虛擬仿真技術在樹木學實踐教學中的應用初探

段一凡 李垚 李蒙 方炎明

[摘 要] 樹木學是高等農林院校林學、生態學等專業的重要基礎課，也是一門實踐性很強的課程。針對傳統樹木學實踐教學中存在的山高路險、受天氣影響大、實習成本高等問題，探索將虛擬仿真技術融入其中，自主開發了黃山亞熱帶森林類型觀察與樹種探究虛擬仿真實驗系統。通過介紹實驗系統的目的、主要知識點、模塊設置、主要步驟、考核方法及特色優勢，以期有利于傳統樹木學實踐教學的有益延伸與拓展，有助于提升整體教學效果。

[關鍵詞] 樹木學;虛擬仿真;實踐教學

[作者簡介] 段一凡（1984—），男，河南淮陽人，理學博士，南京林業大學生物與環境學院副教授，主要從事樹木學研究。

[中圖分類號]? G642.0 ? ?[文獻標識碼] A? [文章編號] 1674-9324（2021）39-0132-04? ? [收稿日期] 2021-05-18

一、引言

樹木學既是高等農林院校林學、生態學等本科專業必修的專業基礎課，也是一門實踐性很強的課程[1]。課程的核心內容包括森林類型認知、樹木識別、樹種特性和利用價值，是相關專業學生必備的業務能力。從20世紀40年代開始，樹木學先輩陳嶸教授、鄭萬鈞教授等開始在中央大學、金陵大學講授樹木學課程，歷經數十年的傳承發展至今。從20世紀80年代開始，黃山、天目山、武夷山等亞熱帶山區的樹木學實踐教學一直是南京林業大學樹木學課程教學的重要組成部分。而多年的教學實踐證明，該實踐項目是必要且需要堅持的。根據校友的反饋，樹木學實習是學生在校期間最有興趣的課程之一，而樹木野外識別是工作后非常重要而有用的技能。

總結多年的樹木學野外實踐教學，筆者發現其中存在一些亟待解決的問題：（1）學生實習經過高山險路時，人身安全風險高;（2）實踐教學多在黃山等亞熱帶山區進行，經費成本高，遇到雨天，嚴重影響野外作業;（3）林木生長周期長、分布廣，森林面貌和樹木器官形態因季節而變化，短暫的實習期很難觀察到這些變化。因此，傳統樹木學實習存在一定的局限性，使之很難適應新時代林業對森林生物多樣性保護的綜合需求。

虛擬仿真技術（Virtual Simulation Technology）是通過計算機系統創建一個虛擬世界（Virtual World）。虛擬世界可以是現實世界的再現或者是構想的世界，用戶可以通過視覺、聽覺、觸覺等多種感官方式在虛擬世界形成直觀性、交互性和沉浸式體驗[2，3]。虛擬仿真技術的出現為有效解決傳統樹木學實踐教學中存在的問題提供了重要契機。本文擬結合筆者團隊自主開發的“黃山亞熱帶森林類型觀察與樹種探究”虛擬仿真實驗系統，初探虛擬仿真技術在樹木學實踐教學中的應用，以期將其作為傳統樹木學實踐教學的延伸與拓展，虛實結合，打破時空限制，提高教學效果。

二、虛擬仿真實驗設計

（一）實驗目的

1.基于在線輔助工具，構建低安全風險、低成本的虛擬森林環境，使學生了解環境對森林類型的影響，掌握黃山森林群落的組成、結構及垂直分布規律。

2.虛實結合，整合野外現場形態認知方法與室內實驗方法，多途徑探究黃山森林優勢樹種的形態特征與變異式樣，牢固掌握樹種辨別的科學方法與鑒定技能。

3.突破時空和天氣限制，在虛擬環境中還原黃山森林的季相變化，再現優勢樹種的葉花果物候與形態變化，全方位認知與探究森林和樹種的科學方法。

4.認知與解析珍稀瀕危保護樹種案例，有效利用在線珍稀瀕危保護樹種資源，樹立正確的生態文明觀。

（二）實驗主要知識點

1.黃山森林類型垂直分布的特征。黃山地理位置、海拔、氣候帶等背景;黃山森林類型垂直分布示意;不同森林類型的垂直分布情況。不同森林類型分布的海拔區域：400～1000m為常綠闊葉林;1000～1400m為常綠落葉闊葉林;1400～1600m為落葉闊葉林、黃山松林;1600～1860m為落葉矮林灌叢林。

2.不同森林類型的特征。以常綠闊葉林為例，觀察常綠闊葉林四季植被的外貌，通過植被季相外貌可以判別不同森林的類型。常綠闊葉林主要樹種的科屬組成有樟科、殼斗科、山茶科、冬青科、山礬科等。常綠闊葉林的結構有灌木層、中下喬木層和大喬木層等。

3.樹種形態特征習性。常綠、落葉與喬木或灌木等性狀的觀察與判別。樹皮：樹皮不裂與縱裂等性狀的觀察與判別。葉形態：單葉與復葉，以及對生或互生等性狀的觀察與判別。葉邊緣：中部以上有疏齒（全緣及中部以上有疏齒、先端有1～2對鋸齒、葉緣有鋸齒、波狀鋸齒、芒狀鋸齒、羽狀分裂等性狀的觀察與判別）。葉背：有平伏白色單毛，老時漸脫落，常有白色鱗秕等性狀?；ㄐ螒B：柔荑花序、總狀花序、圓錐花序、傘形花序等性狀的觀察與判別。果：堅果、核果、蒴果、蓇葖果等性狀的觀察與判別。雄花序類型：柔荑花序（頭狀花序與柔荑花序性狀的觀察與判別）。雄花序狀態：雄花序下垂（直立、下垂性狀的觀察與判別）。果形態觀察。殼斗包被方式：殼斗碗狀，半包住堅果（包著堅果底部、半包著堅果、全包著堅果等性狀的觀察與判別）。殼斗小苞片：小苞片同心環帶（殼斗平滑、刺形、條形、瘤狀突起等性狀的觀察與識別）。堅果：每個殼斗中有堅果1枚。3D模型形態觀察，代表種青岡的果實和殼斗的三維模型，包括殼斗形態、包被方式、小苞片、同心環帶、堅果形狀與數量、柱頭宿存情況等形態特征。

4.樹種地理分布規律。主要樹種館藏標本收集與整理情況，主要樹種的中國各省地理分布情況。

（三）實驗主要模塊

1.實驗簡介模塊。此模塊主要包括實驗背景、實驗目的、實驗原理、實驗內容及要求、實驗流程等。

2.基礎實驗模塊。此模塊主要用于學生在了解實驗原理和基本實驗內容的基礎上，對黃山不同海拔森林類型及其代表性樹種的葉、花、果形態進行學習，并熟悉檢索表的使用。通過虛擬場景模擬和人機交互，掌握森林類型觀察和樹種探究的基本方法。