楊振德，玉舒中

虛擬仿真技術(shù)在森林昆蟲學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

楊振德，玉舒中

(廣西大學(xué) 林學(xué)院，廣西 南寧 530001)

針對(duì)森林昆蟲學(xué)實(shí)驗(yàn)中部分周期長(zhǎng)、成本高、危險(xiǎn)性大而難以開展實(shí)驗(yàn)的問題，該文以森林昆蟲多樣性調(diào)查和油桐尺蠖個(gè)體發(fā)育過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為例說明虛擬仿真技術(shù)在森林昆蟲實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的必要性。實(shí)踐證明，通過虛擬仿真技術(shù)不僅可以進(jìn)行現(xiàn)實(shí)中難以安排的森林昆蟲學(xué)實(shí)驗(yàn)，而且可以讓學(xué)生通過設(shè)置不同的參數(shù)獲得不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

虛擬仿真；森林昆蟲學(xué)實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革；昆蟲多樣性；昆蟲個(gè)體發(fā)育

教育部高教司司長(zhǎng)張大良在 《貫徹落實(shí)總書記重要講話精神和教育規(guī)劃綱要，大力提升人才培養(yǎng)水平》的主題報(bào)告中指出:“‘卓越農(nóng)林人才培養(yǎng)計(jì)劃'的目標(biāo)是培養(yǎng)一大批有服務(wù)國(guó)家和人民社會(huì)責(zé)任感、有獻(xiàn)身國(guó)家農(nóng)林事業(yè)志向、有解決農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)實(shí)際問題能力的高水平應(yīng)用型人才。卓越農(nóng)林人才的培養(yǎng)，要以專業(yè)建設(shè)為龍頭，加強(qiáng)內(nèi)涵建設(shè)，推進(jìn)專業(yè)綜合改革；以培養(yǎng)實(shí)踐能力為重點(diǎn)，加大教學(xué)投入，強(qiáng)化實(shí)踐環(huán)節(jié)；以農(nóng)科教結(jié)合為突破口，創(chuàng)新人才培養(yǎng)機(jī)制，改革人才培養(yǎng)模式”[1]。森林昆蟲學(xué)實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生掌握森林昆蟲基礎(chǔ)知識(shí)和森林蟲害防治技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，虛擬仿真技術(shù)作為一種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段應(yīng)用于森林昆蟲學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有利于提高實(shí)驗(yàn)效果。

廣西大學(xué)自2014年入選國(guó)家首批卓越農(nóng)林人才教育培養(yǎng)計(jì)劃試點(diǎn)高校以來，根據(jù)卓越農(nóng)林人才培養(yǎng)計(jì)劃目標(biāo)，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。其中，廣西大學(xué)林學(xué)院林學(xué)專業(yè)作為國(guó)家首批復(fù)合應(yīng)用型農(nóng)林人才培養(yǎng)模式改革試點(diǎn)專業(yè)，積極推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)手段創(chuàng)新，把虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，取得了顯著的實(shí)驗(yàn)效果。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在思想體系、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方法和手段等方面進(jìn)行顛覆性的變革。它綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)以及網(wǎng)絡(luò)通信等多種技術(shù)，通過構(gòu)建一個(gè)逼真可視化的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展高效、安全且經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果[2-5]。采用虛擬仿真技術(shù)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有以下4點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)。1)可以為學(xué)生營(yíng)造自主實(shí)驗(yàn)的氛圍。學(xué)生可以根據(jù)自己的實(shí)際情況安排實(shí)驗(yàn)進(jìn)度和選取實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，反復(fù)操作演練，充分體現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)，最大限度地發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。2)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以大大節(jié)省實(shí)驗(yàn)費(fèi)用[6-9]。森林昆蟲學(xué)中的一些實(shí)驗(yàn)由于需要昂貴的儀器設(shè)備或者試劑而不能開設(shè)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)幾乎不需要實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，且可以反復(fù)多次模擬操作，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理及操作步驟的理解。3)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)無任何污染，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn) “綠色化”[7-9]。森林害蟲的化學(xué)防治是森林害蟲防治的一種實(shí)常規(guī)技術(shù)，但是此類實(shí)驗(yàn)由于需要使用具有較大毒性的化學(xué)農(nóng)藥，該實(shí)驗(yàn)過程及其實(shí)驗(yàn)廢物的排放均對(duì)人體健康造成威脅而不能開設(shè)，但采用虛擬仿真技術(shù)，這類實(shí)驗(yàn)可以方便地進(jìn)行而對(duì)人體無害，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn) “綠色化”。4)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以突破現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中的時(shí)空的限制[8-10]。林木蟲害是一種災(zāi)害，具有偶然性，也是現(xiàn)實(shí)中不希望發(fā)生的，當(dāng)它發(fā)生的時(shí)候也只有在教學(xué)進(jìn)度和時(shí)間合適、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)允許的條件下可以安排學(xué)生去進(jìn)行防治實(shí)驗(yàn)。相反，當(dāng)按照教學(xué)日歷要進(jìn)行林木害蟲防治實(shí)驗(yàn)的時(shí)候卻很難找到大片蟲害的森林進(jìn)行防治實(shí)驗(yàn)。

因此，將森林昆蟲學(xué)實(shí)驗(yàn)中的森林昆蟲多樣性調(diào)查、昆蟲個(gè)體發(fā)育過程的觀測(cè)、害蟲的綜合防治等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由于受到場(chǎng)地、時(shí)間季節(jié)、實(shí)驗(yàn)成本、危險(xiǎn)性以及不可再重現(xiàn)等方面的限制，難以在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)施。開發(fā)成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是非常必要的。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為真實(shí)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充和擴(kuò)展，具有仿真性、參與感、安全性等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)結(jié)合，可以使學(xué)生獲得全面的訓(xùn)練，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、觀察能力、獨(dú)立思考能力和創(chuàng)新能力具有重要意義。

2 虛擬仿真技術(shù)在森林昆蟲學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，為高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來了極大的便利。學(xué)生隨時(shí)可以通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入廣西大學(xué)林業(yè)科學(xué)與工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展森林昆蟲學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

2.1 森林昆蟲多樣性調(diào)查的虛擬仿真

常規(guī)的森林昆蟲多樣性調(diào)查受時(shí)間、季節(jié)、成本等限制。采用虛擬仿真技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)背景，可以根據(jù)森林昆蟲多樣性調(diào)查實(shí)驗(yàn)的要求，擬定各種昆蟲并制作其智能化的3D昆蟲模型(如圖1所示)，每種昆蟲模型的數(shù)量按照森林中現(xiàn)實(shí)的豐富度來設(shè)定，各種昆蟲根據(jù)其類別隨機(jī)釋放于林中。為反映森林中不同季節(jié)的昆蟲多樣性，將各種昆蟲模型在樹林中出現(xiàn)的限制因子設(shè)定為季節(jié) (如圖2所示)，以便在不同季節(jié)進(jìn)行多樣性調(diào)查時(shí)得出的結(jié)果與自然界相吻合。

圖1 智能化的3D昆蟲模型 (黃刺蛾幼蟲)

圖2 不同季節(jié)森林昆蟲多樣性調(diào)查入口界面

圖3 昆蟲分類鑒定

開展昆蟲多樣性調(diào)查時(shí)，昆蟲種類及每種昆蟲的數(shù)量可隨機(jī)出現(xiàn)。對(duì)調(diào)查到的每一種昆蟲，配以真實(shí)照片(如圖3所示)，能滿足學(xué)生對(duì)每一種昆蟲的深入了解，包括分類地位、識(shí)別特征、危害情況、防治方法等知識(shí)點(diǎn)，以便學(xué)生進(jìn)行鑒定。例如調(diào)查夏季森林昆蟲多樣性時(shí)，鼠標(biāo)點(diǎn)擊夏季入口(如圖2所示)，在地圖上選擇200 m2的調(diào)查樣地，在設(shè)定的樣地內(nèi)，按棋盤式抽樣法抽查30株以上，對(duì)每株樹進(jìn)行搜索，一旦發(fā)現(xiàn)有昆蟲，則按不同昆蟲類型采用不同的調(diào)查工具和調(diào)查方法。如進(jìn)行食葉、刺吸性昆蟲多樣性調(diào)查時(shí)，發(fā)現(xiàn)飛行的成蟲直接用捕蟲網(wǎng)網(wǎng)捕，發(fā)現(xiàn)被幼蟲危害的樣株則用高枝剪從樹冠的東南西北4個(gè)方向分別在樹冠的上中下3個(gè)層面隨機(jī)選擇12根枝條進(jìn)行調(diào)查。記錄每個(gè)枝條上昆蟲的種類、蟲態(tài)、數(shù)量及葉片被害程度，觀察昆蟲的分類識(shí)別特征。點(diǎn)擊屏幕下方的記錄板按鈕，把調(diào)查結(jié)果填入記錄表中(如圖4所示)。

圖4 食葉和刺吸性昆蟲多樣性調(diào)查

調(diào)查結(jié)束后，鼠標(biāo)點(diǎn)擊屏幕下方的實(shí)驗(yàn)報(bào)告按鈕，進(jìn)入撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告環(huán)節(jié)。根據(jù)調(diào)查結(jié)果計(jì)算昆蟲多樣性指標(biāo)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果寫出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，最后提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告(如圖5所示)。

圖5 昆蟲多樣性調(diào)查實(shí)驗(yàn)報(bào)告

2.2 油桐尺蠖個(gè)體發(fā)育過程的虛擬仿真

油桐尺蠖發(fā)育過程歷時(shí)時(shí)間長(zhǎng)，在林間很難同時(shí)觀察到卵、不同齡期的幼蟲、蛹和成蟲等4種發(fā)育蟲態(tài)，因而在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)條件下很難開展該實(shí)驗(yàn)。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以對(duì)卵的孵化、幼蟲蛻皮、化蛹和羽化等過程直觀展示，讓學(xué)生理解和掌握昆蟲生物學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。

學(xué)生首先通過點(diǎn)擊 “預(yù)習(xí)”按鈕學(xué)習(xí)了解油桐尺蠖的卵、幼蟲、蛹和成蟲等各蟲態(tài)的特征后才能通過點(diǎn)擊 “觀察發(fā)育過程”按鈕，觀察油桐尺蠖在林間由卵到成蟲的整個(gè)發(fā)育過程。這步實(shí)驗(yàn)限定要求學(xué)生在觀察油桐尺蠖發(fā)育過程之前必須對(duì)油桐尺蠖各個(gè)蟲態(tài)的形態(tài)特征和行為習(xí)性進(jìn)行預(yù)習(xí)，強(qiáng)化基礎(chǔ)知識(shí)的掌握(如圖6(a)和圖6(b)所示)。為進(jìn)一步了解環(huán)境因子對(duì)油桐尺蠖個(gè)體發(fā)育的影響，要求學(xué)生通過點(diǎn)擊 “參數(shù)設(shè)置”按鈕，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置頁(yè)面，如通過改變溫度參數(shù)，觀測(cè)不同溫度條件下各蟲態(tài)的發(fā)育歷期。

觀察學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)階段完成以后，實(shí)驗(yàn)進(jìn)入測(cè)試階段。通過點(diǎn)擊 “測(cè)試”按鈕，進(jìn)入油桐尺蠖發(fā)育歷期測(cè)試界面，只有填入正確的發(fā)育歷期后方可進(jìn)入下一發(fā)育階段(如圖6(c)所示)。這要求學(xué)生在之前的各個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中必須仔細(xì)觀察記錄，否則難以通過測(cè)試階段。測(cè)試結(jié)束后，通過點(diǎn)擊 “實(shí)驗(yàn)結(jié)果”按鈕，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填寫和提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告界面。

圖6 油桐尺蠖個(gè)體發(fā)育過程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)束語

虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，極大地拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和時(shí)空，一些在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件下難以安排的實(shí)驗(yàn)得以全面開展[11]。隨著森林昆蟲學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源的不斷開發(fā)和應(yīng)用，將極大提高森林昆蟲學(xué)的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)卓越農(nóng)林人才的培養(yǎng)。但是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不能完全代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)，只能作為真實(shí)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充和擴(kuò)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)必須與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，使學(xué)生獲得全面的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練?？傊?，虛擬仿真技術(shù)是一種行之有效的現(xiàn)代教學(xué)手段，值得推廣應(yīng)用。

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Application of Virtual Simulation Technology in Forest Entomology Experiment

YANG Zhende，YU Shuzhong
(Forestry College， Guangxi University， Naning 530001， China)

In the experiment of forest entomology， it is difficult to carry out the experiments because of its long testing period，high cost and great danger.This paper describes the virtual simulation experiments in forest insects diversity survey and individual development process of Buasra suppressaria Guenee，and points out the necessity of virtual simulation technology in experimental teaching of forest entomology.Practice showed that through the virtual simulation technology can not only do experiments that are difficult to be arranged in reality， but also stimulate the activity and creativity of students， and allow them to set different parameters to obtain different experiment results，play the initiative and creativity of students to improve the experimental teaching effect.

virtual simulation； forest entomology experiment； experimental teaching reform； insect diversity； insect individual development

TP 39；S76

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.05.012

2016-02-03；修改日期:2016-04-19

廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目(2015JGA128)。

楊振德(1966-)，男，博士，教授，主要從事森林保護(hù)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室管理工作。