林學(xué)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)探索

李鳳日 楊光 孟琳 張鵬 尹艷豹 鄭紅

【摘要】林學(xué)專業(yè)建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室意義重大，既推動(dòng)課程改革與創(chuàng)新，提升教師隊(duì)伍素質(zhì)，節(jié)約實(shí)習(xí)實(shí)踐成本，又提高操作安全性，幫助學(xué)生將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為動(dòng)手操作能力，提高就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。本文主要對(duì)東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)情況進(jìn)行分析，為其他專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)作出有益的探索。

【關(guān)鍵詞】林學(xué)專業(yè);虛擬仿真實(shí)驗(yàn);沉浸式

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是當(dāng)前本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)不可或缺的手段，也是基于學(xué)生親身體驗(yàn)感受的、強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐能力的必要措施。縱觀實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展史，主要經(jīng)歷了三個(gè)階段即傳統(tǒng)階段、現(xiàn)代發(fā)展階段和當(dāng)代發(fā)展階段。傳統(tǒng)階段主要是以經(jīng)驗(yàn)為主同時(shí)結(jié)合實(shí)踐;現(xiàn)代發(fā)展階段是以模型為主，實(shí)驗(yàn)為輔助手段;當(dāng)代發(fā)展階段則是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的全過(guò)程體驗(yàn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室正是在計(jì)算機(jī)技術(shù)的幫助下，給學(xué)生提供了超越現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，最終使學(xué)習(xí)效果事半功倍。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的意義

1.1提升教師隊(duì)伍素質(zhì)，推動(dòng)課程改革與內(nèi)容創(chuàng)新

虛擬仿真課程資源的開(kāi)發(fā)建設(shè)過(guò)程，教師需要同軟件設(shè)計(jì)師和工程技術(shù)人員一起討論課程理念，推敲設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，檢驗(yàn)操作效果。在這個(gè)過(guò)程中，教師一方面掌握了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、媒體技術(shù)等，另一方面虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用也促使教師對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行定期更新。教師可以定期通過(guò)一些虛擬現(xiàn)實(shí)引擎軟件對(duì)課程相關(guān)領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行素材編輯，作為教學(xué)資源的更新和補(bǔ)充。課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)“虛實(shí)結(jié)合，能虛不實(shí)，能實(shí)不虛”原則，不但整合了復(fù)雜的教學(xué)內(nèi)容，而且突出了學(xué)生實(shí)踐操作能力的鍛煉。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)也迎合了當(dāng)代大學(xué)生對(duì)新鮮實(shí)物的好奇心和對(duì)高科技電子設(shè)備的操控欲，能夠有效地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中，獨(dú)立觀察、探索、分析，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決問(wèn)題的能力，拓展其綜合素質(zhì)。

1.2節(jié)約實(shí)習(xí)實(shí)踐成本，提高操作安全性。林學(xué)類專業(yè)的實(shí)習(xí)實(shí)踐中存在著一些難實(shí)現(xiàn)、高危險(xiǎn)、高成本的項(xiàng)目，如果利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)只需要更新和維護(hù)計(jì)算機(jī)軟件和硬件設(shè)備，難度和成本都相對(duì)較低。同時(shí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以虛實(shí)結(jié)合，不僅解決了時(shí)間限制、空間限制、安全性等難題，而且教師可以對(duì)不同學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化指導(dǎo)和分層次考核，為今后就業(yè)做好準(zhǔn)備。

二、林學(xué)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)實(shí)例

2.1建設(shè)沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)硬件系統(tǒng)。沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是把高分辨率的立體投影技術(shù)、三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和音響技術(shù)等有機(jī)地結(jié)合在一起，營(yíng)造一個(gè)實(shí)時(shí)的、立體的、人機(jī)交互的虛擬環(huán)境，使用者產(chǎn)生身臨其境的真實(shí)感覺(jué)。它不僅可以呈現(xiàn)真實(shí)存在的環(huán)境，也可以虛擬客觀不存在的或者有危險(xiǎn)性的環(huán)境。正是這個(gè)特點(diǎn)特別適合應(yīng)用于林學(xué)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。林學(xué)專業(yè)采用投影式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，利用三維眼鏡，產(chǎn)生虛擬視覺(jué)。沉浸式教學(xué)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)授課的大空間交互環(huán)境，達(dá)到1：1物理空間的還原。

2.2建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)管理平臺(tái)

為實(shí)現(xiàn)課程管理、用戶管理等功能，林學(xué)專業(yè)建立一個(gè)依托互聯(lián)網(wǎng)的虛擬仿真課程資源共享平臺(tái)，向校內(nèi)外全面共享教學(xué)資源，進(jìn)一步發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的示范與輻射作用。管理平臺(tái)建立后，可以有效提升實(shí)驗(yàn)室的管理效率和水平。

2.3研發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)軟件

建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，就是要通過(guò)VR、AR等信息技術(shù)，與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容深度融合，破解實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、實(shí)踐中原先“做不到”、“做不好”、“做不了”的老大難問(wèn)題。林學(xué)專業(yè)建設(shè)了一套協(xié)同教學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)引擎，可以幫助老師把新增的教學(xué)素材快速生成虛擬仿真教學(xué)課件，這樣就實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真教學(xué)資源的不斷更新和補(bǔ)充。接下來(lái)通過(guò)LED沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建一整套虛擬仿真的交互環(huán)境。林學(xué)專業(yè)對(duì)《林火生態(tài)與管理》課程進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)，分別建設(shè)了森林火災(zāi)態(tài)勢(shì)推演、林火行為預(yù)測(cè)、撲火機(jī)具使用、撲救指揮決策等教學(xué)模塊，輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。教學(xué)過(guò)程中教師可以將枯燥乏味的課程內(nèi)容轉(zhuǎn)化成立體的可互動(dòng)的三維場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景化教學(xué)，提升課堂質(zhì)量。同時(shí)，還可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)作出針對(duì)性的調(diào)整和改善，豐富教學(xué)手段、強(qiáng)化技能掌握、縮短學(xué)習(xí)周期，對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中獨(dú)創(chuàng)性的技能實(shí)踐能力進(jìn)行發(fā)掘，給出考核成績(jī)，為學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了平臺(tái)。

三、下一階段建設(shè)設(shè)想

下一階段，要緊密結(jié)合專業(yè)特色和行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展最新成果，緊密結(jié)合學(xué)校定位和人才培養(yǎng)特點(diǎn)，繼續(xù)豐富虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室課程教學(xué)資源，逐步建設(shè)體系化的成熟的教學(xué)、實(shí)訓(xùn)、科研一體化平臺(tái)，大力推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等現(xiàn)代技術(shù)在教學(xué)和管理中的應(yīng)用。林學(xué)專業(yè)目前還有很多核心主干課程亟待進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)，如樹(shù)木（植物）數(shù)字標(biāo)本、典型地質(zhì)地貌的整段數(shù)字標(biāo)本、森林病理數(shù)字標(biāo)本、樹(shù)木形態(tài)特征虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、土壤形態(tài)特征虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、森林昆蟲(chóng)形態(tài)特征虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、環(huán)境控制育苗設(shè)施及實(shí)訓(xùn)虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)等，涵蓋《植物學(xué)》、《樹(shù)木學(xué)》、《土壤與土壤資源學(xué)》、《林木病理學(xué)》和《種苗學(xué)》等專業(yè)核心課程。建成后的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將繼續(xù)向相關(guān)高校和社會(huì)提供開(kāi)放服務(wù)，并持續(xù)進(jìn)行改進(jìn)，努力探索先進(jìn)、創(chuàng)新、高效的教學(xué)手段，培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。

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基金項(xiàng)目：黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目（SJGZ20170012）黑龍江省2018年度虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目;黑龍江省2019年度虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目。

作者簡(jiǎn)介：李鳳日（1963-），男，黑龍江哈爾濱人，博士研究生，主要研究方向：森林經(jīng)理學(xué)。