俞 飞，陈 荣,2，伊力塔,2，林海萍，赵丽华

（1. 浙江农林大学 林业与生物技术学院，浙江 临安 311300；2. 浙江农林大学 林学类国家级实验教学示范中心，浙江 临安 311300；3. 浙江农林大学 实验室与设备管理处，浙江 临安 311300）

空间信息、虚拟仿真和计算机图形等技术的不断渗透和交叉使得“数字化地球”从理念逐渐成为现实，数字校园的理念也随之兴起，国内高校陆续开展了相关的探索和建设工作[1-2]。纵观目前的数字校园建设，主要以人文校园为主线，综合三维仿真、网络技术、GIS、多媒体信息等手段，建立虚拟仿真场景[3]，但是如何利用校园自身特色建设数字校园值得思考和探索。

国内农林院校大多占地面积大，而且在校园内有一定数量的农场或林场用于教学和科研活动，这是不同于其他高校的校园特色。因此，农林院校可以充分利用校园自然资源和人文条件，将基于地理环境、水文状态、植被覆盖、建筑的数字校园建设与服务渗透到学校的教学工作、教师的科研工作，以及行政部门的管理之中。本文以浙江农林大学为例，探讨校园与植物园合一的多功能渗透式数字校园建设的实践。

1 高校数字化建设的特点

高等学校数字化的重要内容之一是实现实验课程教学的数字化，即实验教学的虚拟仿真建设。这建立在数字技术与教学方法、专业知识全方位融合的基础之上[4-5]。根据虚拟仿真实验的特点，可构建包含演示型、基础型、综合型、设计型、创新型5 个层次的融合体系，实现预期功能[6-8]。

（1）演示型。该类型的实验以传统的教学演示为主，兼有使学生初步了解实验过程，熟悉实验环境，分析实验结果，对实验原理有初步的理解。

（2）基础型。该类实验的目的是让学生掌握基础知识，主要通过演示方式使得学生进一步理解理论知识，实验设计以各学习单元的基础独立实验为主线。

（3）综合型。该类型实验的目的是促进学生对知识体系的系统性掌握。实验内容由一个体系内的若干关键性基础实验内容组合而成，学生通过学习建立各实验单元之间的联系，掌握相关的系统知识。

（4）设计型。该层次的实验常以提出若干不限定解决方案的问题让学生总体设计。学生通过综合运用所学的专业概念和理论进行思考、分析，提出设计方案并加以实现。

（5）创新型。此类实验层次属于实验教学的最高层次，其目的是帮助学生提高创新能力，鼓励自主创新。通过完成具有挑战性的任务，为学生参与各类国内外创新竞赛，申请并完成创新基金项目等提供保障。

目前国内虚拟仿真实验教学虽然根据各自实验条件自行开发教学软件，但大部分实验内容仅停留在演示和基础型层次，并没有根据实验设备、实验内容挖掘深层次的数字化实验方法，从而达到虚拟仿真教学的核心目标[9]。因此，有必要将信息技术与教学内容深度融合，开发有助于学生自主学习、自主管理和自主服务的数字环境，并辐射到文化传承和交流、科学教育和普及等领域，在实践中充分体现虚拟仿真教学的价值，在内涵上真正实现校园的数字化。

如何构建科学的虚拟仿真实验教学体系，需要考虑以下问题：什么是虚拟仿真实验教学；建设虚拟仿真实验的目的；如何开展虚拟仿真实验教学；如何确保虚拟仿真实验教学的可持续性。为此，我们应该从以下思路着手开展相关建设工作：

（1）有机地结合现实环境和数字环境。这是建立虚实结合、相互补充的虚拟仿真实验教学体系的前提。

（2）深度融合教学资源与信息技术。从信息技术应用转变到以信息技术支撑于教学，实现以知识传授者为中心向以学习者为本转变，使信息技术真正进入教学活动的全过程。

（3）构建针对自主特色的学习互动开放教学平台，创建自主虚拟实验和远程实验环境。

综上所述，从资源整合、共享平台建设，到队伍管理、体系搭建进行系统思考和探索，是开展虚拟仿真实验教学的重要途径。

2 数字校园建设的特色和优势

我校是浙江省唯一的省属本科农林院校，其位于杭州市临安区的东湖校区是由校园、植物园“两园合一”的思路建设而成，浙江农林大学校园植物园总体规划见图1。占地约1.4 km2的校园将“生态文化”和“植物进化”进行有机融合，既是一个读书做学问的地方，亦是生物多样性保护、观光旅游和科学普及的地方。

图1 浙江农林大学校园植物园总体规划

校园植物园独特的植被和地形地貌优势为建设虚拟仿真数字校园提供了丰富的素材。经过 18 年的发展，校园植物园引种2700 多种植物，并以克罗奎斯特（Cronquist）分类系统布局，建成了一个以亚热带植被为特色的植物园，拥有世界蜡梅园、珍稀园等多个专类园，目前已成为国际植物园联盟保护组织 (BGCI)的成员。校园植物园结合亚热带植物、森林动物、森林土壤与岩石、森林病理与昆虫等标本馆，着力于培养学生的基础知识与技能。其中数字标本馆已成为国家科技部教学标本信息平台的子节点，拓展了科学研究和学术交流的外延，为中科院提供了优质标本5000份的同时，每年与多个单位合作开展一系列科研项目，尤其在植物资源开发利用和珍稀濒危植物迁地保护方面发挥了积极作用。如与浙江普洛康裕天然药物有限公司合作研发新药制剂，与临安市昌化镇朱穴村合作开展新农村建设，与上海辰山植物园合作科研引种工程等，实现了全国教学标本的资源共享，该成果已获浙江省教学成果奖一等奖。同时结合校园植物园独特的地形地貌，建立了植物园—流域生态园实践平台，将植物园地形叠加到虚拟可视化平台，为林业精准化研究和管理提供数据共享。该实践平台可以用于森林管理、自然规划等专业的实践技能学习，除了本校师生以外，先后为浙江大学、同济大学等高校的相关课程提供了实践场所。该研究成果荣获国家教学成果奖二等奖。“两园合一”数字校园建设支撑平台见图 2。利用校园植物园的内部资源优势以及外部资源，培养学生的实践能力，提升学生思维能力，实现了生态思维与实践教学的有机融合。

图2 “两园合一”数字校园建设支撑平台

3 校园数字教学资源开发方法探索

在收集和获取校园航拍影像、遥感影像等地图和空间数据信息的基础上，使用数码相机或无人机获取建筑、道路、植物等景观类型的纹理数据，并辅以相关文字、语音介绍，或相关的多媒体属性数据，然后叠加空间和地理信息，构建生态环境三维影像、时空过程表达模型，力求从景观格局静态可视化、环境过程动态可视化对真实的生态环境进行数字化[10-12]。

数字化主要包括以下内容：

（1）三维仿真场景构建。此模块属于构建“数字校园”的基础层。其中包括主要建筑等人工景观、植被和地形地貌的建模过程。利用航拍、遥感以及数码、无人机照相技术获取各类照片及纹理数据，按照指定的相对地理空间位置定位的前提下，将模型进行烘焙处理后进行场景集成，可虚拟实现校园地理和植被的真实情况，集空间技术、智能定位搜索、校园 3D 漫游、校园人文历史虚拟体验等多重功能，具有人机实时交互和动态性的功能。为向公众展示校园的内涵和外延可起到重要作用。

（2）植被属性信息查询。构建场景的同时搜集获取各类基于空间的信息(包括文字、图片、影像、声音等)，用户利用便携式设备便可进行即时查询。除此之外，利用定位技术开展主要树种的定位工作的同时将植被的属性信息与空间信息进行集成。充分将“生态文化”信息和“植物进化”信息有机融合，可以全方位地了解校园的地形及植被信息。

（3）生态过程及规划模拟。如何充分利用校园特有的地形植被优势开展设计、创新型内容是此项目的关键所在。因此，在准确获取基础地理数据（地形图、航空与卫星遥感数据等）的同时也要考虑系列、完整地反映气候、植被、土壤等生态因子的基本状况，然后综合评价这些生态因子，以及人—地耦合系统中的土地利用与土地覆被、用地适宜性、生态环境承载力等一系列内容，甚至反映区域生态系统的演替特征，并预测演替趋势，“两园合一”数字校园建设总体规划见图3。

图3 “两园合一”数字校园建设总体规划

在构建校园系列分布图之前，需要对其生态环境进行系统分析和知识模块挖掘。从单一植被信息属性查询向植物生长过程及环境适应性等设计型和创新型方向深入。真正达到从植被与环境的认知深化至植物生长过程和生态过程的设计，实现生物的形态和生理信息与环境信息真正的融合。

由此可以形成以下优势：①生态校园数字资源是一种新型专题信息化图集。它的功能定位标准是在充分实现信息可视化的同时，实现空间计算与分析，最终实现虚拟仿真功能。它的主题定位标准是涵盖从生态因子分析、组合型评价、综合评价，以及预测和规划等的所有静态和动态评估功能。②根据生态校园数字资源，可以同时构建面向对象的全关系型（包括分析和表达需求）数据模型。③生态校园数字信息资源可以实现表示方法和图形设计上的新追求，可以较为成功地在个体、种群、群落、生态系统和景观层面，将3D 模型仿真场景展示到数字地图中。

4 结语

建设数字化、信息化校园是高校建设的大势所趋。值得注意的是数字化建设的初心是为教学、科研和行政工作提供高效和优质的服务，所以必须与高校自身的资源和特性相契合才能真正发挥作用。农林类高校校园拥有大面积的农林实验场的资源优势，并且具有培养新型农林人才目标和科普农林知识的任务，所以农林类高校的数字化建设特点是要与其自然资源相契合。下一步将根据此思路开展实践，以期为国内同类高校的数字校园建设提供参考。