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虚拟仿真技术在森林培育学实践教学中的应用

杨梅,吴英,潘晓芳,陆道调,叶绍明

（广西大学林学院,广西南宁530004）

摘要：本文基于森林培育实践教学目标与特点,构建了森林培育技术虚拟仿真实践教学设计内容,讨论了虚拟仿真实验对于培养学生创新能力与提高实践教学效果方面的作用和效果.

关键词：仿真技术；实践教学；森林培育

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）03-0283-02

基金项目：国家卓越农林人才教育培养计划改革试点项目；广西高等学校优势特色专业建设项目；2015年度广西高等教育本科教学改革工程项目“林木标本教学资源数字化及其应用于模拟仿真实验的研究与实践”（2015JGA128）

作者简介：杨梅（1970-）,博士,教授,硕士生导师,从事森林培育领域的教学与科研工作.

森林培育学是一门实践性很强的学科,包括林木种苗繁育、森林营造、森林抚育、主伐更新等技术内容[1,2].实践教学作为理论教学延伸和验证,更具有直观性,在提高学生吸收理论知识、掌握基本技能、增强操作能力方面起着重要作用[3].如何将新的教学手段与这门传统课程结合、更好地服务于教学活动、提高森林培育学实践教学效果是当务之急.虚拟仿真实验将网络通讯技术、多媒体教学、数据库结合起来,实现人机交互,能够实现传统实验教学模式不能达到或难以实现的教学效果.随着虚拟仿真实验教学在各种教育领域的应用逐渐增多,必将对传统的实验教学的教学体系、教学模式、教学内容、教学手段等产生深刻的影响[4].

一、森林培育虚拟仿真实践教学建设提出的背景

森林培育是从林木种子、苗木、造林到林木成林、成熟的整个培育过程中按既定培育目标和客观自然规律所进行的综合培育活动,是森林经营活动的主要组成部分和基础环节.森林培育学包括良种壮苗培育、造林、林分抚育、主伐更新等内容,具有明显的技术性、实践性、区域性和学科前沿性,是林学专业的主干课程和重点课程.由于森林培育过程周期长、工序复杂,有些实验因存在危险性而难以在现实场景中实施,理论教学内容与生产实践需求不同步,使得学生不能全程参与和体验生产实践技术与效果,而静态的多媒体课堂教学和片断化的实验实习容易导致学生形成惰性,造成思维能力下降.现代林业的整体发展,森林培育规模和质量的提高,科技成果在生产中的推广应用,生产基地的布局和项目管理的运行等所提供的经验没有完全充实到森林培育的教学去,也限制了学生生产实践能力的提高.通过虚拟仿真实验,将森林营造与培育过程置于直观、生动、形象的生产实践场景中,课程教学与实践教学相吻合,实现教与学的互动性,使学生的想象力、思维能力得以充分发挥,在此过程中思考如何利用森林培育技术提高森林生产力,从而进一步完善学生的知识结构和技能培养、提升教学质量和效果.

二、森林培育虚拟仿真实践教学设计

1.森林培育虚拟仿真实践教学模块设计.森林培育是一门综合性的实践性强的课程,涉及与林木生长相关的基础理论及林分经营的专业课程,同时又需要应用3S技术以解决营林设计的问题,因此在进行森林培育虚拟仿真实践教学设计时,根据林木的生长发育阶段及相应的技术要点,设置了三个模块的仿真实验,见表1.

2.林木工厂化育苗技术虚拟仿真实验.随着林业科技的发展,在林木良种化和无性系化的基础上,林木育苗已实现了工厂化生产,包括组培育苗和轻基质容器育苗技术.该部分对于学生学习现代化育苗生产作业方式、掌握规模化组织苗木生产和经营具有重要的指导作用.由于育苗技术繁锁、培育时间长,学生难以完成整个苗木培育过程的实验,往往不能理解或掌握育苗关键技术.通过模拟林木组织培养以及容器育苗等过程,使学生在学习理论课的同时,通过直观演示与操作,系统地掌握工厂化育苗的全过程.

3.人工林造林技术虚拟仿真实验.人工林造林技术包括造林规划设计、林地清理、整地、种植点配置、施基肥、密度设置、栽植等环节,这是人工林高产栽培的首要部分.在课程授课中讲解了造林技术,并进行了部分环节的操作,但由于造林技术环节跨越冬季、春季以至夏季三个季节,生产时间长,个别工序与理论教学时间不能匹配,且涉及范围广、技术内容多、实习成本高等因素,使学生不能深刻理解和感知工程造林的环境与技术要求,不能将基础理论与实践相结合.选择南方种植面积最大的桉树、杉木、马尾松作为培育对象,采用虚拟仿真技术对人工林造林各个环节进行模拟,从而激发学生的学习兴趣和积极性,提高学习效果.

4.人工林抚育技术虚拟仿真实验.加强人工林的抚育管理,创造良好的环境条件,及时调控林木的生长发育,是保证桉树成活、成材的关键.一般在造林后的三年内需要进行林分抚育,主要包括除草、施肥、修枝、间伐等技术.各技术环节所实施的季节不同,而且林木资源消耗大、技术复杂、成本高,在有限的学习周期内,无法全程参与、跟踪和感知林分抚育的实施及效果,并且除草剂的使用涉及用药危险性和林分安全性的问题,这些因素学生实训实验受到限制.采用虚拟现实技术,通过人机互动、场景重现的方式,综合运用相关的理论知识,体验和掌握人工林抚育各个环节过程.

三、森林培育虚拟仿真实践教学的功能与效果

虚拟仿真实验教学平台建设,是丰富森林培育实践教学资源,推动信息化条件下传统教学方法的转变,强化对学生实践能力、创新能力和科学素养的重要途径,同时也提高了教师的教学能力,增强服务社会和校企协同创新能力.

1.改善以教师讲授为中心的教学模式.通过人机交互进行实验操作与数据处理,真实体验实验过程,将枯燥的学习过程游戏化,极大地提高学生的学习兴趣.虚拟仿真实验系统的师生互动平台可以不受时间和地点的限制,学生和教师可以通过互动平台进行交流,在节约教学资源与教学师资的情况下,很好地完成教学目的,提高教学的质量.

2.预习实验和复习实验的功能.传统实验实践教学中,学生跟着设定好的实验步骤做,缺乏主观能动性,而纯文字的预习理解加大了预习的难度.森林培育学中的林木工厂化育苗技术部分,虽然在课堂上教师系统地介绍了工厂化育苗的流程,但没有实际场景的情况下,学生仍不能掌握好育苗技术.如果学生预习实验内容文字的同时,在电脑上操作虚拟仿真实验,对林木组织培养以及容器育苗技术环节进行模拟操作,再通过虚实结合,学生可以在理论授课及实践活动之前或之后,较系统地掌握现代林木育苗技术,加深对相关知识的理解程度,提高动手能力.虚拟仿真实验对于学生理解实验原理、明确实验目的、理清实验步骤、理解实验知识起到很好的作用.

3.可进行周期长、危险性高、成本高的实验.把抽象的概念形象化透过现象看本质,能直观地进行无法全程参与的实验或实践活动,例如人工林造林和人工林抚育技术仿真实验,通过模拟操作造林技术工序、林分抚育措施,并可进行演示和重复操作,对林分抚育后林木生长的动态监测与数据分析,达到身临其境的模拟效果.此实验解决了因抚育周期长、成本高而无法开设相关实验实习课的问题,提高学生的动手能力,更加深刻理解理论教学内容.同时也节约了实践教学的成本.

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年》和《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》对高等教育信息化建设提出了明确的要求[5].将信息技术与教学深度融合,挖掘学生自主学习、自主管理和自主服务的潜能,是现代教育模式和现代教育技术的要求.在教学中,将虚拟仿真实验系统与学生动手操作的真实实验相结合,与网络技术相结合实现校园网络化运行,促进优质教育资源的共享,更好地服务于卓越农林工程师的培养目标.

参考文献：

[1]刘勇,宋廷茂,翟明普,等.用系统科学指导和丰富森林培育学[J].林业科学,2008,44（7）：1-5.

[2]刘勇,李国雷,吕瑞恒,等.关于加强森林培育学理论研究的探讨[J].世界林业研究,2010,23（3）：64-68.

[3]杨梅,黄宝灵,潘晓芳,等.对森林培育实验实践教学的思考与探讨[J].教育教学论坛,2012,14：178-179.

[4]邝玉,曾蔚,马巨辉,等.虚拟仿真实验在病原生物学实验中应用设想[J].四川生理科学杂志,2014,36（4）：199-201.

[5]王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索,2013,32（12）：5-8.

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