群落演替与生态修复虚拟仿真综合实验教学系统建设

专题

群落演替与生态修复虚拟仿真综合实验教学系统建设

于晓娜，郭卫华（），王仁卿，杜宁，张淑萍，贺同利

山东大学生命科学学院，青岛，266237

摘 要：虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物。学院基于植物、动物、微生物、生态学专业方向特色及人才培养方案，依托学科发展优势和科研平台，构建了群落演替与生态修复虚拟仿真实验教学系统，虚拟实验内容由标本采集与制作、微生物数量统计与分析、植物群落调查、湿地生态系统修复4个模块组成。本文对教学应用和教学效果进行了探讨，以期有助于更有效地利用虚拟仿真实验教学项目，真正做到为理论教学提供虚拟素材，为实践教学提供辅助手段。关键词：虚拟仿真，群落演替，生态修复，实验教学，生态学

Construction of Virtual Simulation Experimental Teaching System for Community Succession and Ecological Restoration

YU Xiao-na，GUO Wei-hua（），WANG Ren-qing，DU Ning，ZHANG Shu-ping，HE Tong-li

School of Life Sciences，Shandong University，Qingdao266237，China

教育的形成，教育从封闭走向开放、共享，课堂由

1 虚拟仿真实验教学建设背景与思路

综合实验是高校生物类相关专业的重要实践教学内容，是本科生培养方案的重要组成部分，是培养学生的科研能力、团队精神和协作意识的重要途径。随着经济的高速发展，国家与社会对复合型、多元化人才的需求日益凸显，推动着高校人才培养模式的转变，“互联网+教育”成为一种新的教育模式，已逐步渗透到高校教学改革与实践中，推动了信息技术与高校教育的深度融合［1］，促进了新生态

单调走向信息化、游戏化，实现了教育资源的重新配置和整合，对教学改革产生了冲击性的影响。

目前生态学实验教学存在综合度不高、信息化水平低、开放度不够等普遍问题，而且某些课堂教学，尤其是概念教学很大程度上脱离了学生的生活经验，学生难以理解，而又难以通过实践学习加以巩固。山东大学注重生态学实验教学，教学团队不断改革创新，推动以学生为中心、以问题为导向的研究型教学方式与学习方式的实验教学改革，注重学生创新能力、实践能力与科研能力的培养，建立实验教学中心信息化平台，改变以教为中心的传统教学模式，为枯燥乏味的理论教学提供虚拟素材，有效克服优质资源的稀缺性，提高资源的使用效益。

黄河三角洲湿地是中国暖温带最年轻、最广阔、

收稿日期：2019-03-19；修回日期：2019-06-08

基金项目：山东大学实验室建设与管理研究项目（sy20181501；sy20182501）；山东省本科高校教学改革研究项目（M2018B347）通讯作者：郭卫华，E-mail：whguo@sdu.edu.cn

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保存最完整的河口新生湿地［2，3］，是科学研究的重点区域，也是生态学相关专业本科生的重要实习地点，具有群落演替快速、动态变化明显、生态序列完整、海陆变迁活跃、生态环境脆弱等特点［4］，受到河、海、陆的交互作用影响，植被为原生性滨海湿地演替序列，是研究演替与修复最理想的区域，具有典型性、独特性［5］。山东大学基于植物、动物、微生物、生态学专业方向特色及人才培养方案，依托学科发展优势和科研平台，构建了群落演替与生态修复虚拟仿真实验教学系统，在传统综合实验的基础上，增加黄河三角洲生态特征、湿地类型、演替序列与过程、生态修复方法与技术等传统实验难以实施的实验内容，拓宽了本科实验教学的深度和广度，增加实验趣味性，提高学生的积极性［6］，进一步培养学生的创新能力、科研能力等。

生物标本是分类学研究最基本的材料，是生物学理论课程的拓展与延伸，标本采集与制作实验项目能够培养学生实践能力，也是今后从事相关教学和科研工作的基本技能。教学系统中设计了昆虫标本与植物标本两个模块。

学生进入虚拟室内实验室，利用枝剪、标本夹、台纸、捕虫网、烘箱等实验工具，根据实验提示，分别完成昆虫标本制作和植物标本制作，并了解植物分类学、昆虫分类学的理论和方法，重要科、属、种的鉴别特征（图1）。

2.1 标本采集与制作模块

2.2 微生物数量统计与分析模块

系统设计了土壤微生物数量统计模块（图2），通过对不同演替过程中的不同群落进行取样，获取土壤样品，然后通过实验室操作，使学生认识到在群落演替过程中，伴随着植物的变化之外，土壤微生物也会发生相应变化［7，8］，从而形成群落演替过程中地上-地下的整体概念。学生需要在场景中获取典型样地中的土壤样品进行微生物数量测定，了解在群落演替过程中土壤微生物种类和数量的变化，

2 虚拟仿真实验建设内容

在群落演替与生态修复虚拟仿真实验教学系统中，基于“以虚补实、以虚促实、虚实结合”的虚拟仿真实验教学理念和思路，设计了4个实验模块。分别为标本采集与制作、微生物数量统计与分析、植物群落调查、湿地生态系统修复。

图1 标本采集与制作模块

图2 微生物数量统计与分析

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并运用相应的方法对实验结果进行多样性分析。萎缩、土壤盐渍化严重、植被生态功能退化、物种多样性衰减等生态环境问题［9，10］，系统模拟了枯水、海水倒灌等场景下的逆行演替序列，通过人为干预，对生态系统进行修复。

在群落演替过程中设置了一个枯水与海水倒灌交互作用场景，学生进入场景中，根据提示，实施生态修复。生态修复设计了三个不同的水分条件模式，即最小、最适和理想生态需水量［11］，退化生态系统在生态修复后形成三种不同的生态景观（图4）。

2.3 植物群落调查模块

黄河三角洲新生湿地的植被演替，是国内不多见的新生、原生演替序列，黄河水直接决定了黄河三角洲地区动植物种类、数量和分布［4］，根据黄河三角洲湿地生物群落演替的普遍规律，设计了三个不同场景，分别为：在黄河丰水期，形成了裸地—盐地碱蓬群落—芦苇群落的演替序列；在平水期，形成了裸地—盐地碱蓬群落—柽柳群落—芦苇群落—芦苇+白茅群落—小香蒲群落的演替序列；在枯水期，海水倒灌作用下，柽柳、芦苇等无法适应海水水淹环境，出现逆行演替，存在大面积枯枝，逐渐向碱蓬群落甚至裸地退化。

系统随机为学生分配场景（黄河丰水、枯水、平水期），学生进入场景中进行各项指标测定。通过植物群落调查，了解该实验地的物种分布状况，并通过对植物根、茎、叶、花、果等形态特征观察，进行植物检索，生成分类识别结果；同时利用工具对样方进行数据测量，完成植物群落数据统计，形成相应的调查表，了解在滨海湿地群落演替过程中地上部植物的变化过程（图3）。

3 虚拟仿真实验在教学中的应用及效果

3.1 教学方案

群落演替是生态学重要的教学内容，但在时间尺度上跨越较大，需要经历几十年甚至上百年，如此长时间的学生实验无法进行；生态系统修复是一项长期复杂的工程，在实践中学生很难参与到耗资巨大且具有一定危险性的工作中。虚拟仿真实验教学系统使学生在虚拟场景中进行操作，将复杂、耗时长、难度大的实验先通过虚拟仿真实验进行预习、模拟操作，让学生进一步掌握实验中的要点和难点。

我们设计了循序渐进的群落演替与生态修复教学方案，以“生物如何在裸地上一步步定居？”为切入点，通过问题式启发教学，达到激发学生学习兴趣、提高学生学习的主动性和创造性的教学效果。通过对演替概念、演替分类及人为干扰等内容的回

2.4 湿地生态系统修复模块

近年来黄河口出现了黄河河道断流、淡水湿地

图3 典型植物群落调查

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图4 退化湿地生态系统的修复

顾，加深学生对基本概念的掌握。通过图片和影像资料，将学习内容切入黄河三角洲，以黄河九曲、黄河改道、河海交汇等内容来加深学生对黄河及黄河三角洲的认识，使陌生抽象的教学内容变得直观具体，增强学生对滨海湿地演替的认识和理解。

学习能力、思维能力、实践能力和创新能力的培养，大大提升人才培养质量，从而开创虚拟实验和实体实验协同育人的新局面。

参考文献

［1］郭鑫. “互联网+”背景下高校信息化教学模式的改革研

究［J］. 文化创新比较研究，2017，1（27）：80-81.

3.2 教学效果

按照设计的教学方案，在5个班级中进行了实验（收回95份调查问卷），效果良好。96.84%的学生认为虚拟仿真实验对实际实验过程有所帮助，93.68%的学生认为进行完虚拟仿真实验后，对实验流程有更清晰的掌握，91.58%的学生认为虚拟仿真教学模式推动了自主学习能力的提高，97.9%的学生想要继续体验虚拟仿真实训教学系统。虽然虚拟仿真实验能够提高学生对群落演替与生态修复实验的整体认识，能够对实验流程有更好的掌握，但虚拟操作与实际操作毕竟有出入，也有学生反映“实际操作会出现各种各样意料之外的问题，虚拟仿真只是理想情况”，“没有实际操作，可能会遗漏细节”，“与实际操作仍然不同”，“虚拟实验更类似于测试”等问题。完全依赖虚拟平台教学无法满足学生真正掌握实验所要求的全部知识点，无法让学生产生直观的印象，因此我们通过虚实结合来解决这一难题。

为进一步提高学生的动手能力，山东大学在实体实验及野外实习过程中，分别设计动植物分类、生物标本制作、群落特征调查等实验模块，做到虚拟实验与真实实验课堂相互补充，实现虚实结合的目的。山东大学虚拟仿真实验是教育与科技的融合，是教学与科研的渗透，这种“虚实结合、以实补虚、以虚促实”的实践教学模式有助于学生获得系统全面的实验技能训练，建立完整的知识体系，拓宽学生视野，促进学生自主学习、协作学习，增强学生

［2］丁洪安. 山东黄河三角洲国家级自然保护区［J］. 湿地科

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（责编 李 融）