經(jīng)濟林樹體栽培管理虛擬仿真實驗的建設與應用

伊力塔，王正加，梅 麗，張 敏，夏國華

(浙江農(nóng)林大學林學類國家級實驗教學示范中心，杭州 311300)

經(jīng)濟林現(xiàn)代化栽培能力一直是林學、經(jīng)濟林等專業(yè)的核心實踐技能[1-2]。在栽培中普遍存在幼年期長、樹體高大、栽培管理不便等問題，栽培管理環(huán)節(jié)技術因素多、歷時長、成本高。為此，基于以往的實驗教學方法很難實現(xiàn)全過程教學，教學效果不佳。為破解這一難題，依托國家科技進步獎二等獎“南方特色干果良種選育與高效培育關鍵技術”的核心成果，基于浙江農(nóng)林大學虛擬仿真實驗教學中心平臺，以山核桃樹體栽培管理為例開發(fā)了虛擬仿真實驗項目(http://zafu.owvlab.net/virexp/ggzp)，并具備軟件著作權(登記號2019R0886041)。

1 項目建設

1.1 目的意義

在經(jīng)濟林現(xiàn)代化栽培過程中，精準樹體栽培管理是提升產(chǎn)量與品質(zhì)的關鍵因素，自然也成為實踐教學的關鍵環(huán)節(jié)；但在樹體栽培管理中由于存在經(jīng)濟林樹種樹體高大、生長周期長、危險性高、重復性差、品質(zhì)因素復雜等技術難點，教學實踐中很難在短時間內(nèi)系統(tǒng)完成全部的栽培管理實驗內(nèi)容，從而導致學生不易有效獲得樹體栽培關鍵技術的知識能力。

本實驗教學項目以南方特色經(jīng)濟樹種山核桃(Caryacathayenisis)為例，重建了樹體栽培管理的完整過程，濃縮了栽培管理的時間，避免了安全風險和隱患，提高了交互實驗的可操作性，使學生能夠系統(tǒng)深入學習和掌握經(jīng)濟樹種栽培全過程，顯著提升學習興趣，有效激發(fā)學習欲望，為培養(yǎng)經(jīng)濟林產(chǎn)業(yè)應用復合型人才提供有效支撐[3-4]。

1.2 關鍵思路

1.2.1 良種選擇是經(jīng)濟樹種豐產(chǎn)的重要因素

良種是將通過省級以上審(認)定的優(yōu)良品種(浙林山1號、浙林山2號、浙林山3號)，抗病性強、豐產(chǎn)性好，產(chǎn)量穩(wěn)定，堅果品質(zhì)優(yōu)良，通過嫁接在親和性好、適應性廣的砧木上形成良種嫁接苗，保證了造林后良種結實早、抗性強、品質(zhì)優(yōu)良等特點。由于山核桃實生苗童期長、抗性差，因此在生產(chǎn)上以湖南山核桃或薄殼山核桃為砧木山核桃，培育山核桃種嫁接苗，可實現(xiàn)縮短童期、提高抗性、優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)的目的。

1.2.2 造林密度與樹體管理對產(chǎn)量的影響

在經(jīng)濟林培育過程中，不同的栽培密度與樹體管理密切相關。造林密度低，林地透光透氣性好，樹體管理簡單，單株產(chǎn)量高；造林密度高，林分透光透氣性差，樹體管理成本高，影響產(chǎn)量。因此，通過調(diào)控林分密度，加強樹體管理促進林分生產(chǎn)力，最大發(fā)揮其效益(表1)。

表 1 密度與樹體管理對產(chǎn)量的影響

1.2.3 整形修剪是形成合理的樹形結構關鍵

樹體管理可直接影響光能利用率，通過科學合理的修剪方法，可充分發(fā)揮其生物學特性，實現(xiàn)早果、優(yōu)質(zhì)和豐產(chǎn)的目的。因此，合理分析和制訂不同條件下的樹體結構，對栽培管理具有重要意義。

1.2.4 適時適法采收是提高經(jīng)濟效益的保障

成熟期采收可保證產(chǎn)量與品質(zhì)。以山核桃為例，果實成熟期在9月上中旬，采收過早，降低果仁飽滿度和油脂含量，不但影響當年的產(chǎn)量、質(zhì)量和效益，還可能進一步影響來年產(chǎn)量；如采收過遲，果實已脫落而未能及時撿收，也會造成損失。

1.3 主要內(nèi)容

項目建設具體內(nèi)容包括了解樹種生態(tài)習性，良種選擇，良種嫁接苗培育，良種苗起苗技術，良種苗運輸，造林地選擇，造林地整理與挖穴，造林密度選擇，定植，定干，幼林與成熟林樹形培養(yǎng)，幼林與成熟林肥水管理，果實適時適法采收，密度選擇與產(chǎn)量關系，密度選擇與效益關系的項目框架見圖1。

圖 1 項目框架Figure 1 Framework

關鍵操作交互如下：(1) 苗木選擇與預期造林效果。了解良種嫁接苗、普通嫁接苗與實生苗造林后預期效果(圖2)。(2) 造林整地模式與密度選擇。了解不同地形應選擇不同的造林整地方法，進而可影響苗木的種植密度(圖3)。(3) 整形修剪方法與實操訓練。了解常用的修剪方法，并讓學生了解通過系統(tǒng)修剪可達到的整形目的(圖4)。(4)水肥科學管理與實操訓練。利用交互性操作讓學生了解科學的肥水管理方法及其對產(chǎn)量的影響(圖5)。(5) 科學采收與采收效果。掌握采收方式、采收時間及其對產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[5-6](圖6)。

圖 3 造林密度選擇Figure 3 Selection of afforestation density

圖 4 整形修剪分層及樹形Figure 4 Stratification and tree shape

圖 5 水肥管理Figure 5 Water and fertilizer management

圖 6 采收方式Figure 6 Harvesting methods

最終通過交互操作讓學生了解密度調(diào)控和樹形交互對產(chǎn)量的影響，從而掌握系列配套技術提高產(chǎn)量的科學方法，最終實現(xiàn)最佳栽培方式；并通過系統(tǒng)設計自動隨實驗成績獲得等級判斷(優(yōu)秀、良好與合格)，表明學生知識掌握的準確度(圖7)。

圖 7 產(chǎn)量預測及效益Figure 7 Yield prediction and performance

以山核桃樹體栽培管理涉及的核心要素進行虛擬仿真，有效支撐學生深入了解以山核桃為代表的南方特色干果樹種栽培完整流程，系統(tǒng)掌握正確的密度選擇和種植方法，熟練應用山核桃樹體栽培管理過程中苗木定干、整形修剪、肥水管理等技術對樹體結構、經(jīng)濟產(chǎn)量等的影響。

2 建設實踐成果

2.1 創(chuàng)新教學方法

堅持“學生中心、問題導向、學科融合、創(chuàng)新實踐”的教學理念，基于成果導向(OBE)設置多層次實驗教學設計，建立了“一核五式”實驗教學方法，即在實驗過程中以OBE教學模式加強學生實踐能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)為“主核”，設置自主式、層進式、交互式、支架式、反思式教學設計“五式”，具體如下：

(1)實驗前：自主式。結合課程理論知識，學生可根據(jù)興趣自主選擇練習章節(jié)；在此模式下，學生自由選擇規(guī)范練習模式或自主設計練習模式。通過模擬練習或自主設計，不但鞏固了基礎知識也提高了創(chuàng)新能力。(2)實驗中：層進式。學生在沉浸式虛擬環(huán)境中操作，在操作中學習，在學習中層進，從良種選擇、良種苗培育、起苗、運輸、定植、肥水管理到果實采收全過程，在每個過程中設置過關題和知識點，既能學到樹體栽培管理的技術要點，又能通過適量的考核來衡量學生的選擇正確與否，使學生在虛擬的環(huán)境中體會到真實的感覺。交互式。在強化練習中，學生與線上教師進行互動提問與答疑；也可與虛擬場景、各類材料和物體實時互動，進行操作練習。系統(tǒng)具有錯誤提示、正確操作提示和自動評價的功能，學生通過人機交互的方式，實現(xiàn)邊練習、邊學習、邊調(diào)整，錯誤和不足之處及時得到改正和補充。(3)實驗后：支架式。“練習模式”和“考核模式”均從數(shù)據(jù)庫中隨機出題及自動評分，能夠自動生成可追溯實驗全過程的記錄，便于學生及時了解與掌握學習進程，進行自我糾錯；教師也能夠通過后臺看到每個學生的實驗操作，并且通過個性化、差異化的出題模式考核每個學生，線上教師與學生進行互動提問與答疑，引導學生的實驗操作。反思式。實驗操作結束后，自動形成實驗報告，學生可以反思自己的全部操作，并對自己掌握的情況做出評價。學生可根據(jù)評價結果和興趣，反復進行實驗操作，進而提高學習效果。此外，線下學生可利用校內(nèi)實踐基地，可進行修剪操作，上傳相關信息至本項目數(shù)據(jù)庫，教師對學生的實際操作進行點評，學生之間相互點評，實現(xiàn)了師生互動與生生互動。

2.2 實施效果顯著

(1)提供了綜合實踐條件。利用虛擬仿真平臺實訓手段，實現(xiàn)由單一基礎技術到各種技術綜合應用的實訓訓練。力求體現(xiàn)林學專業(yè)的實際應用及發(fā)展的趨勢，體現(xiàn)先進性、前瞻性、實用性、可操作性及示范性。切實提高學生的實際操作能力和分析解決問題的綜合能力，使得純知識性的教學與培訓變得更加生動和形象，從而真正掌握現(xiàn)代林業(yè)技術[7]。

(2)滿足了深度學習需求。通過虛擬仿真教學軟件的應用，讓學生課前、課中和課后在系統(tǒng)流程引導下根據(jù)自己學習進度進行有針對性地學習，同時可反復熟練強化操作技能的訓練，而不受他人限制[8]。同時系統(tǒng)可根據(jù)學生學習狀況幫助學生生成最優(yōu)化的學習路徑，通過智慧學習方式，讓學生能直觀、快速、便捷地掌握經(jīng)濟林栽培應用技能。

(3) 構建了產(chǎn)業(yè)接軌平臺。教學互動滿足相關課程的理論與實際相結合的教學要求，滿足教師與學生互動式教學的需要，以達到提高學生實訓效率及效果的目的。學生的實踐操作環(huán)境與產(chǎn)業(yè)接近，有利于行動導向教學的實施，營造的虛擬與現(xiàn)實的實訓環(huán)境不僅提高了學生的專業(yè)素養(yǎng)，還提高了學生的專業(yè)情懷，使其更快地融入林業(yè)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)實踐。

(4) 實現(xiàn)了教學資源共享。項目資源不僅惠及林學專業(yè)的師生，還支持了我校其他相近專業(yè)的虛擬仿真實驗教學需求。南京林業(yè)大學、云南農(nóng)業(yè)大學、福建農(nóng)林大學等兄弟院校相關專業(yè)引進了該虛擬仿真實驗教學項目。

3 結語

在“新農(nóng)科”建設背景下，針對卓越農(nóng)林人才培養(yǎng)應具備的特征，林學類相關專業(yè)實踐教學環(huán)節(jié)應以加強實踐創(chuàng)新能力和主動思維為主線，通過虛擬仿真技術，可以實現(xiàn)在實驗不同環(huán)節(jié)中培養(yǎng)學生自主運用知識，發(fā)現(xiàn)并解決問題以及實施創(chuàng)新設計能力。另外，針對新時期產(chǎn)業(yè)需求主動設置實驗課程用人單位反饋機制，將有利于學生與產(chǎn)業(yè)實踐充分接軌，形成基礎驗證、綜合實踐、創(chuàng)新開放充分結合，構建多層次多維度實踐教學平臺，通過本實驗項目能得到系統(tǒng)有效地訓練，提升學生實際操作水平[9-10]。