林窗干扰生态学的虚拟仿真实验教学体系

何中声，谢子扬，刘金福，徐道炜，郑世群

(1.福建农林大学 林学院，福建 福州 350002；2.福建省高校生态与资源统计重点实验室，福建 福州 350002)

随着虚拟现实（virtual reality，VR）技术发展，VR技术被广泛应用于高校课程教学。通过VR技术和课程内容有机融合对实现教学目标有较高价值[1]。虚拟仿真实验教学，也称虚拟现实实验教学，是指利用计算机基于VR等技术模拟真实情境生成一个仿真，具有多种感知的虚拟环境，用户可通过各种传感设备同虚拟环境互动的教学技术[2]。运用虚拟仿真实验教学技术，可调动学生多种感官，使抽象的实验内容具体化形象化，提升教学水平和质量。教育部于2013年开展了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，表明虚拟仿真教学在高校教学中的作用日趋重要[3-4]。

林窗（gap）是森林群落内林冠层优势树木的死亡而形成的间隙[5]，是森林中最普遍的干扰形式，在森林更新和演替过程中扮演着重要角色。干扰促进林窗小气候变化，导致微环境异质性与森林资源再分配，使其成为预测物种组成和更新的天然实验室，从而加深对生物多样性维持机制的理解[6-9]。林窗构成流动镶嵌的森林景观，促进了森林更新与演替[10]。目前，关于林窗干扰生态学的研究主要集中在林窗气象环境[11]、林窗土壤环境[12]、林窗与物种多样性关系[13]和林窗对森林更新的影响[14]。

1 虚拟仿真实验教学建设背景与思路

林窗干扰生态学实验具有周期长和干扰因素多等特点，传统野外实践教学难以达到当前林窗干扰生态学实验教学目的。当前林学和生态学等学科的实践教学存在开放度不够和综合程度较低等问题[15]，限制了学生对课程的深入理解。虚拟仿真实验教学具有仿真性高、互动性强、环境要求低、投入成本少和可重复性高等特点，适应新时期课程改革的方针，有效减轻教师教学负担和学生课业压力，增加师生互动性。为此，生态与资源统计福建省高校重点实验室依托林学、生态学、气象学和统计学等学科平台，将虚拟仿真实验教学技术运用于林窗干扰生态学教学实验中，通过整合林窗气象环境、土壤环境、物种多样性和森林更新等领域热点内容，增强学生实践操作能力，促使学生更好地理解和掌握林窗干扰生态学的实验原理和内容。

2 虚拟仿真实验建设内容

在林窗干扰生态学的虚拟仿真实验教学系统中，基于“虚拟操作与理论知识相结合”的虚拟仿真实验教学理念，以林窗气象环境、土壤环境、物种多样性和森林更新4个模块的实验内容为主（图1），通过构建实验场景模型，在虚拟仿真平台布置期末考核，收集学生对虚拟现实教学效果的评价。通过林窗干扰生态学的虚拟仿真实验教学体系，促使学生深入了解林窗环境与森林更新的内在机理，提高学生实践技能；依据学生对教学体系评价的反馈，进一步完善教学模式。

图1 林窗虚拟仿真教学内容流程图Fig.1 Flowchart for virtual simulation experiment teaching content of forest gap

2.1 林窗气象环境实验模块

林窗形成后，光温水条件的改善导致森林微环境的异质性，使林窗气象环境有别于非林窗[14]，对植物生长具有重要影响[16-17]。通过系统模拟森林真实环境，在不同面积大小林窗设置气象监测点（图2），监测林窗光照度、空气温湿度、土壤温湿度和降雨量等气象要素，收集不同时间尺度的气象数据，并以非林窗为对照。分析不同大小林窗和非林窗气象因子之间差异性，气象因子间相关性，衡量不同大小林窗气象要素的空间异质性，从不同大小林窗气象因子角度，促进学生理解森林微环境的作用过程。

图2 林窗气象环境实验模块Fig.2 Experiment module of forest gap climate environment

2.2 土壤环境实验模块

林窗作为森林常见的干扰方式之一，也是土壤养分循环的重要驱动力[18]。通过系统模拟土壤环境，设置林窗样地（图3），采用五点取样法收集土壤样品，利用高通量测序等多种实验方法测定土壤理化性质、酶活性和土壤生物群落结构，采用Pearson相关性分析土壤理化性质、酶活性与土壤微生物间相关关系，对土壤理化性质、酶活性和土壤微生物提取主成分，分析不同大小林窗对土壤环境的影响。

图3 林窗土壤环境实验模块Fig.3 Experiment module of forest gap soil environment

2.3 物种多样性实验模块

林窗从形成到郁闭与生物多样性有着密切关系，是森林群落物种共存和多样性维持的基础[19]。林窗面积及林窗群落类型产生的边缘效应，影响实际林窗和边缘物种多样性分布[9,20]。通过系统模拟设置林窗和非林窗样地（图4），基于胸径（diameter at breast height，DBH）调查更新层（DBH＜1 cm）和乔灌层树种（DBH≥1 cm）的种类、多度等，系统自动计算物种多样性指标。物种多样性指标包括α多样性（物种丰富度Margalef指数、Simpson优势度指数、Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数）和β多样性（Jaccard相似性指数和Bray-Curtis指数）指标[9]。物种多样性指标采用动画或视频形式对相关专业名词讲解，展示计算公式和计算过程。通过学习物种多样性概念和计算过程，有效理解林窗环境下物种多样性分布格局。

图4 林窗物种多样性实验模块Fig.4 Experiment module of forest gap species diversity

2.4 林窗更新实验模块

林窗形成后直接改变光环境异质性，调节森林小气候[21]，为种子萌发和幼苗更新创造有利条件，是森林更新的重要场所[22]。林窗凋落物也会通过物理阻隔方式抑制植物种子萌发和幼苗生长，进而影响更新[23]。因此，有必要开展林窗对森林更新的影响，揭示林窗对种子和幼苗更新的作用途径和过程。系统设置不同大小林窗和非林窗，让学生统计样方中种子雨动态变化，在第二年春季监测种子库动态变化，统计植物出苗率、死亡率和生长状况（图5）。结合环境因子探讨影响种子和幼苗更新的主要驱动因子，并对未来树种组成进行分析和预测。该实验模块旨在评估森林更新格局，预测森林树种更新动态。

图5 林窗森林更新实验模块Fig.5 Experiment module of forest gap regeneration

3 虚拟仿真实验的教学应用及效果

林窗形成后，林窗气象环境、土壤环境与非林窗存在明显差异，导致不同森林物种为争夺资源和空间生态位而表现出不同的竞争强度，促使物种多样性出现分化现象，进而影响树种幼苗生长情况，对森林更新具有重要作用[9]。“林窗气象环境、土壤环境、物种多样性和森林更新”成为近年来林窗干扰生态学研究的重点内容，取得了丰富的成果。林窗是一项长期复杂的森林演替过程，形成需要经历数十年甚至上百年，导致长时间实验无法正常进行；随着实验复杂程度增加，林窗研究涵盖多种前沿交叉学科，相关实验需要多学科合作共同开展。林窗干扰生态学传统实验受诸多因素的制约和实验周期长的限制难以观察，如何将相关研究成果进行可视化展示就成为学生提升自身能力的关键。

虚拟仿真实验教学运用虚拟现实、人工智能和机器学习等新型技术，是一种全新的教学模式。福建省高校生态与资源统计重点实验室基于虚拟仿真实验教学模式，将其应用于林窗干扰生态学的实验教学，针对4部分模块构建实验场景模型。林窗干扰生态学虚拟仿真实验通过系统地梳理和总结林窗气象环境、土壤环境、物种多样性和森林更新过程中的原理和方法，通过动画讲解和仿真模拟操作的教学方法，激发学生学习兴趣、培养学生掌握科学方法、提高科学素养和科研探索能力。同时，实验集实物仿真、场景虚拟、创新设计、智能指导为一体，具有良好自主性、交互性和可扩展性，打破传统教学模式在时间和空间上的限制，拓展了教师实验教学的渠道，提高学生实验操作能力和综合科学素养。

林窗干扰生态学是森林生态学和林学等学科重要的教学内容。实验开展过程中，传统教学以教师讲授为主，辅以图片、文献图表、野外调查和监测等手段，学生互动性和学习自主性不强。林窗虚拟实验教学使学生在虚拟原始森林中进行操作，将耗时长、上手困难的实验优先通过虚拟仿真实验教学模式进行预实验、动画教学、模拟操作、推导相关公式等步骤，让学生切实掌握实验要点和难点，做到实践和理论相结合；后续开展林窗实际研究时，通过系统期末测试，保证学生在真实环境下对林窗有较好的理解。

林窗干扰生态学虚拟仿真实验最大限度地实现了林窗教学的直观化和互动性，突出学生的教学主体地位，实现个性化翻转课堂目的；将以教师为主体的传统讲授型向以学生为主体的研究型转变，从而有效提高学生的学习主动性和积极性，促进创新型人才培养。同时，在实施过程中，虚拟仿真教学模式可根据不同的授课群体，包括教师教学定制、学生自学和公众科普宣传等，提供个性化实验内容和访问接入服务，有效推进生态学实验教学的信息化建设，提升社会环境保护意识和促进生态文明知识传播。