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。
3.實验模块。此模块主要用于学生对随机30种树木的探究，涉及5种不同的森林类型，以及5种未知的树种，旨在激发学生探索学习的动力，锻炼探究实践能力。
4.考核实验模块。此模板主要用于学生线上和线下的综合考核，以及个人和团队的PK考核。
（四）实验主要步骤
1.观察森林垂直分布与季相变化。通过三维场景展现黄山不同森林类型的垂直分布，结合常绿阔叶林季相观察识别常绿阔叶林在不同海拔不同季节的植被外貌，并以时间轴的形式展现森林类型的季相变化（见图1）。
2.观察森林群落的结构与组成。支持以第一人称视角在三维场景中漫游，观察森林结构，如不同乔灌草的高度与分布。在界面的指引下，进入常绿阔叶林中（到达上层15～20m、中层5～10m与下层1～3m指定区域）;结合文字与图片，依次观察常绿阔叶林的结构、灌木层、中下乔木层和大乔木层的主要构成树种（见图2）。
3.建群树种鉴定及叶花果特征探究。支持以第一人称视角在三维场景中漫游，识别鉴定代表性建群树种。在界面的指引下，操作WASD键，进入常绿阔叶林建群树种界面，结合文字描述和图片，探究建群树种的叶、花、果的特征（见图3）。
4.建群种分布区及用途探究。以真实标本分布图的形式展现建群树种的地理分布，让学生识别该树种的适应分布区，展示建群树种的多方面应用价值，让学生全面了解该树种的用途（见图4）。
5.标本随机采集的鉴定及评比。根据系统随机给定的5种植物叶的图片，判断其所属的森林类型，选择进入相应场景，寻找对应的树种，确认并采集标本，完成叶、花、果标本的野外采集，以及比对鉴定与评比排名（见图5）。
三、实验特色及优势
1.容错纠错，激发激励。尽可能地突出容错性，通过仿真平台交互式的引导和互动，允许学生在实验过程中犯错，并在第一时间知道犯错的原因并及时改正。考核评价不以个人成绩作为单一考核模式，还要增加团队考核成绩，实验成绩通过个人比拼光荣榜和团队光荣榜的形式公布，与传统教学实习相比，提高了趣味性、竞争性，以及对学生的正激励效应，加强了团队的协作能力。
2.教学模式新颖。仿真虚拟教学实验打破了传统的野外现场教学模式，采用虚实结合的新模式，仿真动画与真实场景基本一致，使学生能在仿真系统里看到自然森林的本真。
3.互动性、趣味性强。采用交互式操作界面，注重线上与线下互动，提高学习的互动性和趣味性。
4.评价体系多元、公正。虚拟仿真教学实验随机从试题库中挑选测试题，与传统纸质试卷相比，体现了测试的多元化及个性化。虚拟仿真实验采用系统打分，打分过程公正、客观，不会产生主观偏差。
5.对传统教学的延伸和拓展。突破资源瓶颈和时空的限制。打破选课人数、教学场所和天气的限制，与传统教学实习相比，不受选课人数的限制，可以随时随地进行教学，不受空间和环境的影响。
6.提高社会效益。在教学对象上，面向全社会，可拓展至业外人士或植物爱好者，虚拟仿真实验系统具有较强的科普性和共享性，具有潜在的社会效益。
四、展望
随着三维建模技术、动作交互技术等虚拟仿真技术的发展，其应用领域越来越广泛[4-8]。而我们在树木学实践教学中的初步尝试也证实了虚拟仿真技术能有效克服传统树木学实践教学的局限性，有助于提升教学效果。相信在不远的将来，虚拟仿真技术必将成为树木学教学中的重要技术手段。
参考文献
[1]段一凡，伊贤贵，王贤荣.刍议高等农林院校树木学教学改革[J].教育教学论坛，2016（44）：137-139.
[2]蔡璇，秦杰，黄珊，等.虚拟现实技术在脊柱外科临床带教中的应用[J].中国继续医学教育，2019，11（23）：18-20.
[3]张刚.虚拟仿真技术在实验课程教学中的应用[J].多媒体教学，2018（500）：113-114.
[4]黄麟.虚拟仿真在森林病理学实验教学中的运用初探[J].教育现代化，2018（40）：186-187.
[5]王英，陈铮，韩江，等.虚拟仿真技术在“食品工程原理”课程实验教学中的应用研究[J].科技与创新，2020（15）：80-81.
[6]周志富.虚拟仿真技术在“地下工程测量”实验教学中的应用研究[J].中国林业教育，2019（42）：233-235.
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[8]韩宁，何熹，郝鲁江，等.虚拟仿真技术在基因工程实验教学中的应用[J].教育教学论坛，2020（1）：252-254.
Exploration on Application of Virtual Simulation Technology in Practical Teaching of Dendrology
DUAN Yi-fan， LI Yao， LI Meng， FANG Yan-ming
（College of Biology and the Environment， Nanjing Forestry University， Nanjing， Jiangsu 210037， China）
Abstract：
Dendrology is not only an important basic course for forestry and ecology majors in agricultural and forestry colleges， but also a highly practical course. Aiming at the problems of high mountains and precipitous paths， great influenced by weather and high practice cost in the traditional dendrology practice teaching， this paper explores the integration of virtual simulation technology， and independently develops the Huangshan subtropical forest type observation and tree species exploration virtual simulation experiment system. This paper introduces the purposes， main knowledge points， module setting， main steps， assessment methods and characteristic advantages of the experimental system， it is expected to be beneficial to the extension and expansion of traditional dendrology practice teaching， which will help to improve the overall teaching effect.
Key words：
dendrology; virtual simulation; practice teaching