面向“卓越农林工程师”培养的林学专业虚拟仿真实验教学探索
面向卓越农林工程师培养的林学专业虚拟仿真实验教学探索
虚拟仿真技术是运用计算机，借助相应的系统模型，对假想的或实际的系统进行相关动态试验的一种新技术，有助于解决抽象与现实之间相互关联的问题。随着虚拟仿真技术的发展、高等学校课堂及实验教学中向着网络化、智能化、互动化方向发展，将虚拟仿真技术引入实践性较强的专业教学成为亟待解决的问题，近几年在电子、机械、计算机网络、医学等虚拟仿真实践教学中取得了显著成果。目前，在与林业领域相关的专业实践教学中，东北林业大学和福建农林大学虚拟仿真技术应用于森林工程的实践教学中，模拟林区真实作业场景，包括森林采伐、集材、运材和贮木场作业等过程，学生可以通过3D操作模拟和演练林区真实作业情景，在森工规划教学中具有显著优势。可见，通过虚实结合，融入智能化、信息化的要素，可进一步提升实践教学质量。
一、专业虚拟仿真实践教学平台建设提出的背景
卓越农林人才教育培养计划是落实国家教育规划纲要、全面提高高等农林教育人才培养质量的重要举措，2014年批准立项了首批改革试点项目，包括拔尖创新型、复合应用型、实用技能型3类人才培养模式改革项目。广西大学林学专业获得首批复合应用型卓越农林人才教育培养模式改革试点项目，为林学专业人才培养模式改革提供了新的发展契机，完善技能综合训练的实践教学体系、开发虚拟仿真教学平台是卓越农林工程师人才培养模式改革的重点之一。在教师的指导下进行以林业工程项目为背景的活动，对于周期长、危险性大、成本较高的实验，鼓励教师与学生共同开发虚拟仿真实验项目，通过多媒体、人机交互、数据和网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，达到教学大纲所要求的教学效果。
二、林学专业虚拟仿真实践教学平台建设的必要性
1. 数字林业发展的需求
广西作为我国重要的人工林培育基地，具有得天独厚的优势。采用计算机技术、信息技术和 3S技术相结合，实现信息化、智能化和自动化，突破传统的教学实习方法，虚拟仿真林木培育、生长过程，动态模拟森林资源规划设计调查、资源规划调查空间数据数字化、造林与伐区设计等生产实践活动，针对部分实验长周期性、偶然性、危险性等不足与局限，建设广西人工林资源培育与利用虚拟仿真实验教学中心，解决、弥补真实实验的不足之处，提高学生的实践操作水平和能力。
2. 林木生长周期长，真实实验不能看到林木生长的动态过程
由于林业生长存在周期长，学生不能看到真实实验中种植的林木的后续生长情况，在校期间不能完整地看到树木的整个树木的生长及采伐加工过程。而且当前的实体实验缺乏一致性与连续性，甚至有些实验是孤立的，如造林实验，需要设置不同的密度，但是学生进行实验的时候，只能按到实验指导书的要求进行不同密度的造林实验，课程教学时间只能一个学期，但不同密度对森林培育及后续林木生长的影响，学生看不到。
3. 森林资源监测与评价的实训活动成本高
传统的森林资源调查方法主要是调查人员走到森林中去实地调研，速度慢，精度差，不能满足数字化林业的发展需求。目前现代3S技术和无人小飞机模拟操作已应用到森林资源调查与管理，对林业大数据信息进行批量处理、动态模拟。但是获取林业调查在大数据及无人飞机的使用成本高，且森林资源调查耗时较长，受教学经费与学时的限制，不能开设无人飞机操作实验。虚拟仿真实验可以通过虚拟无人飞机操作方法与过程，与遥感技术相结合，学生通过虚拟的方法完成调查的过程，解决了森林调查实验高成本的难题。
三、专业虚拟仿真实践教学的建设思路
1. 林学虚拟仿真实践教学内容的整合
随着现代林业的发展，越来越需要多种专业知识的综合应用。例如，森林资源管理与监测技术包含测量学、数据库应用、测树学、森林经理学、遥感与地理信息系统等多门课程，由于各门课程相互独立授课，学生的实验或实习只能完成森林资源管理与监测技术中很少的内容，没办法将各门课程的知识点和内容综合应用到森林资源管理与监测技术中。通过森林资源管理与监测技术模拟，可以完整模拟一个县或一个林场的森林资源数据的建立与管理，使学生掌握数字林业的建立与管理，适应林业发展的需求。通过教学内容可视化演示和开放式虚拟实践，使学生实践情境中寻求解决问题的方案，全面地融会贯通森林培育与经营课程体系。
2. 林学虚拟仿真实践教学实验教学模块
（1）构建森林资源经营虚拟仿真实验体系。森林培育技术虚拟仿真实验教学内容：①林木工厂化育苗技术仿真：对林木组织培养以及容器育苗等技术环节进行模拟操作，再通过虚实结合，使学生系统地掌握现代林木育苗技术，提高动手能力。②人工林造林技术仿真：学生在虚拟场景下操作造林规划设计、林地清理、整地、施肥、栽植等生产过程，与课堂教学进度相呼应，有利于加强学生对造林技术环节的理解，激发学生的学习兴趣和积极性，达到实训实践的目的。
森林资源管理与监测技术虚拟仿真实验教学内容：①森林资源调查技术仿真：通过模拟三维场景，综合应用地形图、遥感图像进行小班区划、林分因子调查，使学生掌握森林资源规划设计调查的过程。②森林资源管理与监测技术仿真：通过森林资源管理与监测技术模拟，可以完整模拟一个县（林场）森林资源数据的建立与管理，包括空间数据与属性数据的获取与建立，资源统计、管理与变更，使学生能够掌握数字林业的建立与管理，适应林业发展的需求。
（2）基于案例教学法教学模式的虚拟仿真实验教学探索与应用。林学专业的课程实践性和综合性很强，应用技术较多，在有限的课时中仅通过课堂教学难以让学生理解与掌握相关的理论基础知识，同时还会削弱学生的学习积极性。因此，应树立以学生为本的观念，深刻认识学生在教学活动中的主体地位，充分运用多媒体教学手段，紧扣不同的教学内容，选取与林业生产实用技术密切相关的内容，与虚拟仿真实验相结合，通过案例教学为学生提供直观学习和实际操作的机会，使学生所学的理论知识在实践过程中得以应用，同时通过案例教学将理论知识讲授与实验教学环节很好地衔接，帮助学生理解教学内容，巩固学生的基础知识，激发学生的学习兴趣。通过不断完善、创新教学模式，提高课程教学质量和教学效果。
（3）将林业企业生产实践活动与虚拟仿真实验教学有机结合。组织学生参与林业的育苗、造林及森林经营的生产实践活动，并引入到相关知识点的教学中，尽可能使虚拟仿真实验教学与课程理论教学的同步，有助于学生理解理论知识，并在适宜的季节开展林业生产实践活动，促进学生对知识点的理解与掌握，提高学生的学习积极性，巩固课程理论知识，从而掌握林业生产实用技术。
3. 林学虚拟仿真实践教学方法的改革
在设立的虚拟仿真实践教学项目中，学生在虚拟仿真实验教学中可自主掌握实践操作的时间，完成实践环境和实践过程模拟、人机界面交互、实践结果总结评价等过程，以操作灵活的实践交互方式得到实践操作指导；而教师以策划教学内容、引导学习方向、创设学习情景、解答学习疑难、监控学习过程、配置学习资源、评估学习效果为主。实践教学不再局限于有形的实践上，森林培育和经营管理环节的实践空间和时间得到扩展和延伸，为学生训练提供可移动的虚拟教学场所，教师可以及时掌握学生的学习情况，对学生的学习能力做出正确的评判，提高教学质量和辅导效率。
基于网络的虚拟仿真实验，改变了传统的实验教学模式，且不受设备、场地、经费、时空的限制，是真实实验的补充和扩展，有助于学生全面系统认识林木育苗、森林培育、森林资源监测与管理等一系列的知识。并将林木组培技术、育苗技术、高产栽培技术、珍贵树种培育技术、林地落界和林地保护规划、森林资源规划设计调查、森林资源规划调查空间数据数字化、森林资源与林地变更数据库等广西重大林业调查规划设计及编制横向科研项目的成果充实到虚拟仿真实验数据库中，为开发虚拟仿真实验项目提供丰富的素材，将其应用于教学过程，实现虚实结合，提高教学效果。虚拟仿真实验的三维、动态、交互操作模式提高了学生的学习兴趣，激发了学生的学习积极性，有利于林学专业学生对专业知识的掌握、对林业行业性质的理解及其实际操作能力的提升，对于提高学生的职业素养和综合能力，推动教学手段、方法和内容的改革具有重要意义。