌握森林类型观察和树种探究的基本方法。