伊力塔，王正加，梅 麗，張 敏，夏國華

(浙江農(nóng)林大學(xué)林學(xué)類國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，杭州 311300)

經(jīng)濟(jì)林現(xiàn)代化栽培能力一直是林學(xué)、經(jīng)濟(jì)林等專業(yè)的核心實(shí)踐技能[1-2]。在栽培中普遍存在幼年期長、樹體高大、栽培管理不便等問題，栽培管理環(huán)節(jié)技術(shù)因素多、歷時(shí)長、成本高。為此，基于以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法很難實(shí)現(xiàn)全過程教學(xué)，教學(xué)效果不佳。為破解這一難題，依托國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)“南方特色干果良種選育與高效培育關(guān)鍵技術(shù)”的核心成果，基于浙江農(nóng)林大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心平臺，以山核桃樹體栽培管理為例開發(fā)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(http://zafu.owvlab.net/virexp/ggzp)，并具備軟件著作權(quán)(登記號2019R0886041)。

1 項(xiàng)目建設(shè)

1.1 目的意義

在經(jīng)濟(jì)林現(xiàn)代化栽培過程中，精準(zhǔn)樹體栽培管理是提升產(chǎn)量與品質(zhì)的關(guān)鍵因素，自然也成為實(shí)踐教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；但在樹體栽培管理中由于存在經(jīng)濟(jì)林樹種樹體高大、生長周期長、危險(xiǎn)性高、重復(fù)性差、品質(zhì)因素復(fù)雜等技術(shù)難點(diǎn)，教學(xué)實(shí)踐中很難在短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)完成全部的栽培管理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從而導(dǎo)致學(xué)生不易有效獲得樹體栽培關(guān)鍵技術(shù)的知識能力。

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目以南方特色經(jīng)濟(jì)樹種山核桃(Caryacathayenisis)為例，重建了樹體栽培管理的完整過程，濃縮了栽培管理的時(shí)間，避免了安全風(fēng)險(xiǎn)和隱患，提高了交互實(shí)驗(yàn)的可操作性，使學(xué)生能夠系統(tǒng)深入學(xué)習(xí)和掌握經(jīng)濟(jì)樹種栽培全過程，顯著提升學(xué)習(xí)興趣，有效激發(fā)學(xué)習(xí)欲望，為培養(yǎng)經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)業(yè)應(yīng)用復(fù)合型人才提供有效支撐[3-4]。

1.2 關(guān)鍵思路

1.2.1 良種選擇是經(jīng)濟(jì)樹種豐產(chǎn)的重要因素

良種是將通過省級以上審(認(rèn))定的優(yōu)良品種(浙林山1號、浙林山2號、浙林山3號)，抗病性強(qiáng)、豐產(chǎn)性好，產(chǎn)量穩(wěn)定，堅(jiān)果品質(zhì)優(yōu)良，通過嫁接在親和性好、適應(yīng)性廣的砧木上形成良種嫁接苗，保證了造林后良種結(jié)實(shí)早、抗性強(qiáng)、品質(zhì)優(yōu)良等特點(diǎn)。由于山核桃實(shí)生苗童期長、抗性差，因此在生產(chǎn)上以湖南山核桃或薄殼山核桃為砧木山核桃，培育山核桃種嫁接苗，可實(shí)現(xiàn)縮短童期、提高抗性、優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)的目的。

1.2.2 造林密度與樹體管理對產(chǎn)量的影響

在經(jīng)濟(jì)林培育過程中，不同的栽培密度與樹體管理密切相關(guān)。造林密度低，林地透光透氣性好，樹體管理簡單，單株產(chǎn)量高；造林密度高，林分透光透氣性差，樹體管理成本高，影響產(chǎn)量。因此，通過調(diào)控林分密度，加強(qiáng)樹體管理促進(jìn)林分生產(chǎn)力，最大發(fā)揮其效益(表1)。

表 1 密度與樹體管理對產(chǎn)量的影響

1.2.3 整形修剪是形成合理的樹形結(jié)構(gòu)關(guān)鍵

樹體管理可直接影響光能利用率，通過科學(xué)合理的修剪方法，可充分發(fā)揮其生物學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)早果、優(yōu)質(zhì)和豐產(chǎn)的目的。因此，合理分析和制訂不同條件下的樹體結(jié)構(gòu)，對栽培管理具有重要意義。

1.2.4 適時(shí)適法采收是提高經(jīng)濟(jì)效益的保障

成熟期采收可保證產(chǎn)量與品質(zhì)。以山核桃為例，果實(shí)成熟期在9月上中旬，采收過早，降低果仁飽滿度和油脂含量，不但影響當(dāng)年的產(chǎn)量、質(zhì)量和效益，還可能進(jìn)一步影響來年產(chǎn)量；如采收過遲，果實(shí)已脫落而未能及時(shí)撿收，也會(huì)造成損失。

1.3 主要內(nèi)容

項(xiàng)目建設(shè)具體內(nèi)容包括了解樹種生態(tài)習(xí)性，良種選擇，良種嫁接苗培育，良種苗起苗技術(shù)，良種苗運(yùn)輸，造林地選擇，造林地整理與挖穴，造林密度選擇，定植，定干，幼林與成熟林樹形培養(yǎng)，幼林與成熟林肥水管理，果實(shí)適時(shí)適法采收，密度選擇與產(chǎn)量關(guān)系，密度選擇與效益關(guān)系的項(xiàng)目框架見圖1。

圖 1 項(xiàng)目框架Figure 1 Framework

關(guān)鍵操作交互如下：(1) 苗木選擇與預(yù)期造林效果。了解良種嫁接苗、普通嫁接苗與實(shí)生苗造林后預(yù)期效果(圖2)。(2) 造林整地模式與密度選擇。了解不同地形應(yīng)選擇不同的造林整地方法，進(jìn)而可影響苗木的種植密度(圖3)。(3) 整形修剪方法與實(shí)操訓(xùn)練。了解常用的修剪方法，并讓學(xué)生了解通過系統(tǒng)修剪可達(dá)到的整形目的(圖4)。(4)水肥科學(xué)管理與實(shí)操訓(xùn)練。利用交互性操作讓學(xué)生了解科學(xué)的肥水管理方法及其對產(chǎn)量的影響(圖5)。(5) 科學(xué)采收與采收效果。掌握采收方式、采收時(shí)間及其對產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[5-6](圖6)。

圖 3 造林密度選擇Figure 3 Selection of afforestation density

圖 4 整形修剪分層及樹形Figure 4 Stratification and tree shape

圖 5 水肥管理Figure 5 Water and fertilizer management

圖 6 采收方式Figure 6 Harvesting methods

最終通過交互操作讓學(xué)生了解密度調(diào)控和樹形交互對產(chǎn)量的影響，從而掌握系列配套技術(shù)提高產(chǎn)量的科學(xué)方法，最終實(shí)現(xiàn)最佳栽培方式；并通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)隨實(shí)驗(yàn)成績獲得等級判斷(優(yōu)秀、良好與合格)，表明學(xué)生知識掌握的準(zhǔn)確度(圖7)。

圖 7 產(chǎn)量預(yù)測及效益Figure 7 Yield prediction and performance

以山核桃樹體栽培管理涉及的核心要素進(jìn)行虛擬仿真，有效支撐學(xué)生深入了解以山核桃為代表的南方特色干果樹種栽培完整流程，系統(tǒng)掌握正確的密度選擇和種植方法，熟練應(yīng)用山核桃樹體栽培管理過程中苗木定干、整形修剪、肥水管理等技術(shù)對樹體結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量等的影響。

2 建設(shè)實(shí)踐成果

2.1 創(chuàng)新教學(xué)方法

堅(jiān)持“學(xué)生中心、問題導(dǎo)向、學(xué)科融合、創(chuàng)新實(shí)踐”的教學(xué)理念，基于成果導(dǎo)向(OBE)設(shè)置多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，建立了“一核五式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，即在實(shí)驗(yàn)過程中以O(shè)BE教學(xué)模式加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)為“主核”，設(shè)置自主式、層進(jìn)式、交互式、支架式、反思式教學(xué)設(shè)計(jì)“五式”，具體如下：

(1)實(shí)驗(yàn)前：自主式。結(jié)合課程理論知識，學(xué)生可根據(jù)興趣自主選擇練習(xí)章節(jié)；在此模式下，學(xué)生自由選擇規(guī)范練習(xí)模式或自主設(shè)計(jì)練習(xí)模式。通過模擬練習(xí)或自主設(shè)計(jì)，不但鞏固了基礎(chǔ)知識也提高了創(chuàng)新能力。(2)實(shí)驗(yàn)中：層進(jìn)式。學(xué)生在沉浸式虛擬環(huán)境中操作，在操作中學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中層進(jìn)，從良種選擇、良種苗培育、起苗、運(yùn)輸、定植、肥水管理到果實(shí)采收全過程，在每個(gè)過程中設(shè)置過關(guān)題和知識點(diǎn)，既能學(xué)到樹體栽培管理的技術(shù)要點(diǎn)，又能通過適量的考核來衡量學(xué)生的選擇正確與否，使學(xué)生在虛擬的環(huán)境中體會(huì)到真實(shí)的感覺。交互式。在強(qiáng)化練習(xí)中，學(xué)生與線上教師進(jìn)行互動(dòng)提問與答疑；也可與虛擬場景、各類材料和物體實(shí)時(shí)互動(dòng)，進(jìn)行操作練習(xí)。系統(tǒng)具有錯(cuò)誤提示、正確操作提示和自動(dòng)評價(jià)的功能，學(xué)生通過人機(jī)交互的方式，實(shí)現(xiàn)邊練習(xí)、邊學(xué)習(xí)、邊調(diào)整，錯(cuò)誤和不足之處及時(shí)得到改正和補(bǔ)充。(3)實(shí)驗(yàn)后：支架式?！熬毩?xí)模式”和“考核模式”均從數(shù)據(jù)庫中隨機(jī)出題及自動(dòng)評分，能夠自動(dòng)生成可追溯實(shí)驗(yàn)全過程的記錄，便于學(xué)生及時(shí)了解與掌握學(xué)習(xí)進(jìn)程，進(jìn)行自我糾錯(cuò)；教師也能夠通過后臺看到每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作，并且通過個(gè)性化、差異化的出題模式考核每個(gè)學(xué)生，線上教師與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)提問與答疑，引導(dǎo)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作。反思式。實(shí)驗(yàn)操作結(jié)束后，自動(dòng)形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，學(xué)生可以反思自己的全部操作，并對自己掌握的情況做出評價(jià)。學(xué)生可根據(jù)評價(jià)結(jié)果和興趣，反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，進(jìn)而提高學(xué)習(xí)效果。此外，線下學(xué)生可利用校內(nèi)實(shí)踐基地，可進(jìn)行修剪操作，上傳相關(guān)信息至本項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫，教師對學(xué)生的實(shí)際操作進(jìn)行點(diǎn)評，學(xué)生之間相互點(diǎn)評，實(shí)現(xiàn)了師生互動(dòng)與生生互動(dòng)。

2.2 實(shí)施效果顯著

(1)提供了綜合實(shí)踐條件。利用虛擬仿真平臺實(shí)訓(xùn)手段，實(shí)現(xiàn)由單一基礎(chǔ)技術(shù)到各種技術(shù)綜合應(yīng)用的實(shí)訓(xùn)訓(xùn)練。力求體現(xiàn)林學(xué)專業(yè)的實(shí)際應(yīng)用及發(fā)展的趨勢，體現(xiàn)先進(jìn)性、前瞻性、實(shí)用性、可操作性及示范性。切實(shí)提高學(xué)生的實(shí)際操作能力和分析解決問題的綜合能力，使得純知識性的教學(xué)與培訓(xùn)變得更加生動(dòng)和形象，從而真正掌握現(xiàn)代林業(yè)技術(shù)[7]。

(2)滿足了深度學(xué)習(xí)需求。通過虛擬仿真教學(xué)軟件的應(yīng)用，讓學(xué)生課前、課中和課后在系統(tǒng)流程引導(dǎo)下根據(jù)自己學(xué)習(xí)進(jìn)度進(jìn)行有針對性地學(xué)習(xí)，同時(shí)可反復(fù)熟練強(qiáng)化操作技能的訓(xùn)練，而不受他人限制[8]。同時(shí)系統(tǒng)可根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)狀況幫助學(xué)生生成最優(yōu)化的學(xué)習(xí)路徑，通過智慧學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)生能直觀、快速、便捷地掌握經(jīng)濟(jì)林栽培應(yīng)用技能。

(3) 構(gòu)建了產(chǎn)業(yè)接軌平臺。教學(xué)互動(dòng)滿足相關(guān)課程的理論與實(shí)際相結(jié)合的教學(xué)要求，滿足教師與學(xué)生互動(dòng)式教學(xué)的需要，以達(dá)到提高學(xué)生實(shí)訓(xùn)效率及效果的目的。學(xué)生的實(shí)踐操作環(huán)境與產(chǎn)業(yè)接近，有利于行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)的實(shí)施，營造的虛擬與現(xiàn)實(shí)的實(shí)訓(xùn)環(huán)境不僅提高了學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，還提高了學(xué)生的專業(yè)情懷，使其更快地融入林業(yè)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐。

(4) 實(shí)現(xiàn)了教學(xué)資源共享。項(xiàng)目資源不僅惠及林學(xué)專業(yè)的師生，還支持了我校其他相近專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求。南京林業(yè)大學(xué)、云南農(nóng)業(yè)大學(xué)、福建農(nóng)林大學(xué)等兄弟院校相關(guān)專業(yè)引進(jìn)了該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。

3 結(jié)語

在“新農(nóng)科”建設(shè)背景下，針對卓越農(nóng)林人才培養(yǎng)應(yīng)具備的特征，林學(xué)類相關(guān)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)以加強(qiáng)實(shí)踐創(chuàng)新能力和主動(dòng)思維為主線，通過虛擬仿真技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)不同環(huán)節(jié)中培養(yǎng)學(xué)生自主運(yùn)用知識，發(fā)現(xiàn)并解決問題以及實(shí)施創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。另外，針對新時(shí)期產(chǎn)業(yè)需求主動(dòng)設(shè)置實(shí)驗(yàn)課程用人單位反饋機(jī)制，將有利于學(xué)生與產(chǎn)業(yè)實(shí)踐充分接軌，形成基礎(chǔ)驗(yàn)證、綜合實(shí)踐、創(chuàng)新開放充分結(jié)合，構(gòu)建多層次多維度實(shí)踐教學(xué)平臺，通過本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能得到系統(tǒng)有效地訓(xùn)練，提升學(xué)生實(shí)際操作水平[9-10]。