基于生態(tài)校園虛擬數(shù)字化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)探索

俞 飛，陳 榮,2，伊力塔,2，林海萍，趙麗華

（1. 浙江農(nóng)林大學(xué) 林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，浙江 臨安 311300；2. 浙江農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)類國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，浙江 臨安 311300；3. 浙江農(nóng)林大學(xué) 實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處，浙江 臨安 311300）

空間信息、虛擬仿真和計(jì)算機(jī)圖形等技術(shù)的不斷滲透和交叉使得“數(shù)字化地球”從理念逐漸成為現(xiàn)實(shí)，數(shù)字校園的理念也隨之興起，國(guó)內(nèi)高校陸續(xù)開展了相關(guān)的探索和建設(shè)工作[1-2]。縱觀目前的數(shù)字校園建設(shè)，主要以人文校園為主線，綜合三維仿真、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GIS、多媒體信息等手段，建立虛擬仿真場(chǎng)景[3]，但是如何利用校園自身特色建設(shè)數(shù)字校園值得思考和探索。

國(guó)內(nèi)農(nóng)林院校大多占地面積大，而且在校園內(nèi)有一定數(shù)量的農(nóng)場(chǎng)或林場(chǎng)用于教學(xué)和科研活動(dòng)，這是不同于其他高校的校園特色。因此，農(nóng)林院校可以充分利用校園自然資源和人文條件，將基于地理環(huán)境、水文狀態(tài)、植被覆蓋、建筑的數(shù)字校園建設(shè)與服務(wù)滲透到學(xué)校的教學(xué)工作、教師的科研工作，以及行政部門的管理之中。本文以浙江農(nóng)林大學(xué)為例，探討校園與植物園合一的多功能滲透式數(shù)字校園建設(shè)的實(shí)踐。

1 高校數(shù)字化建設(shè)的特點(diǎn)

高等學(xué)校數(shù)字化的重要內(nèi)容之一是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的數(shù)字化，即實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛擬仿真建設(shè)。這建立在數(shù)字技術(shù)與教學(xué)方法、專業(yè)知識(shí)全方位融合的基礎(chǔ)之上[4-5]。根據(jù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，可構(gòu)建包含演示型、基礎(chǔ)型、綜合型、設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新型5 個(gè)層次的融合體系，實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能[6-8]。

（1）演示型。該類型的實(shí)驗(yàn)以傳統(tǒng)的教學(xué)演示為主，兼有使學(xué)生初步了解實(shí)驗(yàn)過程，熟悉實(shí)驗(yàn)環(huán)境，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理有初步的理解。

（2）基礎(chǔ)型。該類實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)，主要通過演示方式使得學(xué)生進(jìn)一步理解理論知識(shí)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以各學(xué)習(xí)單元的基礎(chǔ)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)為主線。

（3）綜合型。該類型實(shí)驗(yàn)的目的是促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)體系的系統(tǒng)性掌握。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由一個(gè)體系內(nèi)的若干關(guān)鍵性基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容組合而成，學(xué)生通過學(xué)習(xí)建立各實(shí)驗(yàn)單元之間的聯(lián)系，掌握相關(guān)的系統(tǒng)知識(shí)。

（4）設(shè)計(jì)型。該層次的實(shí)驗(yàn)常以提出若干不限定解決方案的問題讓學(xué)生總體設(shè)計(jì)。學(xué)生通過綜合運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)概念和理論進(jìn)行思考、分析，提出設(shè)計(jì)方案并加以實(shí)現(xiàn)。

（5）創(chuàng)新型。此類實(shí)驗(yàn)層次屬于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最高層次，其目的是幫助學(xué)生提高創(chuàng)新能力，鼓勵(lì)自主創(chuàng)新。通過完成具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，為學(xué)生參與各類國(guó)內(nèi)外創(chuàng)新競(jìng)賽，申請(qǐng)并完成創(chuàng)新基金項(xiàng)目等提供保障。

目前國(guó)內(nèi)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)雖然根據(jù)各自實(shí)驗(yàn)條件自行開發(fā)教學(xué)軟件，但大部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容僅停留在演示和基礎(chǔ)型層次，并沒有根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容挖掘深層次的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方法，從而達(dá)到虛擬仿真教學(xué)的核心目標(biāo)[9]。因此，有必要將信息技術(shù)與教學(xué)內(nèi)容深度融合，開發(fā)有助于學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主管理和自主服務(wù)的數(shù)字環(huán)境，并輻射到文化傳承和交流、科學(xué)教育和普及等領(lǐng)域，在實(shí)踐中充分體現(xiàn)虛擬仿真教學(xué)的價(jià)值，在內(nèi)涵上真正實(shí)現(xiàn)校園的數(shù)字化。

如何構(gòu)建科學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，需要考慮以下問題：什么是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)；建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的目的；如何開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)；如何確保虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可持續(xù)性。為此，我們應(yīng)該從以下思路著手開展相關(guān)建設(shè)工作：

（1）有機(jī)地結(jié)合現(xiàn)實(shí)環(huán)境和數(shù)字環(huán)境。這是建立虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的前提。

（2）深度融合教學(xué)資源與信息技術(shù)。從信息技術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)變到以信息技術(shù)支撐于教學(xué)，實(shí)現(xiàn)以知識(shí)傳授者為中心向以學(xué)習(xí)者為本轉(zhuǎn)變，使信息技術(shù)真正進(jìn)入教學(xué)活動(dòng)的全過程。

（3）構(gòu)建針對(duì)自主特色的學(xué)習(xí)互動(dòng)開放教學(xué)平臺(tái)，創(chuàng)建自主虛擬實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

綜上所述，從資源整合、共享平臺(tái)建設(shè)，到隊(duì)伍管理、體系搭建進(jìn)行系統(tǒng)思考和探索，是開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要途徑。

2 數(shù)字校園建設(shè)的特色和優(yōu)勢(shì)

我校是浙江省唯一的省屬本科農(nóng)林院校，其位于杭州市臨安區(qū)的東湖校區(qū)是由校園、植物園“兩園合一”的思路建設(shè)而成，浙江農(nóng)林大學(xué)校園植物園總體規(guī)劃見圖1。占地約1.4 km2的校園將“生態(tài)文化”和“植物進(jìn)化”進(jìn)行有機(jī)融合，既是一個(gè)讀書做學(xué)問的地方，亦是生物多樣性保護(hù)、觀光旅游和科學(xué)普及的地方。

圖1 浙江農(nóng)林大學(xué)校園植物園總體規(guī)劃

校園植物園獨(dú)特的植被和地形地貌優(yōu)勢(shì)為建設(shè)虛擬仿真數(shù)字校園提供了豐富的素材。經(jīng)過 18 年的發(fā)展，校園植物園引種2700 多種植物，并以克羅奎斯特（Cronquist）分類系統(tǒng)布局，建成了一個(gè)以亞熱帶植被為特色的植物園，擁有世界蠟梅園、珍稀園等多個(gè)專類園，目前已成為國(guó)際植物園聯(lián)盟保護(hù)組織 (BGCI)的成員。校園植物園結(jié)合亞熱帶植物、森林動(dòng)物、森林土壤與巖石、森林病理與昆蟲等標(biāo)本館，著力于培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)與技能。其中數(shù)字標(biāo)本館已成為國(guó)家科技部教學(xué)標(biāo)本信息平臺(tái)的子節(jié)點(diǎn)，拓展了科學(xué)研究和學(xué)術(shù)交流的外延，為中科院提供了優(yōu)質(zhì)標(biāo)本5000份的同時(shí)，每年與多個(gè)單位合作開展一系列科研項(xiàng)目，尤其在植物資源開發(fā)利用和珍稀瀕危植物遷地保護(hù)方面發(fā)揮了積極作用。如與浙江普洛康裕天然藥物有限公司合作研發(fā)新藥制劑，與臨安市昌化鎮(zhèn)朱穴村合作開展新農(nóng)村建設(shè)，與上海辰山植物園合作科研引種工程等，實(shí)現(xiàn)了全國(guó)教學(xué)標(biāo)本的資源共享，該成果已獲浙江省教學(xué)成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。同時(shí)結(jié)合校園植物園獨(dú)特的地形地貌，建立了植物園—流域生態(tài)園實(shí)踐平臺(tái)，將植物園地形疊加到虛擬可視化平臺(tái)，為林業(yè)精準(zhǔn)化研究和管理提供數(shù)據(jù)共享。該實(shí)踐平臺(tái)可以用于森林管理、自然規(guī)劃等專業(yè)的實(shí)踐技能學(xué)習(xí)，除了本校師生以外，先后為浙江大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等高校的相關(guān)課程提供了實(shí)踐場(chǎng)所。該研究成果榮獲國(guó)家教學(xué)成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)?！皟蓤@合一”數(shù)字校園建設(shè)支撐平臺(tái)見圖 2。利用校園植物園的內(nèi)部資源優(yōu)勢(shì)以及外部資源，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，提升學(xué)生思維能力，實(shí)現(xiàn)了生態(tài)思維與實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)融合。

圖2 “兩園合一”數(shù)字校園建設(shè)支撐平臺(tái)

3 校園數(shù)字教學(xué)資源開發(fā)方法探索

在收集和獲取校園航拍影像、遙感影像等地圖和空間數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上，使用數(shù)碼相機(jī)或無人機(jī)獲取建筑、道路、植物等景觀類型的紋理數(shù)據(jù)，并輔以相關(guān)文字、語(yǔ)音介紹，或相關(guān)的多媒體屬性數(shù)據(jù)，然后疊加空間和地理信息，構(gòu)建生態(tài)環(huán)境三維影像、時(shí)空過程表達(dá)模型，力求從景觀格局靜態(tài)可視化、環(huán)境過程動(dòng)態(tài)可視化對(duì)真實(shí)的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行數(shù)字化[10-12]。

數(shù)字化主要包括以下內(nèi)容：

（1）三維仿真場(chǎng)景構(gòu)建。此模塊屬于構(gòu)建“數(shù)字校園”的基礎(chǔ)層。其中包括主要建筑等人工景觀、植被和地形地貌的建模過程。利用航拍、遙感以及數(shù)碼、無人機(jī)照相技術(shù)獲取各類照片及紋理數(shù)據(jù)，按照指定的相對(duì)地理空間位置定位的前提下，將模型進(jìn)行烘焙處理后進(jìn)行場(chǎng)景集成，可虛擬實(shí)現(xiàn)校園地理和植被的真實(shí)情況，集空間技術(shù)、智能定位搜索、校園 3D 漫游、校園人文歷史虛擬體驗(yàn)等多重功能，具有人機(jī)實(shí)時(shí)交互和動(dòng)態(tài)性的功能。為向公眾展示校園的內(nèi)涵和外延可起到重要作用。

（2）植被屬性信息查詢。構(gòu)建場(chǎng)景的同時(shí)搜集獲取各類基于空間的信息(包括文字、圖片、影像、聲音等)，用戶利用便攜式設(shè)備便可進(jìn)行即時(shí)查詢。除此之外，利用定位技術(shù)開展主要樹種的定位工作的同時(shí)將植被的屬性信息與空間信息進(jìn)行集成。充分將“生態(tài)文化”信息和“植物進(jìn)化”信息有機(jī)融合，可以全方位地了解校園的地形及植被信息。

（3）生態(tài)過程及規(guī)劃模擬。如何充分利用校園特有的地形植被優(yōu)勢(shì)開展設(shè)計(jì)、創(chuàng)新型內(nèi)容是此項(xiàng)目的關(guān)鍵所在。因此，在準(zhǔn)確獲取基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)（地形圖、航空與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)等）的同時(shí)也要考慮系列、完整地反映氣候、植被、土壤等生態(tài)因子的基本狀況，然后綜合評(píng)價(jià)這些生態(tài)因子，以及人—地耦合系統(tǒng)中的土地利用與土地覆被、用地適宜性、生態(tài)環(huán)境承載力等一系列內(nèi)容，甚至反映區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的演替特征，并預(yù)測(cè)演替趨勢(shì)，“兩園合一”數(shù)字校園建設(shè)總體規(guī)劃見圖3。

圖3 “兩園合一”數(shù)字校園建設(shè)總體規(guī)劃

在構(gòu)建校園系列分布圖之前，需要對(duì)其生態(tài)環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)分析和知識(shí)模塊挖掘。從單一植被信息屬性查詢向植物生長(zhǎng)過程及環(huán)境適應(yīng)性等設(shè)計(jì)型和創(chuàng)新型方向深入。真正達(dá)到從植被與環(huán)境的認(rèn)知深化至植物生長(zhǎng)過程和生態(tài)過程的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)生物的形態(tài)和生理信息與環(huán)境信息真正的融合。

由此可以形成以下優(yōu)勢(shì)：①生態(tài)校園數(shù)字資源是一種新型專題信息化圖集。它的功能定位標(biāo)準(zhǔn)是在充分實(shí)現(xiàn)信息可視化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)空間計(jì)算與分析，最終實(shí)現(xiàn)虛擬仿真功能。它的主題定位標(biāo)準(zhǔn)是涵蓋從生態(tài)因子分析、組合型評(píng)價(jià)、綜合評(píng)價(jià)，以及預(yù)測(cè)和規(guī)劃等的所有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)評(píng)估功能。②根據(jù)生態(tài)校園數(shù)字資源，可以同時(shí)構(gòu)建面向?qū)ο蟮娜P(guān)系型（包括分析和表達(dá)需求）數(shù)據(jù)模型。③生態(tài)校園數(shù)字信息資源可以實(shí)現(xiàn)表示方法和圖形設(shè)計(jì)上的新追求，可以較為成功地在個(gè)體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)和景觀層面，將3D 模型仿真場(chǎng)景展示到數(shù)字地圖中。

4 結(jié)語(yǔ)

建設(shè)數(shù)字化、信息化校園是高校建設(shè)的大勢(shì)所趨。值得注意的是數(shù)字化建設(shè)的初心是為教學(xué)、科研和行政工作提供高效和優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，所以必須與高校自身的資源和特性相契合才能真正發(fā)揮作用。農(nóng)林類高校校園擁有大面積的農(nóng)林實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的資源優(yōu)勢(shì)，并且具有培養(yǎng)新型農(nóng)林人才目標(biāo)和科普農(nóng)林知識(shí)的任務(wù)，所以農(nóng)林類高校的數(shù)字化建設(shè)特點(diǎn)是要與其自然資源相契合。下一步將根據(jù)此思路開展實(shí)踐，以期為國(guó)內(nèi)同類高校的數(shù)字校園建設(shè)提供參考。