林木良種多圃配套育苗技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與建設(shè)

王 君 康向陽 張柏林 胡冬梅 孫宇涵

(北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

加強(qiáng)種業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)，建設(shè)種業(yè)強(qiáng)國，是保障國家糧食安全、生態(tài)安全和農(nóng)林業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的根本。“林木遺傳育種學(xué)”是林學(xué)專業(yè)的核心必修課程，也是現(xiàn)代林木種業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)[1]。林木良種生產(chǎn)是“林木遺傳育種學(xué)”課程的重要實踐內(nèi)容，對于林木種業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)至關(guān)重要。然而，林木良種優(yōu)質(zhì)苗木的生產(chǎn)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，由苗圃營建與管理、幼化復(fù)壯、多圃配套、圃地輪轉(zhuǎn)等一系列環(huán)節(jié)組成，整個循環(huán)過程需要歷時3～5年，且操作難度大、成本高、土地資源消耗量大。顯然，對于林學(xué)專業(yè)的學(xué)生而言，他們很難在有限的學(xué)習(xí)時間和現(xiàn)有的實習(xí)條件下高質(zhì)量地完成相關(guān)實踐內(nèi)容。

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來，高度集成虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)的虛擬仿真實驗教學(xué)在國內(nèi)外高校教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用和認(rèn)可[2]。通過構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實驗，能夠?qū)崿F(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能，從而達(dá)到教學(xué)所要求的認(rèn)知和實踐效果。因此，為提升課程學(xué)習(xí)效果、縮減實踐時間、節(jié)約實踐成本，北京林業(yè)大學(xué)林木遺傳育種教學(xué)團(tuán)隊基于“以學(xué)生為中心”“以問題為導(dǎo)向”的教學(xué)理念，堅持“能實不虛、以虛補實”的建設(shè)思路，結(jié)合林學(xué)一流學(xué)科建設(shè)要求和現(xiàn)代林木種業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)宗旨，依托朱之悌院士所取得的國家科技進(jìn)步二等獎成果“毛白楊多圃配套系列育苗技術(shù)”，整合近些年相關(guān)研究進(jìn)展，設(shè)計并建設(shè)了“林木良種多圃配套育苗技術(shù)虛擬仿真實驗”，顯著提升了學(xué)生對林木良種生產(chǎn)技術(shù)相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)效果，并順利入選了2018年度“國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目”?，F(xiàn)將該虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計和建設(shè)情況進(jìn)行總結(jié)，并對林木遺傳育種學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)體系的建設(shè)提出建議，以進(jìn)一步完善現(xiàn)代林木遺傳育種實驗教學(xué)體系，從而為林業(yè)領(lǐng)域更多虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)提供借鑒。

一、開展林木良種多圃配套育苗技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)的必要性

(一)是推進(jìn)林學(xué)一流學(xué)科建設(shè)的重要舉措

北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)學(xué)科是首批入選“世界一流學(xué)科”建設(shè)名單的學(xué)科，“林木遺傳育種學(xué)”是林學(xué)學(xué)科重要的二級學(xué)科之一，也是林學(xué)專業(yè)的核心課程。因此，加強(qiáng)“林木遺傳育種學(xué)”課程建設(shè)對于推進(jìn)林學(xué)一流學(xué)科建設(shè)具有重要意義。同時，為深入貫徹《中國教育現(xiàn)代化2035》實施方案，教育部在2019年印發(fā)了《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見》(教高[2019]8號)，明確指出實施一流本科課程“雙萬計劃”，建成萬門左右國家級和萬門左右省級一流本科課程，其中包括認(rèn)定1 500門左右國家虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程。因此，將虛擬仿真實驗教學(xué)與“林木遺傳育種學(xué)”課程建設(shè)相結(jié)合，形成具有北林特色的林木良種多圃配套育苗技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)體系，推動現(xiàn)代“林木遺傳育種學(xué)”課程教學(xué)改革，建設(shè)國家級一流本科課程，將會為北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)一流學(xué)科建設(shè)提供有效支撐。

(二)是培養(yǎng)現(xiàn)代林木種業(yè)創(chuàng)新人才的時代需求

2012年，國務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)林木種苗工作的意見》(國辦發(fā)[2012]58號)，要求全面提升林木種苗良種化水平，爭取到2020年我國主要造林樹種良種使用率達(dá)到75%以上。2013年國務(wù)院辦公廳發(fā)布《關(guān)于深化種業(yè)體制改革 提高創(chuàng)新能力的意見》(國辦發(fā)[2013]109號)，提出深化種業(yè)體制改革，提高創(chuàng)新能力，并要求重點突破種質(zhì)創(chuàng)新、新品種選育、高效繁育等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的核心技術(shù)，提高種業(yè)科技創(chuàng)新能力[3]。顯然，新時代中國特色社會主義的林業(yè)發(fā)展需要具有創(chuàng)新能力的現(xiàn)代林木種業(yè)人才。當(dāng)前，現(xiàn)代信息技術(shù)的高速發(fā)展也為林木種業(yè)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)注入了新動能。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、計算機(jī)數(shù)碼動畫及三維建模等現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用于“林木遺傳育種學(xué)”課程教學(xué)，使不同學(xué)科交叉融通，建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)課程體系，提高知識的傳播效率和廣度，是林學(xué)高等教育發(fā)展的重點方向之一，也是培養(yǎng)現(xiàn)代林木種業(yè)創(chuàng)新人才的時代需求。

(三)是完善林木遺傳育種學(xué)實訓(xùn)體系的重要內(nèi)容

作為一門實踐性很強(qiáng)的科學(xué)，“林木遺傳育種學(xué)”實訓(xùn)體系主要包括課程實驗和教學(xué)實習(xí)。近年來，通過不斷開展教學(xué)改革，“林木遺傳育種學(xué)”的課程實驗已逐漸形成了以室內(nèi)和室外相結(jié)合的半開放式實驗教學(xué)模式。實驗內(nèi)容包含了細(xì)胞遺傳學(xué)、群體遺傳學(xué)、分子標(biāo)記輔助育種、雜交育種、倍性育種、遺傳變異分析等內(nèi)容，知識覆蓋面廣、關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，而且以學(xué)生自主設(shè)計和創(chuàng)新性實驗內(nèi)容為主，充分激發(fā)了學(xué)生對“林木遺傳育種學(xué)”課程的學(xué)習(xí)熱情，顯著提升了學(xué)生獨立思考、分析問題、解決問題以及團(tuán)隊協(xié)作的綜合能力[4-6]。同時，依托河北省承德市平泉縣七溝林場國家油松良種基地，開展了油松母樹林調(diào)查、優(yōu)樹選擇與收集、初級無性系種子園遺傳變異觀察、子代測定與遺傳參數(shù)估算、種源試驗等實習(xí)，較為全面地了解了針葉樹的良種生產(chǎn)策略和油松種子園發(fā)展現(xiàn)狀[7]。然而，由于學(xué)時數(shù)和實習(xí)經(jīng)費的限制，學(xué)生對于闊葉樹種良種生產(chǎn)技術(shù)的相關(guān)知識僅能通過課堂和書本進(jìn)行理論學(xué)習(xí)，這種學(xué)習(xí)形式不利于學(xué)生對幼化復(fù)壯、圃地輪轉(zhuǎn)、苗圃營建等重要技術(shù)環(huán)節(jié)的理解。因此，在現(xiàn)階段條件下充分利用虛擬仿真實驗教學(xué)手段，加強(qiáng)闊葉樹良種多圃配套生產(chǎn)技術(shù)的實習(xí)教學(xué)，對進(jìn)一步完善林木遺傳育種學(xué)實訓(xùn)體系是非常有必要的。

二、林木良種多圃配套育苗技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的總體設(shè)計

林木良種多圃配套育苗技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)對育苗技術(shù)的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行了動態(tài)仿真，為課程教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)提供了一個交互式的用戶環(huán)境，能夠加強(qiáng)學(xué)生對知識點的理解和掌握。

(一)林木良種多圃配套育苗技術(shù)虛擬仿真實驗門戶頁面

當(dāng)前，學(xué)生在虛擬仿真實驗室內(nèi)或系統(tǒng)開放狀態(tài)時在連網(wǎng)的環(huán)境下，打開瀏覽器，輸入實驗項目網(wǎng)址http://jwc.bjfu.edu.cn/xnfz/index.html，點擊“林木良種多圃配套育苗技術(shù)虛擬仿真實驗”，進(jìn)入林木良種多圃配套育苗技術(shù)虛擬仿真實驗門戶頁面(見圖1)，可以查看教師簡介、實驗名稱、實驗?zāi)康?、所屬課程、實驗方法與步驟、實驗要求以及實驗介紹視頻等信息。

圖1 林木良種多圃配套育苗技術(shù)虛擬仿真實驗門戶頁面(部分截圖)

(二)林木良種多圃配套育苗技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺登錄管理

在門戶頁面點擊“開始實驗”按鈕，即可進(jìn)入虛擬仿真實驗教學(xué)平臺登錄頁面(見圖2)。對校內(nèi)參與課程的學(xué)生而言，其登錄賬號和密碼將于后臺錄入后分發(fā)給學(xué)生。而校外使用該系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)的用戶，需提前進(jìn)行注冊，并經(jīng)授權(quán)使用后方可登錄系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)。

圖2 林木良種多圃配套育苗技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺登錄界面

(三)林木良種多圃配套育苗技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺功能架構(gòu)

教學(xué)平臺主要設(shè)置了實驗預(yù)習(xí)、實驗演示、實驗考核、實驗報告和問卷調(diào)查5個模塊(見圖3)。①實驗預(yù)習(xí)模塊主要包括實驗?zāi)康?、實驗原理、操作步驟、注意事項等內(nèi)容。學(xué)生在進(jìn)行實驗前，應(yīng)先進(jìn)行預(yù)習(xí)，掌握基本知識點和操作方法，并在該模塊中完成預(yù)習(xí)考核，同時需經(jīng)教師提問考核合格后方可進(jìn)行實驗操作。②實驗演示模塊主要是基于學(xué)生在了解實驗原理的基礎(chǔ)上，對實驗內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)。在文字、圖像或聲音等信息的指引下，學(xué)生通過人機(jī)交互，一步一步地完成整個實驗過程。在這一過程中，學(xué)生通過教師指導(dǎo)和自主學(xué)習(xí)，掌握實驗內(nèi)容和相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)操作。③實驗考核模塊主要是對學(xué)生的實驗操作進(jìn)行考核。在實驗考核模塊中，沒有系統(tǒng)操作提示，學(xué)生需要根據(jù)時間進(jìn)度、苗木的生長狀況以及系統(tǒng)給出的事件，完成相應(yīng)的操作，以保證苗木的正常生長和規(guī)?；a(chǎn)。④實驗報告模塊主要用于學(xué)生實驗報告的管理和提交。學(xué)生完成實驗考核后，根據(jù)學(xué)生實驗操作情況，后臺會自動記錄學(xué)生的得分，并記錄下學(xué)生的整個操作過程，用于在系統(tǒng)中形成實驗報告。同時，系統(tǒng)將自動整理出實驗內(nèi)容的正確操作流程以及學(xué)生的實際操作流程，便于學(xué)生通過對比發(fā)現(xiàn)自己操作過程中存在的問題，有利于保證實驗學(xué)習(xí)質(zhì)量。此外，學(xué)生需要在報告模塊中撰寫實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗操作、實驗心得和建議等內(nèi)容，完成實驗報告，提交后生成pdf文件，任課教師可集中下載實驗報告后進(jìn)行評閱，學(xué)生也可下載進(jìn)行存檔。⑤問卷調(diào)查模塊主要是在實驗學(xué)習(xí)完成后，學(xué)生填寫問卷調(diào)查表，便于教師收集學(xué)生對該虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的反饋，為進(jìn)一步改進(jìn)實驗內(nèi)容、修復(fù)系統(tǒng)缺陷提供參考。

圖3 林木良種多圃配套育苗技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺界面(部分截圖)

此外，教學(xué)平臺還設(shè)置了“答疑室”，主要用于系統(tǒng)遠(yuǎn)程開放時，任課教師便于對學(xué)生學(xué)習(xí)過程中存在的教學(xué)內(nèi)容各知識點和操作環(huán)節(jié)的問題進(jìn)行線上答疑。

三、林木良種多圃配套育苗技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)

(一)核心知識點的設(shè)計

無性繁殖在林木良種生產(chǎn)中具有顯著優(yōu)勢，是速生豐產(chǎn)林良種生產(chǎn)的最佳方式。林木良種多圃配套育苗技術(shù)的實質(zhì)就是讓學(xué)生系統(tǒng)地掌握合理規(guī)劃圃地，利用無性繁殖技術(shù)實現(xiàn)林木良種的大規(guī)模、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，并將品種復(fù)壯技術(shù)貫穿于良種生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，以防止無性繁殖過程的品種退化。因此，在林木良種多圃配套育苗技術(shù)虛擬仿真實驗中，筆者設(shè)計了5個核心知識點：①無性繁殖林木良種生產(chǎn)的意義；②林木良種無性繁殖的常用方法和操作；③無性繁殖過程的品種退化現(xiàn)象及其原因；④品種復(fù)壯的主要技術(shù)措施；⑤多圃配套育苗技術(shù)的圃地組成及其配套聯(lián)動策略。每個核心知識點在教學(xué)過程中又可進(jìn)一步細(xì)化，形成完整的林木良種多圃配套育苗技術(shù)知識體系。

(二)虛擬場景的搭建

與其他在實驗室內(nèi)完成的實驗內(nèi)容不同，林木良種多圃配套育苗是一個大場景的實驗操作過程，必須依托育苗基地才能完成。因此，為了與實際生產(chǎn)更加接近，該虛擬仿真實驗場景的搭建以與北京林業(yè)大學(xué)林木遺傳育種學(xué)科合作多年的河北威縣國家楊樹良種基地為參考，通過將虛擬仿真技術(shù)與毛白楊接穗、根段、幼苗、儀器設(shè)備、基本工具等大量的3D建模結(jié)合，再現(xiàn)了毛白楊多圃配套育苗的真實場景(見圖4)，還原了采穗圃、砧木圃、繁殖圃、根繁圃和組培生產(chǎn)線的操作全過程，重點展示了各圃地的營建與管理、“一條鞭”和“炮捻”嫁接繁殖技術(shù)、根蘗苗復(fù)壯技術(shù)、嫁接苗培土換根技術(shù)、組培快繁技術(shù)等一系列多圃配套育苗關(guān)鍵技術(shù)，使學(xué)生盡可能真實地感受并學(xué)習(xí)實際生產(chǎn)中的林木良種多圃配套育苗過程，從而獲得良好的學(xué)習(xí)體驗。

圖4 采穗圃苗木生長場景

(三)人機(jī)交互環(huán)節(jié)的構(gòu)建

虛擬仿真實驗的實質(zhì)是學(xué)生以計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)為媒介，在高度仿真的虛擬環(huán)境下基于人機(jī)交互信息開展實驗，能夠?qū)φ鎸崒嶒灢痪邆浠螂y以完成的實驗內(nèi)容加以學(xué)習(xí)，從而達(dá)到教學(xué)所要求的認(rèn)知能力和實踐學(xué)習(xí)效果。因此，人機(jī)交互環(huán)節(jié)的設(shè)計對于能否取得良好的學(xué)習(xí)效果至關(guān)重要。林木良種多圃配套育苗技術(shù)虛擬仿真實驗設(shè)計了大量的人機(jī)交互操作步驟，包括采穗圃建圃材料的選擇、采穗圃苗木“截頂”與“平茬”、砧木圃建圃材料的選擇、砧木的“抹芽”“一條鞭”和“炮捻”嫁接、繁殖圃苗木“培土換根”、根繁圃“根蘗”出苗、組培生產(chǎn)線“接種”“繼代”“生根”“煉苗”“移栽”以及各圃地功能輪轉(zhuǎn)等核心操作環(huán)節(jié)，充分保障了實驗操作的完整性和系統(tǒng)性，為學(xué)生在虛擬仿真環(huán)境下全面掌握林木良種多圃配套育苗的專業(yè)知識提供了良好的學(xué)習(xí)條件。

(四)教學(xué)成效及系統(tǒng)使用情況反饋體系的建設(shè)

教學(xué)反饋環(huán)節(jié)是任課教師了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況、提高教學(xué)效果的重要途徑。林木良種多圃配套育苗虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)分別針對學(xué)生學(xué)習(xí)情況反饋、實驗系統(tǒng)交互友好性反饋和遠(yuǎn)程開放問題反饋3個方面，設(shè)計了完善的教學(xué)成效及系統(tǒng)使用反饋環(huán)節(jié)，包括實驗報告、問卷調(diào)查和在線答疑等。任課教師通過評閱學(xué)生撰寫的實驗報告，結(jié)合自動生成的實驗操作記錄，可以有效地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài)以及對知識的掌握程度；同時，通過問卷調(diào)查了解并統(tǒng)計學(xué)生們對實驗內(nèi)容的設(shè)置、實驗系統(tǒng)的操作性以及系統(tǒng)運行的建議和意見；此外，利用在線答疑及時解決系統(tǒng)遠(yuǎn)程使用過程中產(chǎn)生的各種問題，從而保障教學(xué)活動的順利開展。

四、林木遺傳育種學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)體系持續(xù)建設(shè)的建議

林木良種多圃配套育苗技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)為林木遺傳育種學(xué)，乃至林學(xué)相關(guān)專業(yè)的虛擬仿真實驗教學(xué)體系建設(shè)積累了一定的經(jīng)驗。然而，對于眾多的林學(xué)實驗而言，這也僅僅是其中的一例。

(一)科學(xué)借鑒，持續(xù)建設(shè)林木遺傳育種學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容

要進(jìn)一步加強(qiáng)林木遺傳育種學(xué)實驗教學(xué)體系建設(shè)，鞏固林學(xué)一流學(xué)科建設(shè)成效，一方面，需要不斷總結(jié)目前林木良種多圃配套育苗技術(shù)虛擬仿真實驗的使用評價，持續(xù)更新和完善實驗內(nèi)容和教學(xué)系統(tǒng)；另一方面，需要繼續(xù)爭取建設(shè)經(jīng)費，開發(fā)林木種質(zhì)資源收集與評價、林木倍性育種、林木細(xì)胞工程育種、林木基因工程育種等虛擬仿真實驗內(nèi)容，從而率先建成較為系統(tǒng)、完善的林木遺傳育種學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)體系，提升教學(xué)效果，更好地培養(yǎng)學(xué)生的林木種業(yè)創(chuàng)新能力。

(二)合理規(guī)劃，加強(qiáng)虛擬仿真教學(xué)實驗室等硬件設(shè)施建設(shè)

虛擬仿真實驗的開設(shè)為學(xué)生進(jìn)行線下、遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)提供了良好的條件，學(xué)習(xí)效果有了明顯提升。然而，由于學(xué)生的計算機(jī)配置、所處的網(wǎng)絡(luò)條件以及系統(tǒng)并發(fā)數(shù)等均可能對教學(xué)體驗產(chǎn)生影響，因此，為了保證更好的教學(xué)效果，對有條件的院校和單位，建議建設(shè)獨立的虛擬仿真實驗運行服務(wù)器和實驗室或教學(xué)中心等營建設(shè)施，為學(xué)生提供更佳的學(xué)習(xí)環(huán)境，并為未來升級虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)教學(xué)預(yù)留空間。

(三)加強(qiáng)開放共享，促進(jìn)林木遺傳育種學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用

林木良種多圃配套育苗技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)擺脫了傳統(tǒng)理論課程多媒體教學(xué)的束縛，克服了實驗條件和課程學(xué)時對實驗教學(xué)開展的限制，極大地延伸和拓展了教學(xué)手段，提高了教學(xué)效果。當(dāng)前，北京林業(yè)大學(xué)還應(yīng)積極借助林學(xué)一流學(xué)科建設(shè)的契機(jī)，組建全國林學(xué)類專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)發(fā)展聯(lián)盟，加大與各兄弟院校對口院系及相關(guān)機(jī)構(gòu)的資源共享和交流合作，舉辦虛擬仿真實驗技能大賽，吸引更多本科生和研究生參與到虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)建設(shè)中，并面向社會提供崗前培訓(xùn)和考核服務(wù)，全面促進(jìn)林木遺傳育種學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)在高等教育和社會服務(wù)中的推廣應(yīng)用。

資助項目：北京林業(yè)大學(xué)教育教學(xué)研究重點項目——“林木遺傳育種”虛擬仿真實驗課程建設(shè)與教學(xué)實踐，項目編號BJFU2020JYZD011；北京林業(yè)大學(xué)一流學(xué)科建設(shè)項目“林學(xué)本科專業(yè)核心課程——林木遺傳育種學(xué)創(chuàng)新教學(xué)條件提升”，項目編號2019XKJS0103。