国家级森林生物学虚拟仿真实验教学中心建设

张焕玲, 李周岐, 康永祥, 贾小明

(西北农林科技大学 林学院， 陕西 杨凌 712100)

国家级森林生物学虚拟仿真实验教学中心建设

张焕玲, 李周岐, 康永祥, 贾小明

(西北农林科技大学 林学院， 陕西 杨凌 712100)

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是高校本科实践教学的发展方向。本文从森林生物学虚拟仿真实验教学中心建设的必要性出发，就建设模式、建设目标、实验模块及实验项目建设、实验教学平台建设、教学管理平台建设、运行机制、青年教师培养、实施成效以及今后的建设重点等方面，详细介绍了西北农林科技大学国家级森林生物学虚拟仿真实验教学中心的建设经验，以期能为相关虚拟仿真实验教学中心建设提供参考。

森林生物学； 虚拟仿真； 实验教学中心

0 引 言

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容[1-2]，是高校本科实践教学的发展方向,受到国内外高校的普遍重视[3-5]。国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作顺应了高等教育的发展趋势，是高校实验教学信息化的最新举措，必将对我国高等教育质量的提高产生积极重要的作用[6]。生物学类课程具有实践性、系统性强的特点，传统实验因受实验对象、时间、季节、仪器设备和实验条件，以及某些生物现象本身不可见、长周期、不可逆性所限，存在部分实验必须开展但无法开展或无法有效开展的问题[7-9]。这些特点及问题严重制约了学生对生物学现象本质的科学认识，也严重影响了对学生科学思维、想象力和领悟力的培养。随着森林生物学发展和人才培养要求不断提高，森林生物学类课程实验教学的内容越来越丰富，要在有限的实验教学课时内扩大教学信息量、提高教学质量和效率，必须对传统实验教学内容和方法进行改革。

虚拟仿真实验可通过虚拟现实技术、构建虚拟仿真实验环境和实验对象，并借助数据库、网络通讯技术和人机交互手段实现实验教学过程[10-11]。作为对传统实验的补充和扩展，虚拟仿真实验具有仿真性、参与性、安全性等特点，与传统实物实验结合，可以使学生获得更加全面的训练，激发学生学习兴趣、提高实验教学效果、提升学生实践能力和创新能力[4,9，12-14]。

基于此，我校在“陕西省森林生物学实验教学示范中心” 和数字校园基础上，整合已有资源，以森林培育学、生态学、森林保护学、植物学4个省部级重点学科为支撑，依托多种平台，组建了“森林生物学虚拟仿真实验教学中心”。经过3年建设，2015年获批国家级森林生物学虚拟仿真实验教学中心。现就该中心的建设作一较为系统总结，以期为相关院校及专业提供帮助。

1 建设模式

中心建设采用校企共建模式，学校教学管理及专业老师负责制定建设目标、建设内容、实验项目开发思路及素材提供、组织管理及运行机制与平台构建思路的提出，企业负责网络管理及运行平台的搭建与维护、实验项目的开发、修改与维护。

2 建设目标

学校先后5次派出人员，前往国内已建成的国家级虚拟仿真实验教学中心进行学习考察，后经教学委员会及专业老师多次开会讨论，确定了森林生物学虚拟仿真实验教学中心的建设总体目标。即以全面增强学生实践和创新能力、提高本科教学质量、提供社会服务为宗旨，依据森林生物学的特殊性和实验教学目标，基于“不受时空限制，争取实时场景”的建设思路，按照“虚实载体结合，虚实对象结合，虚实手段结合”的建设理念，遵循“虚实结合，能实不虚，以虚扩实”的建设原则，对森林生物学相关课程中现实实验条件不具备或难以完成的实验，依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯技术，构建虚拟仿真实验环境和实验对象，形成虚拟仿真实验与常规实物实验相融合的森林生物学实验教学新体系。力争通过3～5年建设，把我校森林生物学虚拟仿真实验教学中心建设成为特色明显、示范辐射效应显著、社会服务功能全面的国家一流虚拟仿真实验教学中心。

3 实验模块及实验项目建设

因森林生物学类课程涉及专业广、课程多，在实验内容建设方面，以森林“培育—经营—保护—利用”为主线，搭建了5大虚拟仿真实验模块，即森林生物识别、森林培育、森林保护、森林生态与经营和森林资源利用虚拟仿真模块。

森林生物识别虚拟仿真模块主要涵盖了植物学、树木学、森林病理学、微生物学、森林动物学、昆虫学等课程中关于森林生物识别与鉴定的实验项目。森林培育虚拟仿真模块主要包括森林培育学、林木、园林植物育种学、经济林、园林植物栽培学、遥感技术等课程的相关实验。森林保护虚拟仿真模块涵盖森林病理学、昆虫学、害虫生物防治、森林动物学等课程的部分实验。森林生态与经营虚拟仿真模块包括生态学、森林经营学、林业遥感等课程的部分实验内容。森林资源利用虚拟仿真模块主要包含森林资源利用学、木材学、生物能源工程与技术、木材热解工艺学、木材保护与改性等课程的部分实验内容。

围绕以上模块，共建设开发了25项虚拟仿真实验项目，实验项目建设侧重老师教学科研成果的转化，实现了科研、教学成果与实验教学的有效衔接，保证了虚拟仿真实验的科学性与合理性。25项实验项目，来自教学成果转化的实验项目达15项，占所开实验项目的60%。建设的实验项目共涉及林学、园林、森林保护、水土保持与荒漠化防治、木材科学与工程、林产化工等6个专业共计24门课程的虚拟仿真实验教学任务。

4 建设实验教学平台

为了提高虚拟仿真实验项目的教学效果，依据5大实验模块的各自特性，建设了多种虚拟仿真实验教学平台，可根据平台的不同功能开展不同虚拟仿真实验教学。

(1) 建立中心门户网站。学生可根据自己的选课情况，依据学号信息在网站登录，查询与虚拟仿真实验有关的教学信息，同时可在网站开展如“秦岭火地塘主要森林植物识别”“校园植物识别”“林木容器育苗”“林木杂交育种”、“松树小蠹虫生物学习性及信息素防治”等大部分虚拟仿真实验，并提交实验结果。

(2) 基于IM系统的三维虚拟仿真实验室。该实验室以DVS3D平台系统为强大支持软件，运用六自由度光学及电磁追踪系统与多种虚拟外设兼容，配备了专业的大屏幕立体投影显示系统、位置跟踪装置、数据手套、数据头盔、虚拟现实引擎工具平台、图形工作站等设备。一些不可重现、或者短期不可完整再现的实验场景可在此平台开展。如 “森林群落演替”“病虫害防治效果”“树体修剪反应”等虚拟仿真实验。

(3) 人工降雨大厅。该大厅是世界上第二大规模的侵蚀试验降雨大厅，地面由不同小流域地形模型形成各种地形地貌，可模拟从小雨到暴雨不同强度的降雨，与自然降雨非常相似，为深入了解黄土高原地区水土流失、生态环境变化以及地形地貌的形成提供了虚拟仿真实验教学条件。 “森林理水效应”“林地水土流失”等实验项目在该平台开展。

(4) 生态预测与全球变化实验室。该实验室开发了多种生态预测模型，并拥有高性能计算机1台，可处理海量数据。 “气候变化对森林生态系统碳循环的影响模拟”“林火模型模拟”“森林虫害对森林生产力的影响模拟”等实验项目可在此平台开展。

(5) 数字林业实验室。该实验室配备了70台计算机、大型扫描仪、绘图仪、数字化仪以及多媒体教学设备及网络设备，安装有ARCGIS、ENVI、ERDAS、FORSTAR等应用软件系统。“基于GIS技术的造林规划设计”“常见遥感图像类型识别和特征分析”“遥感图像解译标志建立”“遥感图像植被解译与制图”“林业专题图数字化及编辑输出”“GIS立地类型划分”“林业调查规划”等实验项目在此平台开展。

(6) 生态仿真优化实验室。可进行森林生长仿真预测模型和森林经营规划优化模型的开发与集成。“森林近自然经营”“油松、华山松等主要森林树木生长过程模拟”“树冠扩张模拟”“植被恢复与重建”等实验项目在此平台开展。

5 建设教学管理平台

为保障森林生物学虚拟仿真实验教学中心的顺利运行，采用统一管理、独立设置、共建共享的运行管理体制，建立了学校层面的虚拟仿真实验教学管理平台。平台功能模块主要包括用户和系统管理、教务管理、资源管理和实验资源运行4个功能模块，可以实现虚拟仿真实验教学全过程的信息化管理，具有用户管理、教务管理、实验管理、资源管理等功能。

用户管理主要对系统管理员、学生、教师等进行角色管理、权限管理，对系统进行日志管理和系统维护，为虚拟实验环境的安全、可靠运行提供保障。教务管理主要是对教师和学生的实验课程安排、实验成绩记录、与校园网集成等进行功能性管理。资源管理对虚拟仿真实验资源的标准、发布、使用、检索、维护进行管理。实验管理主要是对教师进行实验安排、实验报告批改、实验成绩评定，学生进行实验课程学习、实验交流和讨论、成绩查询等虚拟仿真实验活动进行管理。

6 规范组织运行机制

中心实行校院两级管理的主任负责制。设主任1名，由学校任命，全面负责中心的规划、经费筹集与管理工作。设副主任1名，由学院任命，具体负责日常管理工作，参与实验室规划和建设。实验中心教师和实验技术人员由中心主任聘任。实验课程统一安排，人、财、物统一管理。中心人员依照“按需设岗，竞聘上岗，按岗考核”管理模式选聘。同时，制定并制定了一系列管理文件，包括中心运行机制、管理规范、人员职责等详细规定，保证实验室建设的规范化、制度化。

7 加强青年教师培养

中心通过各种措施鼓励和培养青年教师参与虚拟仿真实验教学。① 通过“导师制”和“青年教师实验室锻炼制”等制度，培养从事虚拟仿真实验教学的青年人才。② 鼓励青年教师以项目申报形式开展虚拟仿真实验建设，受资助教师将给予考核工作量，并对虚拟实验教学成绩优秀的教师在职称晋升上给予倾斜，以调动青年教师参与实验教学的积极性。③ 将青年教师短期出国留学访问纳入实验人才建设方案，学习国外先进的实验教学理念、教学体系和教学方法。

8 中心实施成效

森林生物学虚拟仿真实验中心虽然成立时间较短，但开设的虚拟仿真实验项目及资源在本科教学及社会服务方面已初见成效。因实验项目有较强的趣味性与互动性，受到上课学生的普遍好评，认为虚拟仿真实验在增加课程信息量、提高教学质量、普及生物学知识等方面具有明显效果。具体体现在：① 模拟仿真实验不受病原、标本源、实验对象、生长季节、地区、实验时间的限制，可使学生在短时间内全面系统地感知并理解生物学过程与功能，在增加实验教学信息量、扩展学生知识面、有效克服教学学时不足、全面展示生物学事件方面具有明显优势；② 虚拟仿真实验教学平台具有很强的互动性、参与性和趣味性，提高了学生的学习兴趣和教学效果；③ 虚拟仿真实验项目一次建设持续利用，节约成本、人力和物力；资源开放共享，访问无时空限制，可缓解师资紧缺矛盾；④ 服务社会，中心在全民普及森林生物学知识、增强我校森林生物实验教学示范中心示范辐射作用等方面发挥了重要的作用。中心部分虚拟仿真资源向兄弟院校及基层林业单位开放共享，近2年来，共接待了10余次来自全国多所高校、基层林业单位人员的参观学习，前来秦岭火地塘教学实习基地进行课程实习的高校也在逐年增加。

9 结 语

实验教学是森林生物学课程教学的重要环节，在中心建设过程中，对已有优质教学资源与学术研究成果进行了整合，在实验对象、实验内容、实验平台等方面形成了较鲜明的特色与创新，但也存在很多问题。要想实现中心的总体目标，需要继续做好以下工作：

(1) 融合多学科构建学科大基地的共享平台。打破隔阂，在全校范围内乃至兄弟院校之间进行重组优化，整合并加强与相关学科的联系，进行跨方向、跨专业、跨学科教学资源共享。借助校园网络平台，进一步扩大共享范围，促进学科的交叉与融合，形成全校的学科大基地实验教学平台。

(2) 依托公共服务平台进一步扩大示范辐射作用。在校内共享的基础上，中心将继续完善和拓展优质虚拟仿真教学资源，通过中心门户网站共享平台向校外全方位、全天候开放。继续加强与兄弟院校的教学互动联系，本科实验教学类、专业技能实训类和实验设计类虚拟仿真实验教学资源采用协议授权方式对企业、院校、校外个人开放；教学辅助类资源面向全国高校和社会开放。通过对不同教学资源分类共享，提高虚拟仿真实验教学效果与中心的示范辐射作用。

(3) 进一步拓展虚拟仿真实验内容，开发新的虚拟仿真实验教学项目。在前期建设基础上，继续通过自主研发、联合攻关、持续投入等形式，不断开发符合本科教学大纲的虚拟仿真实验项目与实验教学资源，力争通过3年的再建设，将虚拟仿真实验项目增加至50项，并不断丰富各类虚拟仿真实验教学资源，开发新的虚拟仿真实验教学平台，实现虚拟仿真实验的多资源、多项目、多平台共享。

[1] 中华人民共和国教育部.教育信息化十年发展规划(2011-2020年),2012.3.

[2] 中华人民共和国教育部.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知,2013.8.

[3] 吴 涓,孙岳民,雷 威,等.东南大学机电综合虚拟仿真实验教学中心建设规划思路与进展[J].实验技术与管理,2014,31(10):5-9.

[4] 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.

[5] 王卫国,胡金鸿,刘 宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索,2015,34(5):214-219.

[6] 李 平,毛昌杰,徐 进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设,提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索,2013,32(11):5-8.

[7] 王 芳,李 滨,郭兴启.农业生物学实验教学中心网络信息化平台系统的构建[J].髙等农业教育,2008(4):57-59.

[8] 钱 猛,崔 瑾,成 丹,等.南京农业大学微生物学虚拟仿真实验教学模式的探索[J].微生物学通报,2016,43(4):961-866.

[9] 张 炜,崔 瑾,成 丹.农业生物学虚拟仿真实验教学资源建设[J].高校生物学教学研究(电子版),2015(1):51-56.

[10] 杜月林,黄 刚,王 峰,等.建设虚拟仿真实验平台探索创新人才培养模式[J].实验技术与管理,2015,32(12):26-29.

[11] 陈国辉,刘有才,刘士军,等.虚拟仿真实验教学中心实验教学体系建设[J].实验室研究与探索,2015,34(8):169-172.

[12] 邹家柱,程品晶.高校虚拟仿真实验室建设总结[J].中国电力教育，2014(18):80-81.

[13] 黄剑玲,邹 辉.基于虚拟现实技术的实验教学系统及其特点 [J].中国电化教育,2009(4):108-111.

[14] 沈建华,杨 震,程崇虎,等.国家级信息与通信工程实验教学示范中心建设的探索与实践[J].实验技术与管理,2014,31(6):153-157.

编辑·作者须知

一、应当使用阿拉伯数字的情况

1.物理量量值中的数字，如1 m(1米)、3 kg(3千克)、5 d(5天)、20 ℃(20摄氏度)、0.5 A(0.5安)、25 mol(25摩)。

2.非物理量量词(计数单位)前的数字，如3人、50元、100根。

3.计数的数值，如正负整数(3，-6)、小数(0.28)、分数(1/3)、百分数(96.25%)、比例(3∶7)及一部分概数(10多、500余、3 000左右)。

4.公历世纪、年代、年、月、日、时刻。

5.代号、代码和序号中的数字，如GB 3100—1993、国办发〔1998〕3号文件、ISBN 7-303-04761-X、HP-3000型电子计算机、第1卷、第18届年会。

二、必须使用汉字数字的情况

1.定型的词、词组、成语、惯用语、缩略语或具有修辞色彩的词语中作为语速的数字。

2.相邻数字连用表示的概数和带“几”字的概数。如七八个人、五十四岁、十几、三千几百。

3.非公历纪念一律用汉字数字，但应采用阿拉伯数字括注公历。

4.含有月日简称表示事件、节日和其他意义的词组中的数字，应使用汉字数字。当涉及1月、11月、12月时，应用间隔号“·”将表示月和日的数字隔开，并外加引号；涉及其他月份时，不用间隔号。

5.古籍中的数字。

6.文学著作一般使用汉字数字，但也可以适当使用阿拉伯数字，如公历世纪、年代、年、月、日、时刻，计量或计数单位前的数字，纯数字等。

阿拉伯数字的书写规则

1.为使多位数字便于阅读，可将数字分成组，从小数点起，向左或向右每3位分成1组，组间隙一空隙(约为1个汉字的1/4)，但不得用逗号、圈点或其他方式。非科技出版物也可不分节。

2.纯小数必须写出小数点前用以定位的“0”。

3.阿拉伯数字不得与除万、亿及法定计量单位词头外的汉字数字连用。如453 000 000可写成45 300万或4.53亿或4亿5 300万，但不能写作4亿5千3百万；三千元可写成3 000元或0.3万元，但不能写成3千元；三千米可写成3千米，这里的“千”是词头。

4.一个用阿拉伯数字书写的数值(包括小数和百分数)不能拆开转行。

5.表示用阿拉伯数字书写的数值范围，使用浪纹号“～”。如：10%～20%，30～40 km(也可写成30 km～40 km)。

Construction of the National Virtual Simulation Experiment Teaching Center of Forest Biology

ZHANGHuan-ling,LIZhou-qi,KANGYong-xiang,JIAXiao-ming

(College of Forestry, Northwest A & F University, Yangling 712100, Shanxi， China)

Virtual simulation experiment teaching is the main content in construction of higher education informatization and experiment teaching demonstration center, also is the ongoing direction of undergraduate practical teaching in colleges and universities. In this paper, the beginning was the necessity of construction of forest biology virtual simulation experiment teaching center, and then experiences during construction of this national center in Northwest A&F University, including construction mode, goal, experiment module and project, construction of experiment teaching and teaching management platforms, as well as operating mechanism, young teachers training, implement achievements and future construction emphasis were introduced in detail, so as to offer references for relevant center construction.

forest biology； virtual simulation； experiment teaching centers

2016-04-15

西北农林科技大学教改项目(JY1502020)

张焕玲(1973-)，女，陕西渭南人，博士，实验师。研究方向：林学、生态学；实验室建设与管理。

Tel.:15229238929； E-mail:xingyuejia@163.com

贾小明(1973-)，男，甘肃泾川人，硕士，讲师。专业方向：林木遗传育种。

Tel.:15029041377; E-mail:jxm0601@163.com

TP 391.9

A

1006-7167(2017)01-0152-04