泰山生態(tài)虛擬仿真實驗教學項目建設的探索

王耐寒，趙維軍

1.泰山學院教務處，山東 泰安 271000

2.泰山學院旅游學院，山東 泰安 271000

實驗教學是高等院校，特別是應用型本科專業(yè)教學中的重要組成部分，對學生專業(yè)知識掌握和科學研究方法、實驗技能、動手能力的培養(yǎng)，具有重要的地位，對培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識、提升學生創(chuàng)新能力有重要作用。隨著國家不斷增加對應用型本科人才的需求，對人才培養(yǎng)也提出了新的實驗教學要求[1]。但從目前情況來看，因資金投入、配置等方面的不足，限制了高校實驗教學的開展，再加上部分實驗項目并不適合開展傳統(tǒng)實驗，因此，為了滿足國家對人才的實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需求，以及提高信息化背景下高等學校實驗教學質量和實踐育人水平，教育部計劃2017 年-2020年起開展約1000 項示范性虛擬仿真實驗教學項目建設工作，推動高校積極探索虛實相結合的實驗教學改革，形成線上虛擬資源，線下真實操作的實驗教學新模式。坐落在泰山腳下的泰山學院，也在2017 年開始積極探索虛擬仿真技術與本校研究特色—泰山文化研究的深度融合，建設了泰山生態(tài)環(huán)境野外實習虛擬仿真實驗，對推進學校實驗教學改革具有重要意義。

1 泰山環(huán)境的復雜性及使用VR 開展實驗的意義

從泰山環(huán)境實驗教學的建設上來說，需要培養(yǎng)一大批專業(yè)的實驗教師，并投入大量的實驗經費。然而，利用虛擬仿真技術，通過信息技術、多媒體技術及其數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡通訊技術，來構建智能化、人性化、交互性的虛實結合、相互補充的實驗教學資源，可以滿足當前教學改革思路，改變實驗教學功能，并在整個實驗中可以更好地控制成本、消耗，使現(xiàn)代前沿科技手段和實驗教學相融合，通過虛擬仿真技術和地理學、生態(tài)學、生物學等專業(yè)知識來實現(xiàn)實驗教學信息化的改革和創(chuàng)新。

1.1 泰山生態(tài)環(huán)境實驗背景

泰山是世界首例自然文化雙遺產，世界地質公園，自然文化資源豐富，含有眾多特有珍稀物種，是高校生態(tài)學、地理學、地質學等專業(yè)天然實驗室。生態(tài)環(huán)境野外實驗教學是生態(tài)學、地理科學、生物學等學科中，研究生物與環(huán)境關系的重要組成部分。通過此項實驗學生可以掌握野外實習中植物群落特征調查方法和操作步驟，常見山地植物的特征識別；調查泰山植物資源，識別土壤剖面的形態(tài)結構，通過計算生物多樣性，探索植被生長特征與土壤、氣象要素、地形等環(huán)境的關系，進而探究山地自然帶垂直分異規(guī)律。

但是，泰山景區(qū)禁止開展帶有破壞性的土壤、生物樣本采集等實驗，而且土地環(huán)境是一個復雜的系統(tǒng)，地勢險峻、氣候多變，難以開展野外實驗。利用虛擬現(xiàn)實技術，開展虛實結合、相互補充的虛擬仿真教學，非常必要。

1.2 使用虛擬仿真技術開展實驗的意義

泰山中地貌、土壤、氣象、地形等環(huán)境構成了一個復雜的系統(tǒng)，需要結合山地的復雜性、自然環(huán)境和人文環(huán)境，結合不同尺度的影響因素和機制，需要整合大量地理學、土壤學、生物學、生態(tài)學的數(shù)據(jù)資源，結合豐富的理論、實踐經驗，進而實現(xiàn)泰山野外生態(tài)環(huán)境的模擬，從教學手段、教學模式和教學方法上，打破了傳統(tǒng)專業(yè)界限，實現(xiàn)了整個泰山野外環(huán)境教學的完整性，提高實驗效率，從而提升學生專業(yè)知識認知水平。

本項目將始終圍繞信息化時代背景下學生的需求，利用VR 頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等現(xiàn)代硬件，在線上置身于泰山生態(tài)環(huán)境中，理解其垂直分布規(guī)律及不同自然帶植物群落特征、土壤剖面形態(tài)，利用泰山虛擬仿真中心微信公眾號線上線下研相結合開展研討與互動，呈現(xiàn)鮮明個性化、智能化、泛在化、邏輯化的實驗教學新模式，完美的成為傳統(tǒng)教學的延伸與拓展。

2 泰山生態(tài)環(huán)境虛擬仿真實驗的設計與實現(xiàn)

2.1 泰山生態(tài)環(huán)境虛擬仿真實驗的構建

2.1.1 實驗目的生態(tài)環(huán)境野外實習是生態(tài)學中研究生物與環(huán)境關系的重要組成部分，利用虛擬仿真技術構建的野外實習系統(tǒng)，為生態(tài)學野外實習提供全方位教學輔助，使學生突破時間、空間限制，開展自主學習，構建更完整的知識體系，提高綜合實踐與創(chuàng)新能力。

（1）學習并掌握常見泰山植物的野外識別特征和鑒定方法；調查泰山植物資源的種類組成、群落結構及資源狀況；進而學習并掌握實地野外實習中植物群落特征調查方法和操作步驟。

（2）掌握泰山資源環(huán)境中，土壤剖面形態(tài)觀測方法，進行土壤類型判別；學習并掌握不同植被帶發(fā)育的土壤類型特征。

（3）分析泰山山脈不同自然帶上植物生長特征與環(huán)境因子間的關系，學習和理解山地自然帶垂直分異規(guī)律。

2.1.2 教學方法的實施過程 按照實驗教學內容設計，采用B/S 架構開發(fā)《泰山生態(tài)環(huán)境野外實習虛擬仿真實驗》網(wǎng)站，如圖1所示。網(wǎng)站提供利用全景泰山觀察泰山地貌形態(tài)、植被覆蓋與分布；在虛擬仿真場景中，采用人機交互方式完成調查。使學生掌握野外實習中植物群落特征調查方法和操作步驟，常見山地植物的特征識別；調查泰山植物資源，識別土壤剖面的形態(tài)結構，通過計算生物多樣性，探索植被生長特征與土壤、氣象要素、地形等環(huán)境的關系，探究山地自然帶垂直分異規(guī)律。

圖1 項目首頁Fig.1 Home page of the project

2.1.3 實驗方案設計思路 按照教育部提出的“能實不虛”的虛擬仿真實驗教學項目建設要求，實訓實驗課程設計為綜合實驗教學項目。泰山，野外實習受多種條件限制，又具有危險性，開展仿真實驗成為教學的必要手段，本項目使學生突破時間、空間限制，開展自主學習，主動探索。生態(tài)環(huán)境野外實習是研究生物與生態(tài)環(huán)境關系的重要環(huán)節(jié)。本項目利用全景泰山，了解泰山地貌形態(tài)、生態(tài)環(huán)境等基本信息；通過仿真模型和虛擬場景的交互操作，觀察植物形態(tài)特征，識別植物種類，了解植物群落特征；觀察土壤性狀，判斷土壤類型；計算生物多樣性，分析植物種類與生態(tài)因子之間相關性，探究自然帶垂直分異規(guī)律；掌握野外實習調查技能和方法。

（1）實驗課程設計與任務模塊通過該模塊學習，學生自主學習并掌握實訓課程所涉及的原理與知識點、實驗步驟、實驗任務、考核指標、實驗易錯提示。

（2）樣線取樣與調查

樣線法指在某個植物群落內或者穿過幾個群落取一直線（用測繩、卷尺等），沿線記錄此線所遇到的植物并分析群落結構的方法。適于分析逐漸過渡的群落結構。

樣線的設置：主觀選定一塊代表地段，并在該地段的一側設一條線（基線），然后沿基線用隨機或系統(tǒng)取樣選出待測點（起點），沿起點分別布線進行調查。

（3）評價體系

本項目從學生實驗的完成度、準確度，和實驗報告相結合進行總體成績的評定，虛擬仿真實驗教學管理平臺，可以跟蹤記錄學生整個實驗項目的學習情況，并實現(xiàn)在線指導與及時評價反饋。

2.2 項目構架的主要研發(fā)技術

泰山生態(tài)環(huán)境野外實習虛擬仿真實驗選擇泰山中路登山路線為樣線，沿線設計制作虛擬仿真場景，在岱宗坊、紅門宮、壺天閣、斬云劍、朝陽洞、對松亭、南天門、碧霞祠、玉皇頂九個點分別進行GPS、氣象等要素的測量，構建植物調查和土壤調查虛擬仿真場景，在仿真場景中完成樣線調查實驗。

水流、落葉等動畫系統(tǒng)的構建、模擬和演示，交互界面設計，可視化演示的設計與展示等關鍵技術進行研究，利用OpenGL 技術在引擎內部進行模型和貼圖的視覺表現(xiàn)力圖形處理，以達到一個較高的視覺表現(xiàn)。利用WebGL 的軟件接口實現(xiàn)網(wǎng)頁端的3D 模型渲染，通過借助系統(tǒng)顯卡來在瀏覽器中展示3D 場景和模型，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。主要開發(fā)技術如下：

2.2.1 三維GIS 技術 三維GIS 是布滿整個三維空間的GIS，與過去傳統(tǒng)的二維GIS 或2.5 維GIS 明顯不同，尤其體現(xiàn)在空間位置和拓撲關系的描述及空間分析的擴展上，空間目標通過X、Y、Z 三個坐標軸來定義。

本項目采用GIS 三維建模技術，利用泰山1:1 萬數(shù)字地形圖數(shù)據(jù)生成DEM 數(shù)據(jù)，構建泰山三維模型，結合遙感影像貼圖，還原泰山真實場景。采用基于掃描云點的建模技術，采集大量真實的植被各個部位的樣本進行掃描，在采集樹葉的基礎骨架的基礎上構建樹葉、樹枝、樹干等的基礎模型骨架線，然后采用蒙皮技術豐富植被的各個部位，從而生成相應的三維素模模型。

2.2.2 次世代模型貼圖技術 在泰山生態(tài)環(huán)境野外實習虛擬仿真實驗中，圖像處理采用手繪與三維掃描相結合的方法制作次世代游戲貼圖技術，采集不同光照、不同環(huán)境影響下的材質數(shù)據(jù)信息，采用手繪技術，繪制和修改響應的紋理，對因氧化、蟲蛀等表面損傷的植被進行貼圖修復處理，保證制作出的模型能夠從外觀到顏色與實物的相似度達到90%以上，還原度達到95%以上。

2.2.3 三維動畫技術 三維動畫又稱3D 動畫，隨著計算機軟硬件技術的發(fā)展而產生的一新興技術。三維動畫技術是現(xiàn)在模擬真實物體的一個有用工具。具有精確性、真實性和無限的可操作性。

針對本項目中的流體，采用計算流體力學技術制作，采集相應的水域、水系流動信息，進行運動數(shù)值求解，然后首先進行三維流體軟件解算，解算并模擬流體的相對運動軌跡和運動方向，然后采用逐幀繪制的方法進行表面重建和動畫模擬和制作，然后導入到AE 中進行最終的流體動畫渲染和顏色矯正，最終得到相對準確的噴濺、撕裂、路徑動畫。

2.2.4 虛擬現(xiàn)實技術(VR 技術) 虛擬現(xiàn)實技術是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，它利用計算機生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真，使用戶沉浸到該環(huán)境中[2]。

本項目采用的虛擬現(xiàn)實技術是仿真技術與計算機圖形學人機接口技術多媒體技術傳感技術網(wǎng)絡技術等多種技術的集合。虛擬現(xiàn)實技術(VR)主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設備等方面。簡而言之就是通過虛擬現(xiàn)實技術把制作的三維模型、三維貼圖、UI 界面、文字、視頻、以及輸入輸出設備進行整合、集成，最終制作出具有沉浸性、真實性、帶入感、可實時進行互動的虛擬試驗。

2.2.5 WebGL 技術 本項目最終的發(fā)布是采用的WebGL 技術，利用WebGL 技術把JavaScript 和OpenGL ES 2.0 結合在一起，通過增加OpenGL ES 2.0 的一個JavaScript 綁定，WebGL 可以為HTML5 Canvas 提供硬件3D 加速渲染，這樣就可以借助系統(tǒng)顯卡來在瀏覽器里更流暢地展示3D 場景和模型了，還能創(chuàng)建復雜的導航和數(shù)據(jù)視覺化。顯然，WebGL 技術標準免去了開發(fā)網(wǎng)頁專用渲染插件的麻煩，可被用于創(chuàng)建具有復雜3D 結構的網(wǎng)站頁面，甚至可以用來設計3D 網(wǎng)頁游戲等等。

WebGL 完美地解決了現(xiàn)有的Web 交互式三維動畫的兩個問題：第一，它通過HTML 腳本本身實現(xiàn)Web 交互式三維動畫的制作，無需任何瀏覽器插件支持；第二，它利用底層的圖形硬件加速功能進行的圖形渲染，是通過統(tǒng)一的、標準的、跨平臺的OpenGL 接口實現(xiàn)的[3]。

3 結語

泰山生態(tài)環(huán)境野外實習虛擬仿真實驗，融合三維技術、虛擬仿真技術、互聯(lián)網(wǎng)技術，建立泰山生態(tài)環(huán)境野外實習虛擬仿真實驗網(wǎng)站，為本校生態(tài)學、地理學、生物學等相關專業(yè)的學生和社會相關領域的技術人員提供虛擬泰山環(huán)境實訓實驗教學課程。通過本項目，實現(xiàn)了虛擬仿真實驗教學改革，能夠有效解決高校實訓實驗教學所涉及的不可行、高危險等難以滿足師生野外實訓實驗學習等客觀問題。同時，通過項目實驗教學網(wǎng)站建設，可以讓更多高校和社會同行共享虛擬教學資源。

綜上所述，結合泰山生態(tài)環(huán)境野外實習虛擬仿真實驗成功開發(fā)，為了實現(xiàn)其虛擬仿真實驗教學的重要性，為未來實驗教學的發(fā)展奠定堅實的基礎，就要不斷的創(chuàng)新和完善，從根本上創(chuàng)建虛擬仿真實驗教學的有效性，通過合理的平臺構建和專業(yè)的團隊及其管理來實現(xiàn)泰山虛擬仿真實驗中心的建設，為共享虛擬泰山環(huán)境與資源實現(xiàn)開放共享探索一條有效途徑。