數(shù)字化標(biāo)本與虛擬仿真融合在森林保護(hù)專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

中圖分類號 G42.0；S76 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號 1007-7731(2025)09-0128-04

DOI號 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.09.028

Application of digital specimen and virtual simulation in Forest Protection teaching

WANG XiaoliWudabala ZHANG Yanru LIU Xueying ZHANG LiyanHAN Tuya JIANG Haiyal (College of Forestry，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot O10O19， China)

AbstractTocultivate highquality professionalsinthefieldof forest protection，thecurrent stateofdigital specimen and virtual simulation system development was explored，their effective integration into teaching practices for ForestProtection disciplines was investigated，and the methods for evaluating and providing feedback on teaching efctiveness were analyzed.Regarding development，physical specimensof insects and plant diseases canbe digitized to enableonline data diseminationand sharing.Virtual reality (VR)and augmented reality (AR) technologieswere utilized to simulate real-worldoperations and established virtual simulation systems.In terms of integratedapplication， the two tchnologies were combined and appliedto 3 teaching models: case-driven learning，project-based learning and practice，and interactive discussons.These approaches were exemplified through simulations of sampling，detection， andanalysis proceses forpine wilt disease，the designof pest monitoring and control projects，andtheuseof guiding or open-ended questions，highlighting the multidimensionaland highly interactive natureoftheteaching models.Interms of teaching efectivenessevaluationand feedback，basedontheeffctiveintegrationof twotechnologies，students' learning outcomes，learning participation，innovation andcolaboration abilitiesare evaluated，and good feedback evaluations are obtained from teachers and students.This study provides areferenceforthe reformof teaching inForest Protection and related disciplines.

Keywordsdigital specimen; virtual simulation; Forest Protection; pest monitoring

森林保護(hù)專業(yè)的開設(shè)對維護(hù)森林生態(tài)安全和生物安全具有重要意義。隨著林業(yè)生物災(zāi)害的發(fā)生情況越加復(fù)雜和頻繁，當(dāng)前，該領(lǐng)域面臨科技管理體制改革、科技創(chuàng)新、本科專業(yè)建設(shè)等方面的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[]。為此，該專業(yè)亟需加強(qiáng)科技創(chuàng)新，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，加強(qiáng)交流與合作。常規(guī)教學(xué)模式受時(shí)間和空間限制，難以滿足現(xiàn)代化教育需求，而數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展為該專業(yè)教學(xué)模式創(chuàng)新提供了新的可能，數(shù)字化標(biāo)本資源與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的融合應(yīng)用是其教學(xué)模式改革的重點(diǎn)。

將數(shù)字化標(biāo)本融入教學(xué)資源是數(shù)字化技術(shù)不斷進(jìn)步與更新的體現(xiàn)。梁小紅對標(biāo)本數(shù)字化在林學(xué)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，證明了標(biāo)本數(shù)字化可使標(biāo)本保存井然有序，便于科學(xué)管理和查找利用，有效提升了分類統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)共享效率，對提升教學(xué)效果和科研價(jià)值具有積極作用。梁亞萍等3研究發(fā)現(xiàn)，昆蟲數(shù)字化標(biāo)本具有直觀、方便、易于保存和分享等優(yōu)勢，是保護(hù)昆蟲標(biāo)本的有效方法和獲取昆蟲基礎(chǔ)知識、信息資源的重要途徑之一。數(shù)字化標(biāo)本資源的建設(shè)和利用為教育模式提供了新途徑，李朝霞等4對微生物學(xué)數(shù)字化智慧教育模式進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐，挖掘了該模式在提升教學(xué)質(zhì)量、促進(jìn)教育資源共享和教育公平方面的潛力。馬榮等5對林業(yè)有害生物標(biāo)本進(jìn)行影像采集和數(shù)字化處理，并將典型病害和害蟲標(biāo)本進(jìn)行二維碼標(biāo)識，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)本資源的數(shù)字化共享。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可直觀反映難以觀察到的現(xiàn)象或規(guī)律，達(dá)到人與虛擬系統(tǒng)的交互，有助于緩解常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式單一，教學(xué)內(nèi)容綜合性和探究性不足，以及實(shí)驗(yàn)周期長、操作復(fù)雜等問題。何虎軍等7構(gòu)建野外地質(zhì)實(shí)習(xí)虛擬仿真教學(xué)平臺，實(shí)現(xiàn)了“互聯(lián)網(wǎng) + ”野外地質(zhì)自主實(shí)踐學(xué)習(xí)研究及雙向互動式教學(xué)?；谏直Ｗo(hù)專業(yè)常規(guī)教學(xué)模式下存在的理論與實(shí)踐脫節(jié)、資源利用不足和學(xué)生參與度低等問題，數(shù)字化標(biāo)本資源和虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用為該專業(yè)教學(xué)模式的創(chuàng)新和人才培養(yǎng)提供了實(shí)踐案例，本文在森林保護(hù)專業(yè)教學(xué)中融合應(yīng)用數(shù)字化標(biāo)本和虛擬仿真技術(shù)，對二者建設(shè)現(xiàn)狀和應(yīng)用模式進(jìn)行探討，并分析教學(xué)效果評估與反饋的具體方法，提升了教學(xué)資源的可獲取性和課堂教學(xué)的互動性，加強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)的豐富度和直觀性。

1數(shù)字化標(biāo)本與虛擬仿真系統(tǒng)的建設(shè)現(xiàn)狀

1.1數(shù)字化標(biāo)本資源庫建設(shè)

數(shù)字化標(biāo)本資源在實(shí)踐教學(xué)中以數(shù)字化方式保存和利用圖像資料，解決教學(xué)形式和內(nèi)容受限等問題，增強(qiáng)視覺體驗(yàn)。森林保護(hù)專業(yè)教學(xué)的數(shù)字化標(biāo)本可將昆蟲、植物病害實(shí)物標(biāo)本通過數(shù)碼相機(jī)、高清晰度掃描儀或3D建模等設(shè)備或技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化處理，形成高清晰度圖像、電子文件或模型，或通過數(shù)字化平臺、多媒體教學(xué)資源將文本、圖像和動畫資源進(jìn)行收集、整理和整合，創(chuàng)建成可在線訪問的數(shù)字化標(biāo)本資源庫，實(shí)現(xiàn)標(biāo)本數(shù)據(jù)的在線發(fā)布和共享，訪問者可利用該線上平臺隨時(shí)隨地訪問數(shù)據(jù)資源，還可通過網(wǎng)絡(luò)上傳圖片進(jìn)行輔助對照或診斷；同時(shí)，數(shù)字化標(biāo)本還使易受損或難以長期貯藏的標(biāo)本在虛擬空間中得到保存和傳承。

借鑒高校和科研院開展和推進(jìn)的數(shù)字化標(biāo)本項(xiàng)目，特別是在植物標(biāo)本的數(shù)字化方面取得的成果開展相應(yīng)建設(shè)。例如，參考由中國科學(xué)院植物研究所維護(hù)、各大院校參與建設(shè)的在線共享平臺“國家植物標(biāo)本資源庫《中國數(shù)字植物標(biāo)本館》\"（https://www.cvh.ac.cn/），收錄涵蓋模式標(biāo)本和彩色照片的數(shù)字標(biāo)本；劉慧圓等開展植物標(biāo)本的數(shù)字化精度、采集時(shí)間和采集地區(qū)規(guī)律等研究，為繼續(xù)挖掘館藏標(biāo)本，加強(qiáng)信息共享提供參考。實(shí)現(xiàn)數(shù)字化標(biāo)本資源的共享和高效利用，需加強(qiáng)數(shù)字化建設(shè)、管理和更新，提升數(shù)據(jù)質(zhì)量，加強(qiáng)新技術(shù)引入和區(qū)域合作等。

1.2虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)有助于深化信息技術(shù)與教育教學(xué)的融合，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，推動實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和方式創(chuàng)新。利用虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)，模擬真實(shí)操作環(huán)境，讓學(xué)生在安全環(huán)境下實(shí)驗(yàn)，為其帶來身臨其境的深度學(xué)習(xí)體驗(yàn)，有助于提高學(xué)生的實(shí)踐操作技能，具有綠色、安全、可共享等優(yōu)勢[]。何虎軍等采用先進(jìn)的三維建模和可視化技術(shù)，通過背景模擬、野外場景真實(shí)再現(xiàn)、路線布設(shè)、實(shí)物標(biāo)本資源等仿真模塊單元的建設(shè)平臺，構(gòu)建了實(shí)景三維模型。這為模擬森林生態(tài)系統(tǒng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ吞峁┝诵碌乃悸罚缃ㄔO(shè)森林病蟲害的發(fā)生、發(fā)展和防治，以及森林火災(zāi)的撲救等單元模塊，通過模擬復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)問題，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中嘗試應(yīng)用不同的解決方案。韓麗瓊等[利用三維虛擬模擬技術(shù)建立森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估模型，通過致災(zāi)因子選取、評估模型建立、林火蔓延及林火行為演化、損失評價(jià)及災(zāi)后評估等環(huán)節(jié)，提高了教學(xué)互動性、趣味性，培養(yǎng)了學(xué)生的批判性思維和解決問題的能力。

此外，設(shè)計(jì)一個沉浸式和交互式的虛擬博物館，作為展示數(shù)字化標(biāo)本和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成果的平臺。該虛擬博物館能夠在超大范圍內(nèi)訪問和探索虛擬森林資源，體驗(yàn)者在虛擬環(huán)境中參與互動討論和觀看3D演示，為研究者和學(xué)習(xí)者提供更加直觀豐富和更具吸引力的互動學(xué)習(xí)體驗(yàn)[12]，為其深入理解和掌握森林保護(hù)專業(yè)知識提供高效平臺。

2技術(shù)融合在教學(xué)模式中的應(yīng)用探索

常規(guī)教學(xué)模式較為注重對理論知識的講授，對實(shí)踐操作的重視度有待提升，部分現(xiàn)有教學(xué)資源暫未得到充分利用，使得部分學(xué)生學(xué)習(xí)參與度和積極性不高，課堂有效互動較少。將數(shù)字化標(biāo)本與虛擬仿真技術(shù)有效融合并應(yīng)用于教學(xué)模式，設(shè)計(jì)更加豐富多樣的教學(xué)活動，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中獲得接近真實(shí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，有助于提高教學(xué)質(zhì)量與效果。將兩項(xiàng)技術(shù)融合應(yīng)用于案例驅(qū)動教學(xué)、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)與實(shí)踐、互動討論3種教學(xué)模式，具體如下。

2.1案例驅(qū)動教學(xué)法

在森林保護(hù)專業(yè)教學(xué)中，選取與數(shù)字化標(biāo)本資源相關(guān)的松材線蟲病等實(shí)際案例，講解病蟲害的生物學(xué)特性、診斷方法和防治措施等重要知識點(diǎn)，并充分利用高清圖片、3D模型、分布地圖和歷史數(shù)據(jù)等數(shù)字化標(biāo)本資源。實(shí)踐中，可將上述相關(guān)數(shù)字化標(biāo)本資源上傳至在線教學(xué)平臺，應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M松材線蟲病的采樣、檢測和分析過程[1]。依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺，在小蠹蟲數(shù)字化標(biāo)本資源庫基礎(chǔ)上構(gòu)建了“小蠹蟲發(fā)生規(guī)律\"的虛擬仿真模型，主要用于森林昆蟲學(xué)蛀干害蟲的講解教學(xué)，通過動畫形式展示小蠹蟲鉆蛀、取食、釋放性信息素招引配偶交尾和產(chǎn)卵等過程，并設(shè)置語音提醒和問答環(huán)節(jié)；讓學(xué)生利用該資源庫測試應(yīng)用不同防治技術(shù)、管理策略和干預(yù)措施的結(jié)果，并就結(jié)論進(jìn)行共享討論。此外，選擇與數(shù)字化標(biāo)本資源相關(guān)的實(shí)際案例，引導(dǎo)學(xué)生通過分析案例來理解專業(yè)理論知識，并應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行模擬操作，以提升學(xué)生的實(shí)踐操作能力。

2.2項(xiàng)目式學(xué)習(xí)與實(shí)踐法

通過設(shè)計(jì)解決實(shí)際森林保護(hù)問題的項(xiàng)目，利用數(shù)字化資源和虛擬仿真技術(shù)，進(jìn)行項(xiàng)目規(guī)劃、實(shí)施和評估，以培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維、團(tuán)隊(duì)合作精神和自主學(xué)習(xí)能力[13]。例如，設(shè)計(jì)關(guān)于某地某蟲害發(fā)生的監(jiān)測與防控項(xiàng)目，學(xué)生需先通過數(shù)字化標(biāo)本資源庫訪問相關(guān)資源，了解該地區(qū)此類蟲害的發(fā)生情況，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、分析和研究，明確項(xiàng)目實(shí)施的目標(biāo)、策略和方法，預(yù)期成果以及評估標(biāo)準(zhǔn)。借鑒昝慶安等[14關(guān)于煙蚜種群空間格局和取樣方法虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)自實(shí)踐，設(shè)計(jì)集昆蟲科普、用戶漫游、交互仿真、教學(xué)管理為一體的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括選擇工具、樣地，確定樣方、取樣位置，采樣，計(jì)算平均密度和樣本方差，判斷種群空間格局類型，選擇合適的抽樣方法，抽樣等步驟。學(xué)生根據(jù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，撰寫案例分析報(bào)告，通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)與實(shí)踐法，學(xué)生不僅能將理論知識應(yīng)用于實(shí)際問題的解決，還可顯著提升解決實(shí)際問題的綜合能力，為其從事森林保護(hù)工作奠定基礎(chǔ)。

2.3 互動討論法

利用在線教育平臺，創(chuàng)建一個互動討論和協(xié)作的學(xué)習(xí)環(huán)境，鼓勵學(xué)生就數(shù)字化標(biāo)本資源和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中的問題進(jìn)行討論。教師提出引導(dǎo)性問題或設(shè)計(jì)開放性問題，如“如何利用數(shù)字化標(biāo)本資源有效進(jìn)行森林生物多樣性監(jiān)測”“虛擬仿真技術(shù)在森林保護(hù)中的潛在應(yīng)用”，激發(fā)學(xué)生深入思考和討論。學(xué)生在交流和討論中發(fā)表觀點(diǎn)、辨析問題。同時(shí)，教師還可設(shè)計(jì)靈活的互動教學(xué)活動，如利用線上線下混合式課堂、翻轉(zhuǎn)課堂和虛擬現(xiàn)場考察等，提高教學(xué)質(zhì)量和效果。

上述3種教學(xué)模式可單獨(dú)使用，也可串聯(lián)整合、相互補(bǔ)充，形成全面互動的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，尤其基于數(shù)字化標(biāo)本和虛擬仿真技術(shù)的融合應(yīng)用，有助于突顯教學(xué)模式的多維度化和強(qiáng)互動性。

3技術(shù)融合下的教學(xué)效果評估與反饋

在數(shù)字化標(biāo)本和虛擬仿真融合教學(xué)模式下，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果評價(jià)是多維度過程，可從以下方面進(jìn)行分析和評價(jià)。

3.1 學(xué)生學(xué)習(xí)效果評估

3.1.1學(xué)習(xí)成果評估 一是測試?yán)碚撝R掌握程度。采用在線測試、卷面考試或?qū)嶋H操作等方式來評估學(xué)生對所學(xué)知識的掌握程度，包括對數(shù)字化標(biāo)本和虛擬仿真技術(shù)的理解。二是考核實(shí)踐技能應(yīng)用情況?？疾鞂W(xué)生使用數(shù)字化標(biāo)本和虛擬仿真平臺的熟練程度和操作能力，評估其在虛擬環(huán)境中將理論知識應(yīng)用于問題解決、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)操作等的能力；要求學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告或項(xiàng)目成果，評估其分析能力和創(chuàng)新思維。三是比較學(xué)生開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)前后的成績變化，或與常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的成績進(jìn)

行對比分析。

3.1.2學(xué)習(xí)參與度分析 一是利用學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)或虛擬仿真平臺的數(shù)據(jù)分析工具，追蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和成效，通過學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)（如登錄頻率、停留時(shí)間、互動次數(shù)等指標(biāo)）評估其學(xué)習(xí)參與度和活躍度。二是通過學(xué)習(xí)日志，分析學(xué)生在數(shù)字化標(biāo)本和虛擬仿真課堂中的自主學(xué)習(xí)態(tài)度和興趣，考核其主動探索、資料查閱和問題解決等能力。三是通過問卷調(diào)查、訪談或收集反饋等途徑，了解學(xué)生對數(shù)字化標(biāo)本和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課堂的體驗(yàn)和滿意度，以及調(diào)查其接受度和學(xué)習(xí)偏好。

3.1.3創(chuàng)新協(xié)作能力評估 一是通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、研究項(xiàng)目或案例分析報(bào)告來評估學(xué)生的創(chuàng)新思維，考察其在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中提出新觀點(diǎn)、新方法和解決問題的能力。二是考察學(xué)生在數(shù)字化標(biāo)本資源和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中的團(tuán)隊(duì)合作情況，包括溝通協(xié)調(diào)、分工合作、小組討論和團(tuán)隊(duì)成果共享等方面。

3.2 師生反饋評價(jià)

3.2.1教師層面 基于數(shù)字化標(biāo)本資源和虛擬仿真技術(shù)的融合應(yīng)用，不僅提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，更對教師教學(xué)能力提升產(chǎn)生了積極影響。教師不斷學(xué)習(xí)和探索新教學(xué)方法，提高了教學(xué)內(nèi)容的豐富性和多樣性，使教學(xué)更適應(yīng)信息時(shí)代的教育環(huán)境和需求。教師通過數(shù)字化標(biāo)本平臺快速獲取和展示大量教學(xué)資源，并將其高效整合后應(yīng)用于課堂教學(xué)實(shí)踐，增加與學(xué)生的互動并保持教學(xué)的時(shí)效性和相關(guān)性。通過虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，采用以學(xué)生為中心的教學(xué)模式，教師能夠更好地理解學(xué)生的學(xué)習(xí)需求以及面臨的挑戰(zhàn)，從而調(diào)整教學(xué)策略。

3.2.2學(xué)生層面 學(xué)生對數(shù)字化標(biāo)本資源和虛擬仿真技術(shù)的融合應(yīng)用給予了高度評價(jià)，認(rèn)為多樣化的教學(xué)模式使學(xué)習(xí)變得更加直觀、生動和有趣。參與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，有助于激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣和提高參與度，實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新思維得到了有效鍛煉，學(xué)習(xí)效率有所提高，能夠更深刻地理解森林保護(hù)中的實(shí)際問題。

綜上，本文深入探討了數(shù)字化標(biāo)本資源和虛擬仿真系統(tǒng)的建設(shè)現(xiàn)狀，對其在森林保護(hù)專業(yè)教學(xué)模式中的融合應(yīng)用進(jìn)行探索。二者的融合應(yīng)用不僅突破了常規(guī)教學(xué)模式在時(shí)間和空間上的限制，而且提升了教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和發(fā)展，教學(xué)團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)探索創(chuàng)新森林保護(hù)專業(yè)教學(xué)模式，進(jìn)一步與環(huán)境科學(xué)、生態(tài)學(xué)等學(xué)科相結(jié)合，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和解決復(fù)雜問題的能力。同時(shí)，建立持續(xù)有效的評估與反饋機(jī)制，加強(qiáng)資源共享，為培養(yǎng)森林保護(hù)領(lǐng)域的創(chuàng)新型人才提供參考。

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(責(zé)任編輯：楊歡)