虛擬仿真技術在花卉學實驗教學中的應用研究

摘" 要：信息技術對教育發展產生了革命性影響。花卉學是一門應用性、實踐性都極強的涉農學科，實驗課程場地豐富、周期長且不可控因素多，天然具有適合建設虛擬仿真項目的優勢。文章通過探討虛擬仿真技術與溫室設計、無土栽培、切花采后處理等花卉學實驗教學結合，不僅可以延伸理論教學，彌補傳統實驗課程中存在的缺陷，還能借助先進的軟件開發和三維顯示技術為現代化實踐教學改革增添動力。

關鍵詞：虛擬現實技術；花卉學；實驗教學

中圖分類號：G642" "文獻標識碼：A" " 文章編號：1673-7164（2024）05-0157-04

一、虛擬現實技術特征與理念

虛擬現實技術（Virtual Reality，VR）屬于現代科學信息技術的一種 ，以計算機為核心，利用手機、電腦等工具將人工智能、多媒體技術、仿真技術、圖形技術等元素結合起來，生成三維虛擬場景和環境，輔以聲光電等展示手段，使參與者仿佛身處聽覺、觸覺、視覺甚至嗅覺等融合的虛擬現實場景［1］。因其具有沉浸性、交互性和構想性等特點，虛擬現實技術被更為廣泛地應用到實驗和實訓的課程之中［2］。

基于虛擬現實技術的沉浸式教學能夠營造出具有互動性的教學環境。采用3D技術結合實物資源和網絡資源對仿真教學環境的特征和屬性進行構建，同時引入時間維度，設計時間動態變化，根據時間變化對虛擬現實中的事物進行改變，營造出良好的教學環境，開發多模型、互動性好的教育教學資源［3-5］。虛擬現實技術在教育領域的推廣與應用，促進了教學成果從知識的傳授到能力提升的轉變，實現了教學手段的更新和教學效果的提高，彌補了傳統的園林專業實驗教學中場地不便、教學周期短、學生個體差異等不足，為我國的教育發展注入了新活力。

二、花卉學實驗教學中應用虛擬現實技術的優勢

（一）豐富教學手段

教師在基于課程大綱、分析學情的基礎上，利用虛擬現實技術，將項目化的具體步驟、所用資源、設計原則以及評價體系教學案例作為背景，知識以活化的形態融入其中。學生則置于全方位、多角度的虛擬場景中，可以與各種類型的空間環境進行“感知—行為”循環式互動，并且可以根據自身需要任意切換場景或視角，達到及時反饋、合理強化的目的，以其靈活性為教育實驗課程的自主探究提供了可能性。

（二）活躍課堂氣氛

虛擬場景的展現具有直觀性，學生通過虛擬現實技術感受三維沉浸式教學，使其沉浸在虛擬場景之中，彌補以往教具缺乏情境化體驗效果的不足。學生可以直觀、高效地體驗和感受園林植物在不同環境以及栽培條件下的生長狀況，提高學生的學習熱情，提升專業實踐的廣度與深度。學生利用手勢交互代替鼠標、鍵盤的交互，可實現從模糊的理性認知上升到感性認知，形成以學生為主導的交互式課堂。

（三）有利于激發學生的開放性思維

虛擬現實技術具有沉浸性、交互性以及構想性的特點，所以可以將書本中的概念進行可視化、具體化、形象化處理，轉化為直觀的虛擬動態形式，幫助學生直觀地領會實驗要點。虛擬現實技術的引入還可以激發學生的求知欲，有利于學生將注意點和興趣點關注在實驗過程中，有利于邏輯思維和創新能力的提升。在傳統花卉學實驗教學中，學生的實驗成果只能獲得教師的單向反饋。通過“觀察者—敘事者—旁人”多重角度設計，使學生可以在不同場景獲得多角度的反饋，有利于進一步完善和理解實驗。

三、基于虛擬現實技術的花卉學實驗課程

通過走訪調查、資料收集、歸納分析、方案設計、實踐檢驗、反饋完善流程，建立花卉學虛擬仿真實驗教學平臺。虛擬現實技術再現實驗教學課堂情境，使學生進行人機交互，產生沉浸感和參與感，有助于建立低成本、全景式、形象化教學實驗情景，克服實驗教學過程中由片段化、抽象化、高成本造成的教學實驗難題，有利于知識、技能、理念的具體化展現和多樣化傳播，拓展實踐教學的廣度和深度，使學生更好地開展學習。有助于相關實驗課程教學的內容優化和教學質量提升，彌補花卉學實驗教學中植物材料繁多，天氣環境制約、實驗場地多樣，周期跨度長等各種條件的限制［6］。

（一）溫室設計案例

溫室設計課程包括溫室類型的選擇、溫室設置地點的選擇以及溫室的平面布局和間距設計等，通過學習使學生具備溫室建筑設計、結構設計以及施工管理能力［7］。傳統的溫室設計教學方式大多通過三維模型以靜態形式展示，無法全方面、多角度還原溫室的狀況。而基于虛擬現實技術的溫室設計實驗，可以在課堂上展示置身于一個真實的景觀之中進行學習［8］，使學生沉浸式體驗溫室設計的空間、色彩、結構、尺度、質感等細節。

通過虛擬現實技術對溫室設計的整體概念、框架以及施工進行真實模擬，可以迅速將各個元素組合起來，對溫室設計整體進行反復推敲。在設計的每個階段，系統識別輸入的各個元素的參數，進行圖形和景觀的模擬，從多個角度充分表達溫室實際情況和整體設計效果。首先，根據所涉及的自然氣候條件、花卉種植的種類、生產方式及規模，選擇不同類型和結構的溫室。學生可以通過虛擬現實平臺，將自己設計的中小型溫室的造型、構造、材質、體量和空間等要素虛擬呈現，使學生更進一步感受不同地區、不同應用類型的溫室之間的差異，從而加深對不同生產需求溫室的理解。其次，還能對視角選擇進行模擬，如人視步行、鳥瞰飛行等不同角度觀察。學生需要根據溫室用途對設置地點進行選擇，觀賞性溫室和實驗研究性溫室時一般遵循就近原則，而生產性溫室則可遠可近。在鳥瞰俯視視角下，學生從空中看到整體地形、地貌、水源、交通等地理情況，因地制宜地進行溫室設計，從整體角度分析規劃設計的可行性和合理性。間距設計方面，大規模溫室群需要盡可能集中。學生根據當地的緯度、溫室走向模擬出溫室的投影長度，從而設置最合理的間距。最后，利用虛擬現實技術模擬溫室設計施工，打破工程施工現場工期長、高危險的問題。

（二）無土栽培案例

無土栽培實驗常規的實驗課程由栽培設施構建、花卉擴繁、花卉栽培管理、花卉生產技術等模塊構成，對學生動手能力的要求很高。而傳統實驗教學的場地和環境僅限于實驗室環境，受實驗環境的影響，使得實驗指導內容通常比較單調。教學內容以學生操作完成實驗為主，需要進行大量的實踐訓練，而傳統教學方式不能滿足學生對知識點的系統掌握。基于虛擬仿真技術，模擬構建栽培設施，設計完備的栽培系統，包含環境模擬、材料模擬、水肥模擬、設施監控模擬以及花卉栽培管理等要素，通過教師、學生以及虛擬仿真系統的互動，進行沉浸式實驗以增強學生參與感，有助于學生對于無土栽培的操作的學習，從而達到實驗教學的預期目標。

無土栽培虛擬仿真系統以設施栽培環境為原型， 設置花卉無性繁殖、花卉栽培管理、花卉豐產技術的實踐操作實驗模塊。學生需要基于植物的生物學特性及其功能特點進行實驗，操作中需根據植物生長環境以及每個階段的生長狀態完成交互選擇，篩選適合的栽培措施，系統根據所輸入的參數進行實驗結果的解析和反饋。在栽培設施構成模塊中，學生需要根據實驗需求選擇栽培設施類型以及結構，還需根據外部環境情況，使用設施調控系統調節設施內環境。無性繁殖模塊，以扦插繁殖為例，學生需要根據具體的植物材料，對基質合理配比并混合均勻，選擇植物的再生能力強的營養器官，進行生根處理，并進行扦插培育。在設施栽培管理模塊中，需要對扦插的植物材料進行定植，根據系統的自然環境模擬，進行水肥管理以及必要的病蟲害防治。早產、豐產栽培技術模塊，學生需要對植株進行必要整形與修剪，在充分了解植物的特性以及生長習性基礎上，進行整枝處理、綁扎與支架、剪枝、摘心與抹芽等處理，以達到生產中的早產、豐產。

（三）花期調控案例

花期調控是花卉學中最重要的實驗內容之一。運用虛擬現實技術營造的虛擬環境，可全方位地展示花期調控中各時期花卉的形態，引導學生進行花期調控的基本操作，既能加深學生對花期調控理論知識的理解和記憶，了解花卉花期調控的基本操作和技能，又很好地解決了花期調控時間長、設備要求高等難題。

花期調控的技術途徑主要包括一般園藝措施、溫度處理、光照處理、植物生長調節劑處理等。首先，學生需要根據不同花卉的生長發育特性，選擇其中一種途徑或多種途徑出發，制定花期調控計劃。一些園藝外科措施對花期有重要影響，在此模塊中，學生可以在虛擬環境中進行修剪、抹芽、摘心等操作，搭配合理的水肥調節，實現茉莉、香石竹、倒掛金鐘等花卉在一年中多次開花。在溫度和光照處理模塊，學生需要根據花卉休眠特征或者其光周期現象，調節虛擬溫室中的溫度以及光照時長，調控越冬休眠、越夏休眠、長日植物、短日植物等花卉的花期。在植物生長調節劑處理方面，學生可以選擇不同調節劑配置不同濃度、不同配比的處理劑來處理一些常見的花卉，虛擬環境中的花卉隨處理劑的不同而快速反饋出不同的表現，學生可以在不斷地試驗中得出適宜的濃度或配比。

以牡丹冬季促成栽培為例，首先學生在虛擬環境中的合適月份將牡丹挖出、上盆，移入虛擬氣候室，經過一系列溫度調控及時間跳轉，完成牡丹的生根、芽休眠解除、萌芽誘導、開花誘導，之后進行模擬補光和抹芽操作，在此過程中牡丹不斷跟隨學生的操作而進入不同的生長發育時期，與此同時學生還需要完成在風鈴期涂抹赤霉素，圓桃期噴灑葉面肥等操作，最終在虛擬環境中的冬季，甚至可以將時間具體到春節前后看到牡丹開花。此訓練在解決了時間和設備困難的基礎上，能使學生掌握花期調控的基本操作，還可以使其更切身地感受到花期調控的重要作用。

（四）切花采后處理案例

切花采后處理實驗常規的課程主要包括花材的采切、花材的貯藏以及花材保鮮三個模塊。切花采后處理實驗教學是一門交叉學科，內容龐雜，所涉及的知識點多，應用性強。由于花卉產品季節性和地域性的限制，要求學生短時間內熟練掌握采后分選、機械冷藏、保鮮劑配比等操作技術，因此單靠傳統的教學，不能達到理想的教學效果。因而借助虛擬現實技術，可以更好地提高學生對花卉產品采切或貯藏環節中涉及的各項指標、參數以及操作過程中細節的理解。

切花采后處理虛擬仿真實驗教學系統主要包含花材的采切、花材的貯藏以及花材保鮮三個模塊。在虛擬仿真實驗中，學生通過對模擬對象、虛擬環境的參數進行設置，實驗結果將得到快速反饋，虛擬仿真系統有效解決了切花采后處理實驗中周期長、條件多、設備效率低下等缺點，能使學生在有限的空間與時間內全方位、多層次地了解切花采后處理條件對于切花品質的影響。

在花材的采切方面，以虛擬苗圃為原型，學生通過交互系統進行花材采切，以增強對于采摘時間的把握。在這個模塊，學生需要根據不同花卉種類開放度和開放速度的不同，選擇合適的采切期。例如，香石竹、唐菖蒲、晚香玉等，學生需要在蕾期進行采切，而菊花、郁金香則需要選擇在完全開花之后進行剪切。在花材的貯藏模塊，學生可以選擇冷藏、氣調貯藏以及減壓貯藏三種方式。以花材氣調貯藏為例，在不同花材貯藏的虛擬仿真腳本制作中，重點強調不同氣體對花材耐貯性的作用效果，由于不同花材對不同組成比例氣體的反應不同，學生可以通過設置不同氣體的比例參數增強花材的耐貯性。花材保鮮模塊，虛擬仿真系統對不同花材的植物體內水分、營養、植物激素等含量和成分進行模擬，進行漸進式的變化，花材的質構、色澤也會隨之變化，學生則需要根據數據的變化選擇相應的保鮮劑，以達到切花保鮮的目的。

四、總結

花卉學實驗虛擬仿真課程的設立，符合國家培養服務地方經濟的園林人才戰略需求。園林專業教育為園林行業輸送大量人才，應緊跟國家發展戰略需求，順應教育現代化、信息化發展趨勢。利用虛擬仿真等技術推進教育改革，使學生能夠在虛擬仿真環境中應用所學的專業知識。花卉學虛擬仿真課程的設立，引入虛擬物理引擎為學生創造與真實場景一致的情景，有效解決了園林植物生長周期長，學生難以實時觀察植物動態發育過程等難題，實現教學課程與虛擬仿真實驗的相互結合、互相補充，為其他專業開展虛擬仿真實驗教學提供了參考。

花卉學實驗虛擬仿真課程具有創新性、應用性以及高階性，培養具有實踐能力以及創新思想的園林人才。基于虛擬現實技術呈現出虛擬的實驗環境，營造場景效果，使學生能夠在沉浸式體驗實驗過程，突破傳統實驗中時間、設備以及場地等條件不具備或難以完成的教學難題，為園林專業特色實驗教學注入了活力。學生通過虛擬仿真系統開展實驗，且能夠實現所有學生均可單人操作，能夠調動學生的積極性，對于教學難點和重點的突破，以及培養學生科研素質和創新思維都將起到積極作用。

花卉學實驗虛擬仿真課程具有可復用性，能夠實現園林專業教學理論和實踐的完美結合。隨著信息和數字時代的到來，園林專業實驗的虛擬現實技術是發展的必然，花卉學實驗課程重點培養學生實踐能力，傳統 “教學做”模式的花卉學實驗教學存在實驗內容單一、過程冗長、方法固定等不足，削弱了學生的課程參與感。虛擬仿真技術的數據、流程以及控制層面的連通性的優化，使虛擬仿真實驗逐步發展為并行多維度實驗模式，實現教學過程中實驗要求與學生需求的探索，互動式教學模式突出了學生的主體地位，在虛擬現實場景中學生體驗完整的實驗流程，實現理論與實踐的統一。

花卉虛擬仿真課程的設立解決了園林專業實驗教學的難題，是園林專業基于國家“鄉村振興”戰略、“一帶一路”倡議的需求，培養服務于地方經濟的應用型、創新型園林人才的重要思路。涉農高校應加強花卉學虛擬仿真實驗平臺建設，從而推動虛擬仿真實驗課程在園林專業等各個學科實踐教學活動中發揮關鍵作用。

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（責任編輯：淳潔）