尹艷豹，李鳳日，楊 光，鄭 紅

(東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，哈爾濱 150040)

0 引言

實驗教學(xué)是高等教育教學(xué)課程體系的重要組成部分。當前我國高等教育正處于以“質(zhì)”為綱的信息化建設(shè)教育改革背景中?！督逃畔⒒臧l(fā)展規(guī)劃(2011—2020)》中指明虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容[1]。教育部發(fā)布的《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》(教高〔2018〕2 號)中明確要開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)工作[2]。我國一流課程建設(shè)“雙萬計劃(2018.6)”實施方式中即有建成1 000項左右虛擬仿真“金課”(國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目)的明確要求[3]。本文以提升林學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量、完善實驗教學(xué)體系為切入點，以東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院為例，對林學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)課程體系的構(gòu)建與實踐進行研究，并探索多元化人才培養(yǎng)模式的改革之路。

1 教學(xué)資源積累

東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院實驗教學(xué)中心于2008年被批準為國家級實驗教學(xué)示范中心。目前面向林學(xué)國家一類特色專業(yè)、國家基礎(chǔ)科學(xué)研究和教學(xué)人才培養(yǎng)基地等12個本科專業(yè)提供教研服務(wù)，并承擔“林學(xué)類人才培養(yǎng)模式改革”國家教育體制改革試點項目、林學(xué)國家級卓越農(nóng)林人才培養(yǎng)計劃等國家級改革項目。

第一，整合主干課程教學(xué)資源，開展教學(xué)資源開放共享。學(xué)院有森林與人類國家級視頻公開課，以及林木育種學(xué)、資源昆蟲學(xué)、保護生物學(xué)等國家級精品資源共享課程和多門省級校級精品在線開放課程。目前林學(xué)專業(yè)所屬63.2%的主干課程都已建設(shè)成為省級以上精品課程。相關(guān)的教學(xué)大綱、教案、習題、實驗指導(dǎo)、參考文獻目錄等資源網(wǎng)上開放，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的共享。實驗教學(xué)中心近五年正式出版國家規(guī)劃教材、全國高等農(nóng)林院校教材等各類教材共10余部，相關(guān)參考書12部，實驗實習教材17部，使用近三年出版的教材占本專業(yè)課程的73.7%。

第二，基于高水平科研成果，開發(fā)虛擬仿真教學(xué)資源，不斷完善實驗課程體系。如近年由科研成果轉(zhuǎn)化而來的典型實驗教學(xué)內(nèi)容有：防護林體系空間配置與結(jié)構(gòu)優(yōu)化虛擬仿真實驗、林木工廠化育苗技術(shù)虛擬仿真實驗、天然林撫育技術(shù)虛擬仿真實驗、撲火指揮與機具使用虛擬仿真實驗、森林有害生物成災(zāi)過程與蔓延模擬仿真實驗、樟子松人工林樹冠結(jié)構(gòu)三維圖形可視化模擬、基于無人機遙感影像的三維森林景觀可視化、森林資源經(jīng)營與監(jiān)測虛擬仿真實驗、天然混交林隨機生長與演替模擬仿真、森林昆蟲形態(tài)特征虛擬仿真實驗、病理解剖虛擬仿真實驗、遙感森林水文作用動態(tài)過程建模和仿真等，更新實驗項目50余項。三年內(nèi)大學(xué)生科技創(chuàng)新計劃校級以上立項41項，其中國家級創(chuàng)新項目18項，林學(xué)專業(yè)本科生在各類學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文51篇，榮獲第四屆全國高校GIS應(yīng)用開發(fā)大賽二等獎3項，東三省數(shù)學(xué)建模聯(lián)賽一等獎3項等。目前學(xué)院已研發(fā)出多項具有自主產(chǎn)權(quán)的農(nóng)林院校實驗教學(xué)新方法、新裝置，并通過校企合作的方式開展虛擬仿真實驗教學(xué)資源的研發(fā)及實驗教學(xué)項目共建，從而豐富了教學(xué)內(nèi)容、拓展了學(xué)生的實踐領(lǐng)域。

2 實驗課程體系構(gòu)建

2.1 建設(shè)理念

虛擬仿真實驗可以作為傳統(tǒng)野外實踐教學(xué)的補充，本著“能實不虛、虛實結(jié)合、相互補充”的建設(shè)思路，將優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源與信息化技術(shù)集成，著力補充和強化實踐育人環(huán)節(jié)，提升實驗教學(xué)水平。虛擬仿真實驗項目采取自主研發(fā)或校企聯(lián)合開發(fā)形式，以近3.3萬公頃的校區(qū)教研用地和校外實習實驗基地為基礎(chǔ)進行數(shù)字資源開發(fā)，具有極高原創(chuàng)性且與教學(xué)實踐場地密切關(guān)聯(lián)。

2.2 實驗課程框架

虛擬仿真實驗是將先進的教學(xué)設(shè)施、豐富的教學(xué)內(nèi)容有機結(jié)合在一起，集教學(xué)、實訓(xùn)、考核、共享功能于一體。立足科教融合的工作思路，以林學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心為基礎(chǔ)，將實驗教學(xué)與科學(xué)研究、野外實踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)相結(jié)合，建立三層次、四平臺和四結(jié)合(“3+4+4”)的林學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)體系。三個層次虛擬仿真實驗?zāi)K支撐10門學(xué)科基礎(chǔ)課，8門專業(yè)課，輻射其他10門專業(yè)課程，基本覆蓋了林學(xué)專業(yè)主干課程。

2.3 實驗項目設(shè)計

“基礎(chǔ)”虛擬仿真實驗以激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習熱情、夯實專業(yè)基礎(chǔ)為目的，與理論課相互配合，建成14個虛擬仿真實驗項目分別是：樹木(植物)數(shù)字標本、樹木形態(tài)特征虛擬仿真實驗、典型地質(zhì)地貌的整段數(shù)字標本、土壤形態(tài)特征虛擬仿真實驗、林區(qū)暖風/冷鋒天氣模擬、森林昆蟲數(shù)字標本、森林昆蟲形態(tài)特征虛擬仿真實驗、森林昆蟲解剖虛擬仿真實驗、森林病理數(shù)字標本、病理解剖虛擬仿真實驗、全球碳循環(huán)模擬、資源競爭模型模擬、帽兒山虛擬林相、樹木枝條分形特征模擬。對應(yīng)課程包括：樹木學(xué)/植物學(xué)、樹木學(xué)實驗、土壤與土壤資源學(xué)、土壤與土壤資源學(xué)實驗、森林氣象學(xué)、森林昆蟲學(xué)、林木病理學(xué)、森林生態(tài)學(xué)、測樹學(xué)。

“專業(yè)”虛擬仿真實驗主要解決林學(xué)專業(yè)的實際問題，本著“虛實結(jié)合、相互補充”的原則，服務(wù)于核心課的實驗教學(xué)，建設(shè)10個虛擬仿真實驗項目包括：林火行為虛擬仿真實驗、森林火災(zāi)撲救方法虛擬仿真實驗、森林災(zāi)害安全避險虛擬仿真實驗、樟子松人工林樹冠結(jié)構(gòu)三維圖形可視化模擬、天然混交林隨機生長與演替模擬、遙感森林水文作用動態(tài)過程的建模和仿真、人工林造林技術(shù)虛擬仿真實驗、天然林撫育技術(shù)虛擬仿真實驗、基于無人機遙感影像的三維森林景觀可視化、林木工廠化育苗技術(shù)虛擬仿真實驗。對應(yīng)課程包括：林火管理、森林經(jīng)理學(xué)、濕地概論、森林培育學(xué)/經(jīng)濟林育種與栽培學(xué)、森林培育學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)、種苗學(xué)。

“創(chuàng)新訓(xùn)練”虛擬實驗主要是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神與實踐能力。創(chuàng)建了13個虛擬仿真實驗項目包括：土壤剖面營養(yǎng)元素運移的模擬研究、三維地質(zhì)建模與仿真實驗、森林氣象要素空間分布模擬實驗、氣象場差異對環(huán)境空氣質(zhì)量的數(shù)值模擬、一次大氣污染物的大氣環(huán)流輸送規(guī)律模擬、森林有害生物成災(zāi)過程與蔓延模擬仿真實驗、防護林體系空間配置與結(jié)構(gòu)優(yōu)化虛擬仿真實驗、森林資源經(jīng)營與管護虛擬仿真實驗、撲火指揮虛擬仿真實驗、樟子松人工林空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化及可視化模擬、森林可持續(xù)經(jīng)營虛擬仿真實驗、東北典型森林土壤呼吸的模擬實驗、東北東部森林凈初級生產(chǎn)力的模擬實驗。對應(yīng)課程包括：土壤與土壤資源學(xué)、森林氣象學(xué)、森林昆蟲學(xué)、森林生態(tài)學(xué)、林火管理、森林經(jīng)理學(xué)、森林生態(tài)學(xué)。

3 教學(xué)成效

虛擬仿真實驗課程體系的建設(shè)為林學(xué)及相關(guān)專業(yè)教育資源升級、教學(xué)水平提升創(chuàng)造了條件，以下列舉幾方面應(yīng)用效果：

第一，操作能力明顯增強。由于仿真實驗與傳統(tǒng)實驗相結(jié)合，學(xué)生動手操作實驗更加方便，激發(fā)出自主學(xué)習興趣，顯著提高學(xué)生的實踐能力。第二，創(chuàng)新能力明顯提高。學(xué)生自主進入虛擬仿真實驗，鍛煉了分析問題、解決問題的能力，更主動地思考。第三，學(xué)習積極性明顯增強。信息技術(shù)的體驗激發(fā)學(xué)生參與的興趣，變被動學(xué)為主動學(xué)。第四，就業(yè)適應(yīng)能力明顯增強。通過虛擬仿真實驗教學(xué)，實現(xiàn)了書本知識和就業(yè)技能的實時銜接，畢業(yè)生更受企業(yè)歡迎。

4 前景展望

虛擬仿真實驗課程建設(shè)是高校信息化建設(shè)的重要內(nèi)容和教學(xué)改革的必然方向[4]。西方一些發(fā)達國家大學(xué)給高年級學(xué)生開設(shè)高級虛擬實驗的經(jīng)驗，證明此類實驗比傳統(tǒng)實驗更具有吸引力[5，6]。我國也有在傳統(tǒng)實驗教學(xué)基礎(chǔ)上增加了虛擬仿真實驗項目，學(xué)生對該課程的興趣、操作創(chuàng)新性、操作獨立性、知識理解程度均有明顯提升的報道[7]。東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)專業(yè)虛擬仿真實驗課程建設(shè)符合人才培養(yǎng)目標，堅持優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享，優(yōu)勢學(xué)科科研反哺教學(xué)，最終提升教學(xué)效果，為其他專業(yè)虛擬仿真實驗課程建設(shè)做出了有益探索。