林学专业虚拟仿真实验室建设探索

李凤日 杨光 孟琳 张鹏 尹艳豹 郑红

【摘要】林学专业建立虚拟仿真实验室意义重大，既推动课程改革与创新，提升教师队伍素质，节约实习实践成本，又提高操作安全性，帮助学生将理论知识转化为动手操作能力，提高就业竞争力。本文主要对东北林业大学林学专业虚拟仿真实验室的建设情况进行分析，为其他专业虚拟仿真实验室的建设作出有益的探索。

【关键词】林学专业;虚拟仿真实验;沉浸式

虚拟仿真实验是当前本科实验教学不可或缺的手段，也是基于学生亲身体验感受的、强化学生实践能力的必要措施。纵观实验教学发展史，主要经历了三个阶段即传统阶段、现代发展阶段和当代发展阶段。传统阶段主要是以经验为主同时结合实践;现代发展阶段是以模型为主，实验为辅助手段;当代发展阶段则是基于虚拟现实技术的全过程体验。虚拟仿真实验室正是在计算机技术的帮助下，给学生提供了超越现实的学习体验，最终使学习效果事半功倍。

一、虚拟仿真实验室建设的意义

1.1提升教师队伍素质，推动课程改革与内容创新

虚拟仿真课程资源的开发建设过程，教师需要同软件设计师和工程技术人员一起讨论课程理念，推敲设计环节，检验操作效果。在这个过程中，教师一方面掌握了虚拟仿真实验教学必须的网络技术、媒体技术等，另一方面虚拟仿真实验的应用也促使教师对教学内容进行定期更新。教师可以定期通过一些虚拟现实引擎软件对课程相关领域的前沿和热点内容进行素材编辑，作为教学资源的更新和补充。课程内容的设计强调“虚实结合，能虚不实，能实不虚”原则，不但整合了复杂的教学内容，而且突出了学生实践操作能力的锻炼。虚拟仿真实验也迎合了当代大学生对新鲜实物的好奇心和对高科技电子设备的操控欲，能够有效地调动学生学习的积极性。学生可以在虚拟环境中，独立观察、探索、分析，激发学生的创新能力和解决问题的能力，拓展其综合素质。

1.2节约实习实践成本，提高操作安全性。林学类专业的实习实践中存在着一些难实现、高危险、高成本的项目，如果利用虚拟仿真实验进行教学只需要更新和维护计算机软件和硬件设备，难度和成本都相对较低。同时虚拟仿真实验可以虚实结合，不仅解决了时间限制、空间限制、安全性等难题，而且教师可以对不同学生进行个性化指导和分层次考核，为今后就业做好准备。

二、林学专业虚拟仿真实验室建设实例

2.1建设沉浸式虚拟现实硬件系统。沉浸式的虚拟现实技术是把高分辨率的立体投影技术、三维计算机图形技术和音响技术等有机地结合在一起，营造一个实时的、立体的、人机交互的虚拟环境，使用者产生身临其境的真实感觉。它不仅可以呈现真实存在的环境，也可以虚拟客观不存在的或者有危险性的环境。正是这个特点特别适合应用于林学专业的实验教学。林学专业采用投影式虚拟现实系统，利用三维眼镜，产生虚拟视觉。沉浸式教学系统可以实现多人同时授课的大空间交互环境，达到1：1物理空间的还原。

2.2建立虚拟仿真实验管理平台

为实现课程管理、用户管理等功能，林学专业建立一个依托互联网的虚拟仿真课程资源共享平台，向校内外全面共享教学资源，进一步发挥虚拟仿真实验室的示范与辐射作用。管理平台建立后，可以有效提升实验室的管理效率和水平。

2.3研发虚拟仿真实验的教学软件

建设虚拟仿真实验教学项目，就是要通过VR、AR等信息技术，与实验内容深度融合，破解实验、实习、实践中原先“做不到”、“做不好”、“做不了”的老大难问题。林学专业建设了一套协同教学虚拟现实引擎，可以帮助老师把新增的教学素材快速生成虚拟仿真教学课件，这样就实现了虚拟仿真教学资源的不断更新和补充。接下来通过LED沉浸式虚拟现实教学系统构建一整套虚拟仿真的交互环境。林学专业对《林火生态与管理》课程进行虚拟仿真实验建设，分别建设了森林火灾态势推演、林火行为预测、扑火机具使用、扑救指挥决策等教学模块，辅助实验教学工作。教学过程中教师可以将枯燥乏味的课程内容转化成立体的可互动的三维场景，实现场景化教学，提升课堂质量。同时，还可根据实验需求对实验参数作出针对性的调整和改善，丰富教学手段、强化技能掌握、缩短学习周期，对学生在实验过程中独创性的技能实践能力进行发掘，给出考核成绩，为学生创新能力的培养提供了平台。

三、下一阶段建设设想

下一阶段，要紧密结合专业特色和行业产业发展最新成果，紧密结合学校定位和人才培养特点，继续丰富虚拟仿真实验室课程教学资源，逐步建设体系化的成熟的教学、实训、科研一体化平台，大力推动互联网、大数据、人工智能、虚拟现实等现代技术在教学和管理中的应用。林学专业目前还有很多核心主干课程亟待进行虚拟仿真实验建设，如树木（植物）数字标本、典型地质地貌的整段数字标本、森林病理數字标本、树木形态特征虚拟仿真实验、土壤形态特征虚拟仿真实验、森林昆虫形态特征虚拟仿真实验、环境控制育苗设施及实训虚拟仿真综合实验等，涵盖《植物学》、《树木学》、《土壤与土壤资源学》、《林木病理学》和《种苗学》等专业核心课程。建成后的虚拟仿真实验将继续向相关高校和社会提供开放服务，并持续进行改进，努力探索先进、创新、高效的教学手段，培养学生灵活运用所学知识，独立解决问题的能力。

参考文献：

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基金项目：黑龙江省高等教育教学改革项目（SJGZ20170012）黑龙江省2018年度虚拟仿真教学项目;黑龙江省2019年度虚拟仿真教学项目。

作者简介：李凤日（1963-），男，黑龙江哈尔滨人，博士研究生，主要研究方向：森林经理学。