1.实验教学方法

一、教学方法

虚拟仿真实验教学是实验教学与现代信息技术深度融合的产物，它依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，拓展实验教学内容的广度和深度，延伸实验教学的时间和空间，实现真实实验条件难以完成的教学功能，特别适应于现代高等教育的发展趋势，丰富了学生的学习模式。尤其针对操作难度大、实验周期长、高成本、高消耗的大型综合性实验内容，虚拟仿真实验教学可有效实现教学目的。

该虚拟仿真实验教学项目以北京林业大学朱之悌院士所取得的国家科技进步二等奖项目“毛白杨多圃配套系列育苗技术”为核心，整合了近年相关研究进展，实现了科学研究成果与实践教学充分融合。在虚拟仿真教学过程中，整个实验过程类似“开心农场”的形式，激发学生的学习兴趣，在较短学时内完成生产中需要3-5年的内容，充分利用人机交互、计算机数码（CG）动画、三维（3D）建模等，让学生以角色扮演的形式参与到整个良种生产过程，促进学生对林木良种无性繁殖的理解，掌握无性繁殖方法和多圃配套原理，提高解决问题的综合能力，提升林木良种生产实践水平。

二、使用目的

通过虚拟仿真实验将多圃配套林木无性繁殖良种生产综合实验（实习）从3-5年周期缩短为3-4学时，在虚拟仿真实验室内完成，从而显著缩短实验（实习）周期、降低实验成本，形成“以学生为中心”的实验教学理念，向学生开放学习资源和学习空间，以学生自己学习为主，教师指导为辅，学生通过虚拟仿真实验系统中各模块的综合运用，熟练掌握林木良种无性繁殖的原理与关键步骤，明确各圃地的功能与经营管理措施，提高学生的相关实验和实习技能，培养具有创新思维和组织管理能力的林学专业人才，推动北京林业大学林学双一流学科建设，进一步向全国相关高校开放、推广该虚拟仿真实验教学内容，促进我国林学专业人才的培养，推进我国林木良种化进程。

三、实施过程

1、林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验系统主要设置了实验预习、实验演示、实验考核、实验报告和问卷调查5个模块，同时还设置了“答疑室”，主要用于远程开放时，学生可通过答疑室就知识点等问题进行线上答疑（图4）。

其中，实验预习模块：此模块主要包括实验目的、实验原理、操作步骤、注意事项等资料。学生在进行实验学习前，应先进行预习，掌握基本知识点，经教师提问考核合格后方可进行实验操作。

实验演示模块：此模块主要用于学生在了解实验原理的基础上，对实验内容进行学习。在图像、文字、声音等信息的指引下，学生通过人机交互，一步一步地完成整个实验过程，在这一过程中，学生通过教师指导和自主学习，掌握实验内容及相关关键技术操作。

实验考核模块：此模块主要用于对学生的实验操作进行考核。在考核系统中，没有系统操作提示，学生需要根据时间进度及苗木的生长状况，以及系统给出的事件，完成相应的操作，以保证苗木的正常生长和规模化生产。

实验报告模块：此模块主要用于学生实验报告的管理与提交。学生实验完成后，根据学生操作情况，在后台自动记录学生的得分，并记录下学生操作的过程，用于在报告系统中形成实验报告。系统将自动整理出实验内容的正确操作流程以及学生操作过程的实际流程，便于学生回顾。同时，将实验目的、实验原理等信息整合进实验报告内，学生填写对实验设计的评价和建议，生成pdf文件，提交给教师评阅。

问卷调查模块：此模块主要用于在学习完成后，学生填写问卷调查表，便于教师收集学生对该虚拟仿真教学系统的评价。

图4 林木良种多圃配套育苗技术虚拟仿真实验教学系统组织结构图

 

2、本虚拟仿真实验内容共包括4个课时。

基于翻转课堂的引导式、开放式教学，任课教师提前一周时间给学生布置预习内容，明确预习目标。学生充分利用课下时间，通过查阅课件、文献资料等形式提前学习基本理论知识和原理；同时，虚拟仿真教学系统也提前48小时向选课的同学开放，学生可登录教学系统进行学习，熟悉操作界面。

（1）第1课时：待正式授课时，学生进入“实验预习”模块，教师以现实生产中林木无性繁殖的实践和问题为引导，帮助学生主动进行知识点的学习。同时，在模块中，设置理论测试环节，以考察学生对实验内容知识点的掌握程度。对于预习知识点理论测试不合格的学生，教师将预习成绩反馈给学生，并对关键知识点进行二次讲解，要求学生重新预习并完成知识点考核，直至合格后才能进入下一阶段学习。

（2）第2课时：在完成实验预习并顺利通过理论测试的基础上，教师对学生的预习情况进行总结，并引导学生开始进行实验演示操作。学生进入“实验演示”模块，按照提示要求，选择适宜的初始植物材料开始营建采穗圃和砧木圃，并根据界面的信息提示，从工具包中选择适宜的工具和材料适时进行抹芽、去顶、修剪、施肥、灌水等管理操作，以保证采穗圃和砧木圃苗木的生长符合苗圃经营管理需求。通过虚拟仿真3D建模学习“一条鞭”、“炮捻”等毛白杨无性繁殖过程中常用的嫁接技术。在繁殖圃中，将“一条鞭”、“炮捻”等嫁接材料进行扦插，并适时进行抹芽、培土换根、修枝、施肥、灌水等管理操作，完成林木良种的繁殖。在根繁圃中，通过留根途径形成根蘖苗，从而实现良种繁育过程的保幼复壮，维持毛白杨良种的优良品性；对根蘖苗进行选择，保留生长健壮的根蘖苗继续发育为合格苗，可用于造林。在组培生产线中，学习组培生产线的建设与良种组培快繁，包括外植体的选择、接种，继代培养、生根培养和苗木移栽、炼苗等环节。同时，通过对比采穗圃、砧木圃、根繁圃、繁殖圃和组培生产的各个环节，理解组织培养与多圃配套育苗的对应关系。此外，学习并理解多圃配套育苗的各圃地之间如何实现功能转换，保证土地流转和高效利用，实现优质苗木的规模化、可持续生产。

在实验演示操作过程中学生除遵照系统指示进行步骤操作外，遇到任何问题或困难均可向任课教师求助，任课教师及时回答问题并解决困难，以保证学生完整顺利地掌握整个实验操作环节。

（3）第3课时：在有提示条件下学习掌握了实验操作后，教师对演示过程学生所遇到的重要问题进行总结，并对关键的步骤再次进行讲解。同时，提示学生进入实验考核环节。学生进入“实验考核”模块，在没有提示的情况下，独立完成各实验环节，并完成各考察项目，系统自动记录操作步骤和成绩。在此过程中，除非遇到系统问题，教师不对有关实验内容和操作的所有问题进行解答。

（4）第4课时：学生在操作过程中，“实验考核”模块将自动记录各操作环节的正确或错误，在学生进入系统给定的起始分值基础上，进行加分或扣分操作，从而在学生完成实验内容后形成实验过程考核分值。完成考核环节后，学生就实验过程中的关键步骤和操作技术进行讨论，并可就实验内容和操作心得，以及对林木良种繁育的思考与任课教师进行探讨，进一步巩固学习成果。同时，学生需进入“实验报告”模块，撰写实验报告。系统将自动生成实验报告，提交给教师，学生也可下载留存。此外，学生还需要就虚拟仿真平台的使用情况填写问卷调查，并提交实验心得等内容。教师在课后登入管理平台对学生提交的实验报告进行及时批阅和分析，总结虚拟仿真实验的优势和存在的问题，不断完善虚拟仿真教学系统，提高虚拟仿真实验教学效果。

四、实施效果

目前，该虚拟仿真实验项目已在北京林业大学“林木遗传育种学”、“林木育种学”、“林木种苗学”等课程教学中展开应用，并对西南林业大学林学专业本科生初步开放实验内容，已累计服务学生430人次。在示范教学过程中，强调实验流程和关键步骤的掌握，理论知识与实践操作并重。学生通过完成该虚拟仿真实验教学内容的学习，既能掌握有关林木无性繁殖的原理和品种退化的原因，又能通过实践训练提高将幼化复壮贯穿于整个良种繁育过程各个环节的技术能力，同时可以做到举一反三，将毛白杨多圃配套育苗技术体系的关键技术应用于其他树种的良种繁育研究中，充分激发了学生的学习兴趣，发掘了学生的创新潜力，提高了学生解决林木良种生产中实际问题的能力，显著提升了林木遗传育种学等相关课程的实验教学质量。