楊振德，玉舒中

虛擬仿真技術(shù)在森林昆蟲學(xué)實驗中的應(yīng)用

楊振德，玉舒中

(廣西大學(xué) 林學(xué)院，廣西 南寧 530001)

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

虛擬仿真；森林昆蟲學(xué)實驗；實驗教學(xué)改革；昆蟲多樣性；昆蟲個體發(fā)育

教育部高教司司長張大良在 《貫徹落實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》的主題報告中指出:“‘卓越農(nóng)林人才培養(yǎng)計劃'的目標是培養(yǎng)一大批有服務(wù)國家和人民社會責(zé)任感、有獻身國家農(nóng)林事業(yè)志向、有解決農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)實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，加強內(nèi)涵建設(shè)，推進專業(yè)綜合改革；以培養(yǎng)實踐能力為重點，加大教學(xué)投入，強化實踐環(huán)節(jié)；以農(nóng)科教結(jié)合為突破口，創(chuàng)新人才培養(yǎng)機制，改革人才培養(yǎng)模式”[1]。森林昆蟲學(xué)實驗是培養(yǎng)學(xué)生掌握森林昆蟲基礎(chǔ)知識和森林蟲害防治技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，虛擬仿真技術(shù)作為一種先進的實驗手段應(yīng)用于森林昆蟲學(xué)實驗教學(xué)有利于提高實驗效果。

廣西大學(xué)自2014年入選國家首批卓越農(nóng)林人才教育培養(yǎng)計劃試點高校以來，根據(jù)卓越農(nóng)林人才培養(yǎng)計劃目標，加強學(xué)生實踐能力培養(yǎng)，強化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。其中，廣西大學(xué)林學(xué)院林學(xué)專業(yè)作為國家首批復(fù)合應(yīng)用型農(nóng)林人才培養(yǎng)模式改革試點專業(yè)，積極推進實驗教學(xué)改革和實驗手段創(chuàng)新，把虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)，取得了顯著的實驗效果。

1 虛擬仿真實驗教學(xué)的必要性

虛擬仿真實驗教學(xué)是對傳統(tǒng)實驗教學(xué)在思想體系、實驗內(nèi)容、實驗方法和手段等方面進行顛覆性的變革。它綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)絡(luò)通信等多種技術(shù)，通過構(gòu)建一個逼真可視化的實驗操作環(huán)境和實驗對象，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)濟的實驗，進而達到真實實驗不具備或難以實現(xiàn)的教學(xué)效果[2-5]。采用虛擬仿真技術(shù)于實驗教學(xué)，有以下4點優(yōu)點。1)可以為學(xué)生營造自主實驗的氛圍。學(xué)生可以根據(jù)自己的實際情況安排實驗進度和選取實驗內(nèi)容，反復(fù)操作演練，充分體現(xiàn)個性化學(xué)習(xí)，最大限度地發(fā)揮學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性，增強實驗教學(xué)效果。2)虛擬仿真實驗可以大大節(jié)省實驗費用[6-9]。森林昆蟲學(xué)中的一些實驗由于需要昂貴的儀器設(shè)備或者試劑而不能開設(shè)，虛擬仿真實驗幾乎不需要實驗費用，且可以反復(fù)多次模擬操作，加深對實驗原理及操作步驟的理解。3)虛擬仿真實驗無任何污染，實現(xiàn)實驗 “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常規(guī)技術(shù)，但是此類實驗由于需要使用具有較大毒性的化學(xué)農(nóng)藥，該實驗過程及其實驗廢物的排放均對人體健康造成威脅而不能開設(shè)，但采用虛擬仿真技術(shù)，這類實驗可以方便地進行而對人體無害，實現(xiàn)實驗 “綠色化”。4)虛擬仿真實驗可以突破現(xiàn)實實驗中的時空的限制[8-10]。林木蟲害是一種災(zāi)害，具有偶然性，也是現(xiàn)實中不希望發(fā)生的，當它發(fā)生的時候也只有在教學(xué)進度和時間合適、實驗經(jīng)費允許的條件下可以安排學(xué)生去進行防治實驗。相反，當按照教學(xué)日歷要進行林木害蟲防治實驗的時候卻很難找到大片蟲害的森林進行防治實驗。

因此，將森林昆蟲學(xué)實驗中的森林昆蟲多樣性調(diào)查、昆蟲個體發(fā)育過程的觀測、害蟲的綜合防治等實驗項目由于受到場地、時間季節(jié)、實驗成本、危險性以及不可再重現(xiàn)等方面的限制，難以在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中實施。開發(fā)成虛擬仿真實驗是非常必要的。虛擬仿真實驗作為真實實驗的補充和擴展，具有仿真性、參與感、安全性等特點，與傳統(tǒng)實物實驗結(jié)合，可以使學(xué)生獲得全面的訓(xùn)練，對培養(yǎng)學(xué)生動手能力、觀察能力、獨立思考能力和創(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)實驗教學(xué)中的應(yīng)用實例

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

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)查受時間、季節(jié)、成本等限制。采用虛擬仿真技術(shù)虛擬仿真實驗背景，可以根據(jù)森林昆蟲多樣性調(diào)查實驗的要求，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)實的豐富度來設(shè)定，各種昆蟲根據(jù)其類別隨機釋放于林中。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)進行多樣性調(diào)查時得出的結(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，昆蟲種類及每種昆蟲的數(shù)量可隨機出現(xiàn)。對調(diào)查到的每一種昆蟲，配以真實照片(如圖3所示)，能滿足學(xué)生對每一種昆蟲的深入了解，包括分類地位、識別特征、危害情況、防治方法等知識點，以便學(xué)生進行鑒定。例如調(diào)查夏季森林昆蟲多樣性時，鼠標點擊夏季入口(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，對每株樹進行搜索，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。如進行食葉、刺吸性昆蟲多樣性調(diào)查時，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個方向分別在樹冠的上中下3個層面隨機選擇12根枝條進行調(diào)查。記錄每個枝條上昆蟲的種類、蟲態(tài)、數(shù)量及葉片被害程度，觀察昆蟲的分類識別特征。點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，鼠標點擊屏幕下方的實驗報告按鈕，進入撰寫實驗報告環(huán)節(jié)。根據(jù)調(diào)查結(jié)果計算昆蟲多樣性指標，根據(jù)實驗結(jié)果寫出實驗結(jié)論，最后提交實驗報告(如圖5所示)。

圖5 昆蟲多樣性調(diào)查實驗報告

2.2 油桐尺蠖個體發(fā)育過程的虛擬仿真

油桐尺蠖發(fā)育過程歷時時間長，在林間很難同時觀察到卵、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)的實驗條件下很難開展該實驗。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以對卵的孵化、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。

學(xué)生首先通過點擊 “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發(fā)育過程。這步實驗限定要求學(xué)生在觀察油桐尺蠖發(fā)育過程之前必須對油桐尺蠖各個蟲態(tài)的形態(tài)特征和行為習(xí)性進行預(yù)習(xí)，強化基礎(chǔ)知識的掌握(如圖6(a)和圖6(b)所示)。為進一步了解環(huán)境因子對油桐尺蠖個體發(fā)育的影響，要求學(xué)生通過點擊 “參數(shù)設(shè)置”按鈕，進入?yún)?shù)設(shè)置頁面，如通過改變溫度參數(shù)，觀測不同溫度條件下各蟲態(tài)的發(fā)育歷期。

觀察學(xué)習(xí)實驗階段完成以后，實驗進入測試階段。通過點擊 “測試”按鈕，進入油桐尺蠖發(fā)育歷期測試界面，只有填入正確的發(fā)育歷期后方可進入下一發(fā)育階段(如圖6(c)所示)。這要求學(xué)生在之前的各個實驗環(huán)節(jié)中必須仔細觀察記錄，否則難以通過測試階段。測試結(jié)束后，通過點擊 “實驗結(jié)果”按鈕，進入實驗數(shù)據(jù)填寫和提交實驗報告界面。

圖6 油桐尺蠖個體發(fā)育過程的虛擬仿真實驗

5 結(jié)束語

虛擬仿真技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用，極大地拓展了實驗教學(xué)的內(nèi)容和時空，一些在傳統(tǒng)實驗條件下難以安排的實驗得以全面開展[11]。隨著森林昆蟲學(xué)虛擬仿真實驗資源的不斷開發(fā)和應(yīng)用，將極大提高森林昆蟲學(xué)的實驗與實踐教學(xué)質(zhì)量，促進卓越農(nóng)林人才的培養(yǎng)。但是虛擬仿真實驗不能完全代替真實實驗，只能作為真實實驗的補充和擴展，虛擬仿真實驗必須與傳統(tǒng)實驗相結(jié)合，使學(xué)生獲得全面的實驗訓(xùn)練?？傊摂M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)改革工程項目(2015JGA128)。

楊振德(1966-)，男，博士，教授，主要從事森林保護教學(xué)和實驗室管理工作。