虛擬仿真技術(shù)在樹(shù)木學(xué)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用初探

段一凡 李垚 李蒙 方炎明

[摘 要] 樹(shù)木學(xué)是高等農(nóng)林院校林學(xué)、生態(tài)學(xué)等專業(yè)的重要基礎(chǔ)課，也是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。針對(duì)傳統(tǒng)樹(shù)木學(xué)實(shí)踐教學(xué)中存在的山高路險(xiǎn)、受天氣影響大、實(shí)習(xí)成本高等問(wèn)題，探索將虛擬仿真技術(shù)融入其中，自主開(kāi)發(fā)了黃山亞熱帶森林類型觀察與樹(shù)種探究虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)介紹實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的目的、主要知識(shí)點(diǎn)、模塊設(shè)置、主要步驟、考核方法及特色優(yōu)勢(shì)，以期有利于傳統(tǒng)樹(shù)木學(xué)實(shí)踐教學(xué)的有益延伸與拓展，有助于提升整體教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞] 樹(shù)木學(xué);虛擬仿真;實(shí)踐教學(xué)

[作者簡(jiǎn)介] 段一凡（1984—），男，河南淮陽(yáng)人，理學(xué)博士，南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院副教授，主要從事樹(shù)木學(xué)研究。

[中圖分類號(hào)]? G642.0 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? [文章編號(hào)] 1674-9324（2021）39-0132-04? ? [收稿日期] 2021-05-18

一、引言

樹(shù)木學(xué)既是高等農(nóng)林院校林學(xué)、生態(tài)學(xué)等本科專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程[1]。課程的核心內(nèi)容包括森林類型認(rèn)知、樹(shù)木識(shí)別、樹(shù)種特性和利用價(jià)值，是相關(guān)專業(yè)學(xué)生必備的業(yè)務(wù)能力。從20世紀(jì)40年代開(kāi)始，樹(shù)木學(xué)先輩陳嶸教授、鄭萬(wàn)鈞教授等開(kāi)始在中央大學(xué)、金陵大學(xué)講授樹(shù)木學(xué)課程，歷經(jīng)數(shù)十年的傳承發(fā)展至今。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，黃山、天目山、武夷山等亞熱帶山區(qū)的樹(shù)木學(xué)實(shí)踐教學(xué)一直是南京林業(yè)大學(xué)樹(shù)木學(xué)課程教學(xué)的重要組成部分。而多年的教學(xué)實(shí)踐證明，該實(shí)踐項(xiàng)目是必要且需要堅(jiān)持的。根據(jù)校友的反饋，樹(shù)木學(xué)實(shí)習(xí)是學(xué)生在校期間最有興趣的課程之一，而樹(shù)木野外識(shí)別是工作后非常重要而有用的技能。

總結(jié)多年的樹(shù)木學(xué)野外實(shí)踐教學(xué)，筆者發(fā)現(xiàn)其中存在一些亟待解決的問(wèn)題：（1）學(xué)生實(shí)習(xí)經(jīng)過(guò)高山險(xiǎn)路時(shí)，人身安全風(fēng)險(xiǎn)高;（2）實(shí)踐教學(xué)多在黃山等亞熱帶山區(qū)進(jìn)行，經(jīng)費(fèi)成本高，遇到雨天，嚴(yán)重影響野外作業(yè);（3）林木生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、分布廣，森林面貌和樹(shù)木器官形態(tài)因季節(jié)而變化，短暫的實(shí)習(xí)期很難觀察到這些變化。因此，傳統(tǒng)樹(shù)木學(xué)實(shí)習(xí)存在一定的局限性，使之很難適應(yīng)新時(shí)代林業(yè)對(duì)森林生物多樣性保護(hù)的綜合需求。

虛擬仿真技術(shù)（Virtual Simulation Technology）是通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)虛擬世界（Virtual World）。虛擬世界可以是現(xiàn)實(shí)世界的再現(xiàn)或者是構(gòu)想的世界，用戶可以通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多種感官方式在虛擬世界形成直觀性、交互性和沉浸式體驗(yàn)[2，3]。虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)為有效解決傳統(tǒng)樹(shù)木學(xué)實(shí)踐教學(xué)中存在的問(wèn)題提供了重要契機(jī)。本文擬結(jié)合筆者團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)的“黃山亞熱帶森林類型觀察與樹(shù)種探究”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，初探虛擬仿真技術(shù)在樹(shù)木學(xué)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用，以期將其作為傳統(tǒng)樹(shù)木學(xué)實(shí)踐教學(xué)的延伸與拓展，虛實(shí)結(jié)合，打破時(shí)空限制，提高教學(xué)效果。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.基于在線輔助工具，構(gòu)建低安全風(fēng)險(xiǎn)、低成本的虛擬森林環(huán)境，使學(xué)生了解環(huán)境對(duì)森林類型的影響，掌握黃山森林群落的組成、結(jié)構(gòu)及垂直分布規(guī)律。

2.虛實(shí)結(jié)合，整合野外現(xiàn)場(chǎng)形態(tài)認(rèn)知方法與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法，多途徑探究黃山森林優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的形態(tài)特征與變異式樣，牢固掌握樹(shù)種辨別的科學(xué)方法與鑒定技能。

3.突破時(shí)空和天氣限制，在虛擬環(huán)境中還原黃山森林的季相變化，再現(xiàn)優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的葉花果物候與形態(tài)變化，全方位認(rèn)知與探究森林和樹(shù)種的科學(xué)方法。

4.認(rèn)知與解析珍稀瀕危保護(hù)樹(shù)種案例，有效利用在線珍稀瀕危保護(hù)樹(shù)種資源，樹(shù)立正確的生態(tài)文明觀。

（二）實(shí)驗(yàn)主要知識(shí)點(diǎn)

1.黃山森林類型垂直分布的特征。黃山地理位置、海拔、氣候帶等背景;黃山森林類型垂直分布示意;不同森林類型的垂直分布情況。不同森林類型分布的海拔區(qū)域：400～1000m為常綠闊葉林;1000～1400m為常綠落葉闊葉林;1400～1600m為落葉闊葉林、黃山松林;1600～1860m為落葉矮林灌叢林。

2.不同森林類型的特征。以常綠闊葉林為例，觀察常綠闊葉林四季植被的外貌，通過(guò)植被季相外貌可以判別不同森林的類型。常綠闊葉林主要樹(shù)種的科屬組成有樟科、殼斗科、山茶科、冬青科、山礬科等。常綠闊葉林的結(jié)構(gòu)有灌木層、中下喬木層和大喬木層等。

3.樹(shù)種形態(tài)特征習(xí)性。常綠、落葉與喬木或灌木等性狀的觀察與判別。樹(shù)皮：樹(shù)皮不裂與縱裂等性狀的觀察與判別。葉形態(tài)：?jiǎn)稳~與復(fù)葉，以及對(duì)生或互生等性狀的觀察與判別。葉邊緣：中部以上有疏齒（全緣及中部以上有疏齒、先端有1～2對(duì)鋸齒、葉緣有鋸齒、波狀鋸齒、芒狀鋸齒、羽狀分裂等性狀的觀察與判別）。葉背：有平伏白色單毛，老時(shí)漸脫落，常有白色鱗秕等性狀?；ㄐ螒B(tài)：柔荑花序、總狀花序、圓錐花序、傘形花序等性狀的觀察與判別。果：堅(jiān)果、核果、蒴果、蓇葖果等性狀的觀察與判別。雄花序類型：柔荑花序（頭狀花序與柔荑花序性狀的觀察與判別）。雄花序狀態(tài)：雄花序下垂（直立、下垂性狀的觀察與判別）。果形態(tài)觀察。殼斗包被方式：殼斗碗狀，半包住堅(jiān)果（包著堅(jiān)果底部、半包著堅(jiān)果、全包著堅(jiān)果等性狀的觀察與判別）。殼斗小苞片：小苞片同心環(huán)帶（殼斗平滑、刺形、條形、瘤狀突起等性狀的觀察與識(shí)別）。堅(jiān)果：每個(gè)殼斗中有堅(jiān)果1枚。3D模型形態(tài)觀察，代表種青岡的果實(shí)和殼斗的三維模型，包括殼斗形態(tài)、包被方式、小苞片、同心環(huán)帶、堅(jiān)果形狀與數(shù)量、柱頭宿存情況等形態(tài)特征。

4.樹(shù)種地理分布規(guī)律。主要樹(shù)種館藏標(biāo)本收集與整理情況，主要樹(shù)種的中國(guó)各省地理分布情況。

（三）實(shí)驗(yàn)主要模塊

1.實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介模塊。此模塊主要包括實(shí)驗(yàn)背景、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求、實(shí)驗(yàn)流程等。

2.基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K。此模塊主要用于學(xué)生在了解實(shí)驗(yàn)原理和基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，對(duì)黃山不同海拔森林類型及其代表性樹(shù)種的葉、花、果形態(tài)進(jìn)行學(xué)習(xí)，并熟悉檢索表的使用。通過(guò)虛擬場(chǎng)景模擬和人機(jī)交互，掌握森林類型觀察和樹(shù)種探究的基本方法。