林窗干擾生態(tài)學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

何中聲，謝子揚(yáng)，劉金福，徐道煒，鄭世群

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院，福建 福州 350002；2.福建省高校生態(tài)與資源統(tǒng)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002)

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）技術(shù)發(fā)展，VR技術(shù)被廣泛應(yīng)用于高校課程教學(xué)。通過VR技術(shù)和課程內(nèi)容有機(jī)融合對(duì)實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)有較高價(jià)值[1]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也稱虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是指利用計(jì)算機(jī)基于VR等技術(shù)模擬真實(shí)情境生成一個(gè)仿真，具有多種感知的虛擬環(huán)境，用戶可通過各種傳感設(shè)備同虛擬環(huán)境互動(dòng)的教學(xué)技術(shù)[2]。運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)，可調(diào)動(dòng)學(xué)生多種感官，使抽象的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具體化形象化，提升教學(xué)水平和質(zhì)量。教育部于2013年開展了國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作，表明虛擬仿真教學(xué)在高校教學(xué)中的作用日趨重要[3-4]。

林窗（gap）是森林群落內(nèi)林冠層優(yōu)勢樹木的死亡而形成的間隙[5]，是森林中最普遍的干擾形式，在森林更新和演替過程中扮演著重要角色。干擾促進(jìn)林窗小氣候變化，導(dǎo)致微環(huán)境異質(zhì)性與森林資源再分配，使其成為預(yù)測物種組成和更新的天然實(shí)驗(yàn)室，從而加深對(duì)生物多樣性維持機(jī)制的理解[6-9]。林窗構(gòu)成流動(dòng)鑲嵌的森林景觀，促進(jìn)了森林更新與演替[10]。目前，關(guān)于林窗干擾生態(tài)學(xué)的研究主要集中在林窗氣象環(huán)境[11]、林窗土壤環(huán)境[12]、林窗與物種多樣性關(guān)系[13]和林窗對(duì)森林更新的影響[14]。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)背景與思路

林窗干擾生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)具有周期長和干擾因素多等特點(diǎn)，傳統(tǒng)野外實(shí)踐教學(xué)難以達(dá)到當(dāng)前林窗干擾生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。當(dāng)前林學(xué)和生態(tài)學(xué)等學(xué)科的實(shí)踐教學(xué)存在開放度不夠和綜合程度較低等問題[15]，限制了學(xué)生對(duì)課程的深入理解。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有仿真性高、互動(dòng)性強(qiáng)、環(huán)境要求低、投入成本少和可重復(fù)性高等特點(diǎn)，適應(yīng)新時(shí)期課程改革的方針，有效減輕教師教學(xué)負(fù)擔(dān)和學(xué)生課業(yè)壓力，增加師生互動(dòng)性。為此，生態(tài)與資源統(tǒng)計(jì)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室依托林學(xué)、生態(tài)學(xué)、氣象學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)等學(xué)科平臺(tái)，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)運(yùn)用于林窗干擾生態(tài)學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，通過整合林窗氣象環(huán)境、土壤環(huán)境、物種多樣性和森林更新等領(lǐng)域熱點(diǎn)內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐操作能力，促使學(xué)生更好地理解和掌握林窗干擾生態(tài)學(xué)的實(shí)驗(yàn)原理和內(nèi)容。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)內(nèi)容

在林窗干擾生態(tài)學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中，基于“虛擬操作與理論知識(shí)相結(jié)合”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，以林窗氣象環(huán)境、土壤環(huán)境、物種多樣性和森林更新4個(gè)模塊的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為主（圖1），通過構(gòu)建實(shí)驗(yàn)場景模型，在虛擬仿真平臺(tái)布置期末考核，收集學(xué)生對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)效果的評(píng)價(jià)。通過林窗干擾生態(tài)學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，促使學(xué)生深入了解林窗環(huán)境與森林更新的內(nèi)在機(jī)理，提高學(xué)生實(shí)踐技能；依據(jù)學(xué)生對(duì)教學(xué)體系評(píng)價(jià)的反饋，進(jìn)一步完善教學(xué)模式。

圖1 林窗虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容流程圖Fig.1 Flowchart for virtual simulation experiment teaching content of forest gap

2.1 林窗氣象環(huán)境實(shí)驗(yàn)?zāi)K

林窗形成后，光溫水條件的改善導(dǎo)致森林微環(huán)境的異質(zhì)性，使林窗氣象環(huán)境有別于非林窗[14]，對(duì)植物生長具有重要影響[16-17]。通過系統(tǒng)模擬森林真實(shí)環(huán)境，在不同面積大小林窗設(shè)置氣象監(jiān)測點(diǎn)（圖2），監(jiān)測林窗光照度、空氣溫濕度、土壤溫濕度和降雨量等氣象要素，收集不同時(shí)間尺度的氣象數(shù)據(jù)，并以非林窗為對(duì)照。分析不同大小林窗和非林窗氣象因子之間差異性，氣象因子間相關(guān)性，衡量不同大小林窗氣象要素的空間異質(zhì)性，從不同大小林窗氣象因子角度，促進(jìn)學(xué)生理解森林微環(huán)境的作用過程。

圖2 林窗氣象環(huán)境實(shí)驗(yàn)?zāi)KFig.2 Experiment module of forest gap climate environment

2.2 土壤環(huán)境實(shí)驗(yàn)?zāi)K

林窗作為森林常見的干擾方式之一，也是土壤養(yǎng)分循環(huán)的重要驅(qū)動(dòng)力[18]。通過系統(tǒng)模擬土壤環(huán)境，設(shè)置林窗樣地（圖3），采用五點(diǎn)取樣法收集土壤樣品，利用高通量測序等多種實(shí)驗(yàn)方法測定土壤理化性質(zhì)、酶活性和土壤生物群落結(jié)構(gòu)，采用Pearson相關(guān)性分析土壤理化性質(zhì)、酶活性與土壤微生物間相關(guān)關(guān)系，對(duì)土壤理化性質(zhì)、酶活性和土壤微生物提取主成分，分析不同大小林窗對(duì)土壤環(huán)境的影響。

圖3 林窗土壤環(huán)境實(shí)驗(yàn)?zāi)KFig.3 Experiment module of forest gap soil environment

2.3 物種多樣性實(shí)驗(yàn)?zāi)K

林窗從形成到郁閉與生物多樣性有著密切關(guān)系，是森林群落物種共存和多樣性維持的基礎(chǔ)[19]。林窗面積及林窗群落類型產(chǎn)生的邊緣效應(yīng)，影響實(shí)際林窗和邊緣物種多樣性分布[9,20]。通過系統(tǒng)模擬設(shè)置林窗和非林窗樣地（圖4），基于胸徑（diameter at breast height，DBH）調(diào)查更新層（DBH＜1 cm）和喬灌層樹種（DBH≥1 cm）的種類、多度等，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算物種多樣性指標(biāo)。物種多樣性指標(biāo)包括α多樣性（物種豐富度Margalef指數(shù)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)）和β多樣性（Jaccard相似性指數(shù)和Bray-Curtis指數(shù)）指標(biāo)[9]。物種多樣性指標(biāo)采用動(dòng)畫或視頻形式對(duì)相關(guān)專業(yè)名詞講解，展示計(jì)算公式和計(jì)算過程。通過學(xué)習(xí)物種多樣性概念和計(jì)算過程，有效理解林窗環(huán)境下物種多樣性分布格局。

圖4 林窗物種多樣性實(shí)驗(yàn)?zāi)KFig.4 Experiment module of forest gap species diversity

2.4 林窗更新實(shí)驗(yàn)?zāi)K

林窗形成后直接改變光環(huán)境異質(zhì)性，調(diào)節(jié)森林小氣候[21]，為種子萌發(fā)和幼苗更新創(chuàng)造有利條件，是森林更新的重要場所[22]。林窗凋落物也會(huì)通過物理阻隔方式抑制植物種子萌發(fā)和幼苗生長，進(jìn)而影響更新[23]。因此，有必要開展林窗對(duì)森林更新的影響，揭示林窗對(duì)種子和幼苗更新的作用途徑和過程。系統(tǒng)設(shè)置不同大小林窗和非林窗，讓學(xué)生統(tǒng)計(jì)樣方中種子雨動(dòng)態(tài)變化，在第二年春季監(jiān)測種子庫動(dòng)態(tài)變化，統(tǒng)計(jì)植物出苗率、死亡率和生長狀況（圖5）。結(jié)合環(huán)境因子探討影響種子和幼苗更新的主要驅(qū)動(dòng)因子，并對(duì)未來樹種組成進(jìn)行分析和預(yù)測。該實(shí)驗(yàn)?zāi)K旨在評(píng)估森林更新格局，預(yù)測森林樹種更新動(dòng)態(tài)。

圖5 林窗森林更新實(shí)驗(yàn)?zāi)KFig.5 Experiment module of forest gap regeneration

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)應(yīng)用及效果

林窗形成后，林窗氣象環(huán)境、土壤環(huán)境與非林窗存在明顯差異，導(dǎo)致不同森林物種為爭奪資源和空間生態(tài)位而表現(xiàn)出不同的競爭強(qiáng)度，促使物種多樣性出現(xiàn)分化現(xiàn)象，進(jìn)而影響樹種幼苗生長情況，對(duì)森林更新具有重要作用[9]?！傲执皻庀蟓h(huán)境、土壤環(huán)境、物種多樣性和森林更新”成為近年來林窗干擾生態(tài)學(xué)研究的重點(diǎn)內(nèi)容，取得了豐富的成果。林窗是一項(xiàng)長期復(fù)雜的森林演替過程，形成需要經(jīng)歷數(shù)十年甚至上百年，導(dǎo)致長時(shí)間實(shí)驗(yàn)無法正常進(jìn)行；隨著實(shí)驗(yàn)復(fù)雜程度增加，林窗研究涵蓋多種前沿交叉學(xué)科，相關(guān)實(shí)驗(yàn)需要多學(xué)科合作共同開展。林窗干擾生態(tài)學(xué)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)受諸多因素的制約和實(shí)驗(yàn)周期長的限制難以觀察，如何將相關(guān)研究成果進(jìn)行可視化展示就成為學(xué)生提升自身能力的關(guān)鍵。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等新型技術(shù)，是一種全新的教學(xué)模式。福建省高校生態(tài)與資源統(tǒng)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，將其應(yīng)用于林窗干擾生態(tài)學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，針對(duì)4部分模塊構(gòu)建實(shí)驗(yàn)場景模型。林窗干擾生態(tài)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過系統(tǒng)地梳理和總結(jié)林窗氣象環(huán)境、土壤環(huán)境、物種多樣性和森林更新過程中的原理和方法，通過動(dòng)畫講解和仿真模擬操作的教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生掌握科學(xué)方法、提高科學(xué)素養(yǎng)和科研探索能力。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)集實(shí)物仿真、場景虛擬、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、智能指導(dǎo)為一體，具有良好自主性、交互性和可擴(kuò)展性，打破傳統(tǒng)教學(xué)模式在時(shí)間和空間上的限制，拓展了教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)的渠道，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力和綜合科學(xué)素養(yǎng)。

林窗干擾生態(tài)學(xué)是森林生態(tài)學(xué)和林學(xué)等學(xué)科重要的教學(xué)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)開展過程中，傳統(tǒng)教學(xué)以教師講授為主，輔以圖片、文獻(xiàn)圖表、野外調(diào)查和監(jiān)測等手段，學(xué)生互動(dòng)性和學(xué)習(xí)自主性不強(qiáng)。林窗虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)使學(xué)生在虛擬原始森林中進(jìn)行操作，將耗時(shí)長、上手困難的實(shí)驗(yàn)優(yōu)先通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)、動(dòng)畫教學(xué)、模擬操作、推導(dǎo)相關(guān)公式等步驟，讓學(xué)生切實(shí)掌握實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)和難點(diǎn)，做到實(shí)踐和理論相結(jié)合；后續(xù)開展林窗實(shí)際研究時(shí)，通過系統(tǒng)期末測試，保證學(xué)生在真實(shí)環(huán)境下對(duì)林窗有較好的理解。

林窗干擾生態(tài)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)最大限度地實(shí)現(xiàn)了林窗教學(xué)的直觀化和互動(dòng)性，突出學(xué)生的教學(xué)主體地位，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化翻轉(zhuǎn)課堂目的；將以教師為主體的傳統(tǒng)講授型向以學(xué)生為主體的研究型轉(zhuǎn)變，從而有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，促進(jìn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。同時(shí)，在實(shí)施過程中，虛擬仿真教學(xué)模式可根據(jù)不同的授課群體，包括教師教學(xué)定制、學(xué)生自學(xué)和公眾科普宣傳等，提供個(gè)性化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和訪問接入服務(wù)，有效推進(jìn)生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化建設(shè)，提升社會(huì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)和促進(jìn)生態(tài)文明知識(shí)傳播。