林學虛擬仿真實驗課程體系構建探索

尹艷豹，李鳳日，楊 光，鄭 紅

(東北林業大學 林學院，哈爾濱 150040)

0 引言

實驗教學是高等教育教學課程體系的重要組成部分。當前我國高等教育正處于以“質”為綱的信息化建設教育改革背景中。《教育信息化十年發展規劃(2011—2020)》中指明虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容[1]。教育部發布的《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》(教高〔2018〕2 號)中明確要開展國家級虛擬仿真實驗教學建設工作[2]。我國一流課程建設“雙萬計劃(2018.6)”實施方式中即有建成1 000項左右虛擬仿真“金課”(國家虛擬仿真實驗教學項目)的明確要求[3]。本文以提升林學專業人才培養質量、完善實驗教學體系為切入點，以東北林業大學林學院為例，對林學虛擬仿真實驗教學課程體系的構建與實踐進行研究，并探索多元化人才培養模式的改革之路。

1 教學資源積累

東北林業大學林學院實驗教學中心于2008年被批準為國家級實驗教學示范中心。目前面向林學國家一類特色專業、國家基礎科學研究和教學人才培養基地等12個本科專業提供教研服務，并承擔“林學類人才培養模式改革”國家教育體制改革試點項目、林學國家級卓越農林人才培養計劃等國家級改革項目。

第一，整合主干課程教學資源，開展教學資源開放共享。學院有森林與人類國家級視頻公開課，以及林木育種學、資源昆蟲學、保護生物學等國家級精品資源共享課程和多門省級校級精品在線開放課程。目前林學專業所屬63.2%的主干課程都已建設成為省級以上精品課程。相關的教學大綱、教案、習題、實驗指導、參考文獻目錄等資源網上開放，實現優質教學資源的共享。實驗教學中心近五年正式出版國家規劃教材、全國高等農林院校教材等各類教材共10余部，相關參考書12部，實驗實習教材17部，使用近三年出版的教材占本專業課程的73.7%。

第二，基于高水平科研成果，開發虛擬仿真教學資源，不斷完善實驗課程體系。如近年由科研成果轉化而來的典型實驗教學內容有：防護林體系空間配置與結構優化虛擬仿真實驗、林木工廠化育苗技術虛擬仿真實驗、天然林撫育技術虛擬仿真實驗、撲火指揮與機具使用虛擬仿真實驗、森林有害生物成災過程與蔓延模擬仿真實驗、樟子松人工林樹冠結構三維圖形可視化模擬、基于無人機遙感影像的三維森林景觀可視化、森林資源經營與監測虛擬仿真實驗、天然混交林隨機生長與演替模擬仿真、森林昆蟲形態特征虛擬仿真實驗、病理解剖虛擬仿真實驗、遙感森林水文作用動態過程建模和仿真等，更新實驗項目50余項。三年內大學生科技創新計劃校級以上立項41項，其中國家級創新項目18項，林學專業本科生在各類學術期刊發表論文51篇，榮獲第四屆全國高校GIS應用開發大賽二等獎3項，東三省數學建模聯賽一等獎3項等。目前學院已研發出多項具有自主產權的農林院校實驗教學新方法、新裝置，并通過校企合作的方式開展虛擬仿真實驗教學資源的研發及實驗教學項目共建，從而豐富了教學內容、拓展了學生的實踐領域。

2 實驗課程體系構建

2.1 建設理念

虛擬仿真實驗可以作為傳統野外實踐教學的補充，本著“能實不虛、虛實結合、相互補充”的建設思路，將優質教學資源與信息化技術集成，著力補充和強化實踐育人環節，提升實驗教學水平。虛擬仿真實驗項目采取自主研發或校企聯合開發形式，以近3.3萬公頃的校區教研用地和校外實習實驗基地為基礎進行數字資源開發，具有極高原創性且與教學實踐場地密切關聯。

2.2 實驗課程框架

虛擬仿真實驗是將先進的教學設施、豐富的教學內容有機結合在一起，集教學、實訓、考核、共享功能于一體。立足科教融合的工作思路，以林學國家級實驗教學示范中心為基礎，將實驗教學與科學研究、野外實踐和創新能力培養相結合，建立三層次、四平臺和四結合(“3+4+4”)的林學虛擬仿真實驗教學體系。三個層次虛擬仿真實驗模塊支撐10門學科基礎課，8門專業課，輻射其他10門專業課程，基本覆蓋了林學專業主干課程。

2.3 實驗項目設計

“基礎”虛擬仿真實驗以激發學生的專業學習熱情、夯實專業基礎為目的，與理論課相互配合，建成14個虛擬仿真實驗項目分別是：樹木(植物)數字標本、樹木形態特征虛擬仿真實驗、典型地質地貌的整段數字標本、土壤形態特征虛擬仿真實驗、林區暖風/冷鋒天氣模擬、森林昆蟲數字標本、森林昆蟲形態特征虛擬仿真實驗、森林昆蟲解剖虛擬仿真實驗、森林病理數字標本、病理解剖虛擬仿真實驗、全球碳循環模擬、資源競爭模型模擬、帽兒山虛擬林相、樹木枝條分形特征模擬。對應課程包括：樹木學/植物學、樹木學實驗、土壤與土壤資源學、土壤與土壤資源學實驗、森林氣象學、森林昆蟲學、林木病理學、森林生態學、測樹學。

“專業”虛擬仿真實驗主要解決林學專業的實際問題，本著“虛實結合、相互補充”的原則，服務于核心課的實驗教學，建設10個虛擬仿真實驗項目包括：林火行為虛擬仿真實驗、森林火災撲救方法虛擬仿真實驗、森林災害安全避險虛擬仿真實驗、樟子松人工林樹冠結構三維圖形可視化模擬、天然混交林隨機生長與演替模擬、遙感森林水文作用動態過程的建模和仿真、人工林造林技術虛擬仿真實驗、天然林撫育技術虛擬仿真實驗、基于無人機遙感影像的三維森林景觀可視化、林木工廠化育苗技術虛擬仿真實驗。對應課程包括：林火管理、森林經理學、濕地概論、森林培育學/經濟林育種與栽培學、森林培育學、景觀生態學、種苗學。

“創新訓練”虛擬實驗主要是培養學生創新精神與實踐能力。創建了13個虛擬仿真實驗項目包括：土壤剖面營養元素運移的模擬研究、三維地質建模與仿真實驗、森林氣象要素空間分布模擬實驗、氣象場差異對環境空氣質量的數值模擬、一次大氣污染物的大氣環流輸送規律模擬、森林有害生物成災過程與蔓延模擬仿真實驗、防護林體系空間配置與結構優化虛擬仿真實驗、森林資源經營與管護虛擬仿真實驗、撲火指揮虛擬仿真實驗、樟子松人工林空間結構優化及可視化模擬、森林可持續經營虛擬仿真實驗、東北典型森林土壤呼吸的模擬實驗、東北東部森林凈初級生產力的模擬實驗。對應課程包括：土壤與土壤資源學、森林氣象學、森林昆蟲學、森林生態學、林火管理、森林經理學、森林生態學。

3 教學成效

虛擬仿真實驗課程體系的建設為林學及相關專業教育資源升級、教學水平提升創造了條件，以下列舉幾方面應用效果：

第一，操作能力明顯增強。由于仿真實驗與傳統實驗相結合，學生動手操作實驗更加方便，激發出自主學習興趣，顯著提高學生的實踐能力。第二，創新能力明顯提高。學生自主進入虛擬仿真實驗，鍛煉了分析問題、解決問題的能力，更主動地思考。第三，學習積極性明顯增強。信息技術的體驗激發學生參與的興趣，變被動學為主動學。第四，就業適應能力明顯增強。通過虛擬仿真實驗教學，實現了書本知識和就業技能的實時銜接，畢業生更受企業歡迎。

4 前景展望

虛擬仿真實驗課程建設是高校信息化建設的重要內容和教學改革的必然方向[4]。西方一些發達國家大學給高年級學生開設高級虛擬實驗的經驗，證明此類實驗比傳統實驗更具有吸引力[5，6]。我國也有在傳統實驗教學基礎上增加了虛擬仿真實驗項目，學生對該課程的興趣、操作創新性、操作獨立性、知識理解程度均有明顯提升的報道[7]。東北林業大學林學專業虛擬仿真實驗課程建設符合人才培養目標，堅持優質教學資源共享，優勢學科科研反哺教學，最終提升教學效果，為其他專業虛擬仿真實驗課程建設做出了有益探索。