林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验教学系统的设计与建设

王 君 康向阳 张柏林 胡冬梅 孙宇涵

(北京林业大学生物科学与技术学院，北京 100083)

加强种业创新人才培养，建设种业强国，是保障国家粮食安全、生态安全和农林业持续稳定发展的根本。“林木遗传育种学”是林学专业的核心必修课程，也是现代林木种业创新人才培养的基础[1]。林木良种生产是“林木遗传育种学”课程的重要实践内容，对于林木种业创新人才培养至关重要。然而，林木良种优质苗木的生产是一项复杂的系统工程，由苗圃营建与管理、幼化复壮、多圃配套、圃地轮转等一系列环节组成，整个循环过程需要历时3～5年，且操作难度大、成本高、土地资源消耗量大。显然，对于林学专业的学生而言，他们很难在有限的学习时间和现有的实习条件下高质量地完成相关实践内容。

随着现代信息技术的不断发展，近年来，高度集成虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术的虚拟仿真实验教学在国内外高校教学中得到广泛应用和认可[2]。通过构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，让学生在虚拟环境中开展实验，能够实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，从而达到教学所要求的认知和实践效果。因此，为提升课程学习效果、缩减实践时间、节约实践成本，北京林业大学林木遗传育种教学团队基于“以学生为中心”“以问题为导向”的教学理念，坚持“能实不虚、以虚补实”的建设思路，结合林学一流学科建设要求和现代林木种业创新人才培养宗旨，依托朱之悌院士所取得的国家科技进步二等奖成果“毛白杨多圃配套系列育苗技术”，整合近些年相关研究进展，设计并建设了“林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验”，显著提升了学生对林木良种生产技术相关内容的学习效果，并顺利入选了2018年度“国家虚拟仿真实验教学项目”。现将该虚拟仿真实验教学系统的设计和建设情况进行总结，并对林木遗传育种学虚拟仿真实验教学体系的建设提出建议，以进一步完善现代林木遗传育种实验教学体系，从而为林业领域更多虚拟仿真实验教学项目建设提供借鉴。

一、开展林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验教学的必要性

(一)是推进林学一流学科建设的重要举措

北京林业大学林学学科是首批入选“世界一流学科”建设名单的学科，“林木遗传育种学”是林学学科重要的二级学科之一，也是林学专业的核心课程。因此，加强“林木遗传育种学”课程建设对于推进林学一流学科建设具有重要意义。同时，为深入贯彻《中国教育现代化2035》实施方案，教育部在2019年印发了《关于一流本科课程建设的实施意见》(教高[2019]8号)，明确指出实施一流本科课程“双万计划”，建成万门左右国家级和万门左右省级一流本科课程，其中包括认定1 500门左右国家虚拟仿真实验教学一流课程。因此，将虚拟仿真实验教学与“林木遗传育种学”课程建设相结合，形成具有北林特色的林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验教学体系，推动现代“林木遗传育种学”课程教学改革，建设国家级一流本科课程，将会为北京林业大学林学一流学科建设提供有效支撑。

(二)是培养现代林木种业创新人才的时代需求

2012年，国务院办公厅印发了《关于加强林木种苗工作的意见》(国办发[2012]58号)，要求全面提升林木种苗良种化水平，争取到2020年我国主要造林树种良种使用率达到75%以上。2013年国务院办公厅发布《关于深化种业体制改革 提高创新能力的意见》(国办发[2013]109号)，提出深化种业体制改革，提高创新能力，并要求重点突破种质创新、新品种选育、高效繁育等关键环节的核心技术，提高种业科技创新能力[3]。显然，新时代中国特色社会主义的林业发展需要具有创新能力的现代林木种业人才。当前，现代信息技术的高速发展也为林木种业创新型人才的培养注入了新动能。将虚拟现实技术、数据库和网络通讯技术、人机交互技术、计算机数码动画及三维建模等现代信息技术应用于“林木遗传育种学”课程教学，使不同学科交叉融通，建设虚拟仿真实验教学课程体系，提高知识的传播效率和广度，是林学高等教育发展的重点方向之一，也是培养现代林木种业创新人才的时代需求。

(三)是完善林木遗传育种学实训体系的重要内容

作为一门实践性很强的科学，“林木遗传育种学”实训体系主要包括课程实验和教学实习。近年来，通过不断开展教学改革，“林木遗传育种学”的课程实验已逐渐形成了以室内和室外相结合的半开放式实验教学模式。实验内容包含了细胞遗传学、群体遗传学、分子标记辅助育种、杂交育种、倍性育种、遗传变异分析等内容，知识覆盖面广、关联性强，而且以学生自主设计和创新性实验内容为主，充分激发了学生对“林木遗传育种学”课程的学习热情，显著提升了学生独立思考、分析问题、解决问题以及团队协作的综合能力[4-6]。同时，依托河北省承德市平泉县七沟林场国家油松良种基地，开展了油松母树林调查、优树选择与收集、初级无性系种子园遗传变异观察、子代测定与遗传参数估算、种源试验等实习，较为全面地了解了针叶树的良种生产策略和油松种子园发展现状[7]。然而，由于学时数和实习经费的限制，学生对于阔叶树种良种生产技术的相关知识仅能通过课堂和书本进行理论学习，这种学习形式不利于学生对幼化复壮、圃地轮转、苗圃营建等重要技术环节的理解。因此，在现阶段条件下充分利用虚拟仿真实验教学手段，加强阔叶树良种多圃配套生产技术的实习教学，对进一步完善林木遗传育种学实训体系是非常有必要的。

二、林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验教学系统的总体设计

林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验教学系统对育苗技术的各个环节进行了动态仿真，为课程教学和学生学习提供了一个交互式的用户环境，能够加强学生对知识点的理解和掌握。

(一)林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验门户页面

当前，学生在虚拟仿真实验室内或系统开放状态时在连网的环境下，打开浏览器，输入实验项目网址http://jwc.bjfu.edu.cn/xnfz/index.html，点击“林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验”，进入林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验门户页面(见图1)，可以查看教师简介、实验名称、实验目的、所属课程、实验方法与步骤、实验要求以及实验介绍视频等信息。

图1 林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验门户页面(部分截图)

(二)林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验教学平台登录管理

在门户页面点击“开始实验”按钮，即可进入虚拟仿真实验教学平台登录页面(见图2)。对校内参与课程的学生而言，其登录账号和密码将于后台录入后分发给学生。而校外使用该系统进行学习的用户，需提前进行注册，并经授权使用后方可登录系统进行学习。

图2 林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验教学平台登录界面

(三)林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验教学平台功能架构

教学平台主要设置了实验预习、实验演示、实验考核、实验报告和问卷调查5个模块(见图3)。①实验预习模块主要包括实验目的、实验原理、操作步骤、注意事项等内容。学生在进行实验前，应先进行预习，掌握基本知识点和操作方法，并在该模块中完成预习考核，同时需经教师提问考核合格后方可进行实验操作。②实验演示模块主要是基于学生在了解实验原理的基础上，对实验内容进行学习。在文字、图像或声音等信息的指引下，学生通过人机交互，一步一步地完成整个实验过程。在这一过程中，学生通过教师指导和自主学习，掌握实验内容和相关关键技术操作。③实验考核模块主要是对学生的实验操作进行考核。在实验考核模块中，没有系统操作提示，学生需要根据时间进度、苗木的生长状况以及系统给出的事件，完成相应的操作，以保证苗木的正常生长和规模化生产。④实验报告模块主要用于学生实验报告的管理和提交。学生完成实验考核后，根据学生实验操作情况，后台会自动记录学生的得分，并记录下学生的整个操作过程，用于在系统中形成实验报告。同时，系统将自动整理出实验内容的正确操作流程以及学生的实际操作流程，便于学生通过对比发现自己操作过程中存在的问题，有利于保证实验学习质量。此外，学生需要在报告模块中撰写实验目的、实验原理、实验操作、实验心得和建议等内容，完成实验报告，提交后生成pdf文件，任课教师可集中下载实验报告后进行评阅，学生也可下载进行存档。⑤问卷调查模块主要是在实验学习完成后，学生填写问卷调查表，便于教师收集学生对该虚拟仿真实验教学系统的反馈，为进一步改进实验内容、修复系统缺陷提供参考。

图3 林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验教学平台界面(部分截图)

此外，教学平台还设置了“答疑室”，主要用于系统远程开放时，任课教师便于对学生学习过程中存在的教学内容各知识点和操作环节的问题进行线上答疑。

三、林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验教学系统的建设

(一)核心知识点的设计

无性繁殖在林木良种生产中具有显著优势，是速生丰产林良种生产的最佳方式。林木良种多圃配套育苗技术的实质就是让学生系统地掌握合理规划圃地，利用无性繁殖技术实现林木良种的大规模、标准化生产，并将品种复壮技术贯穿于良种生产的各个环节，以防止无性繁殖过程的品种退化。因此，在林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验中，笔者设计了5个核心知识点：①无性繁殖林木良种生产的意义；②林木良种无性繁殖的常用方法和操作；③无性繁殖过程的品种退化现象及其原因；④品种复壮的主要技术措施；⑤多圃配套育苗技术的圃地组成及其配套联动策略。每个核心知识点在教学过程中又可进一步细化，形成完整的林木良种多圃配套育苗技术知识体系。

(二)虚拟场景的搭建

与其他在实验室内完成的实验内容不同，林木良种多圃配套育苗是一个大场景的实验操作过程，必须依托育苗基地才能完成。因此，为了与实际生产更加接近，该虚拟仿真实验场景的搭建以与北京林业大学林木遗传育种学科合作多年的河北威县国家杨树良种基地为参考，通过将虚拟仿真技术与毛白杨接穗、根段、幼苗、仪器设备、基本工具等大量的3D建模结合，再现了毛白杨多圃配套育苗的真实场景(见图4)，还原了采穗圃、砧木圃、繁殖圃、根繁圃和组培生产线的操作全过程，重点展示了各圃地的营建与管理、“一条鞭”和“炮捻”嫁接繁殖技术、根蘖苗复壮技术、嫁接苗培土换根技术、组培快繁技术等一系列多圃配套育苗关键技术，使学生尽可能真实地感受并学习实际生产中的林木良种多圃配套育苗过程，从而获得良好的学习体验。

图4 采穗圃苗木生长场景

(三)人机交互环节的构建

虚拟仿真实验的实质是学生以计算机和网络为媒介，在高度仿真的虚拟环境下基于人机交互信息开展实验，能够对真实实验不具备或难以完成的实验内容加以学习，从而达到教学所要求的认知能力和实践学习效果。因此，人机交互环节的设计对于能否取得良好的学习效果至关重要。林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验设计了大量的人机交互操作步骤，包括采穗圃建圃材料的选择、采穗圃苗木“截顶”与“平茬”、砧木圃建圃材料的选择、砧木的“抹芽”“一条鞭”和“炮捻”嫁接、繁殖圃苗木“培土换根”、根繁圃“根蘖”出苗、组培生产线“接种”“继代”“生根”“炼苗”“移栽”以及各圃地功能轮转等核心操作环节，充分保障了实验操作的完整性和系统性，为学生在虚拟仿真环境下全面掌握林木良种多圃配套育苗的专业知识提供了良好的学习条件。

(四)教学成效及系统使用情况反馈体系的建设

教学反馈环节是任课教师了解学生学习情况、提高教学效果的重要途径。林木良种多圃配套育苗虚拟仿真实验教学系统分别针对学生学习情况反馈、实验系统交互友好性反馈和远程开放问题反馈3个方面，设计了完善的教学成效及系统使用反馈环节，包括实验报告、问卷调查和在线答疑等。任课教师通过评阅学生撰写的实验报告，结合自动生成的实验操作记录，可以有效地掌握学生的学习动态以及对知识的掌握程度；同时，通过问卷调查了解并统计学生们对实验内容的设置、实验系统的操作性以及系统运行的建议和意见；此外，利用在线答疑及时解决系统远程使用过程中产生的各种问题，从而保障教学活动的顺利开展。

四、林木遗传育种学虚拟仿真实验教学体系持续建设的建议

林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验教学系统的建设为林木遗传育种学，乃至林学相关专业的虚拟仿真实验教学体系建设积累了一定的经验。然而，对于众多的林学实验而言，这也仅仅是其中的一例。

(一)科学借鉴，持续建设林木遗传育种学虚拟仿真实验教学内容

要进一步加强林木遗传育种学实验教学体系建设，巩固林学一流学科建设成效，一方面，需要不断总结目前林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验的使用评价，持续更新和完善实验内容和教学系统；另一方面，需要继续争取建设经费，开发林木种质资源收集与评价、林木倍性育种、林木细胞工程育种、林木基因工程育种等虚拟仿真实验内容，从而率先建成较为系统、完善的林木遗传育种学虚拟仿真实验教学体系，提升教学效果，更好地培养学生的林木种业创新能力。

(二)合理规划，加强虚拟仿真教学实验室等硬件设施建设

虚拟仿真实验的开设为学生进行线下、远程学习提供了良好的条件，学习效果有了明显提升。然而，由于学生的计算机配置、所处的网络条件以及系统并发数等均可能对教学体验产生影响，因此，为了保证更好的教学效果，对有条件的院校和单位，建议建设独立的虚拟仿真实验运行服务器和实验室或教学中心等营建设施，为学生提供更佳的学习环境，并为未来升级虚拟现实(Virtual Reality，VR)教学预留空间。

(三)加强开放共享，促进林木遗传育种学虚拟仿真实验教学系统的推广应用

林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验教学系统摆脱了传统理论课程多媒体教学的束缚，克服了实验条件和课程学时对实验教学开展的限制，极大地延伸和拓展了教学手段，提高了教学效果。当前，北京林业大学还应积极借助林学一流学科建设的契机，组建全国林学类专业虚拟仿真实验教学发展联盟，加大与各兄弟院校对口院系及相关机构的资源共享和交流合作，举办虚拟仿真实验技能大赛，吸引更多本科生和研究生参与到虚拟仿真实验教学系统的开发建设中，并面向社会提供岗前培训和考核服务，全面促进林木遗传育种学虚拟仿真实验教学系统在高等教育和社会服务中的推广应用。

资助项目：北京林业大学教育教学研究重点项目——“林木遗传育种”虚拟仿真实验课程建设与教学实践，项目编号BJFU2020JYZD011；北京林业大学一流学科建设项目“林学本科专业核心课程——林木遗传育种学创新教学条件提升”，项目编号2019XKJS0103。