三S技术在基层林业工作中的实践及前景展望（推荐）

第一篇：三S技术在基层林业工作中的实践及前景展望（推荐）

三S技术在基层林业工作中的实践及前景展望

作者：李诚 曾海平杨东海 来源：宁都县林业局 更新时间：2009-03-02 00:00:00

浏览：2054次 评论：0条 三S技术简介

1.1 地理信息系统GIS

地理信息系统 Geographic Information System 简称 GIS,是在计算机软件和硬件的支持下 ,运用系统工程和信息科学理论 ,科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据 ,以提供对)规划、管理、决策和研究所需信息的空间信息系统。地理信息系统是集地球科学、信息科学、计算机科学、环境科学、管理科学于一体的边缘科学。其最大特点在于可以把社会生活中的各种信息与反映地理位置的图形信息有机地结合起来 ,从而使复杂空间问题的科学求解成为可能。它具有空间数据处理能力和空间信息分析能力 ,属性数据和图形数据并存的特点 ,可根据用户的要求迅速地获取满足需要的各种信息 ,并能以地图、图形或数据的形式表示处理的结果。

1.2 全球定位系统GPS

全球定位系统（Global Positioning System-GPS）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。

1.3 遥感RS

遥感Remote Sensing简称RS,它的含义是遥远的感知,也就是不直接接触物体,从远处通过探测仪器接收地物的电磁波信息一般是电磁波的反射、辐射 ,通过对信息的处理 ,从而识别地物。遥感一般选用卫星或飞机作为传感器的遥感平台。遥感探测不受地面条件的限制 ,视域范围大 ,不仅可以获得可见光波段的电磁波信息 ,而且可获得紫外、红外等波段的信息 ,加之成像周期短 ,可以弥补传统调查方法中的周期长、野外劳动强度大的不足 ,特别是对一些高、寒、热人迹罕至地带的调查更具有利用价值 ,已成为森林资源动态监测不可缺少的信息源。实践证明 ,在宏观、快速、动态性等方面遥感具有其他技术不可代替的优越性。

三S技术在基层林业工作中的应用实践

我县林业技术工作者近几年对三S技术在基层林业工作中的应用进行了积极探索和实践，取得了较好的成效,三S技术已应用到林改、林业产权交易、森林资源评估、公益林管理、林地查验、森林资源调查、营造林规划设计及检查验收等多个环节，林业技术正逐步进入高精度、高效率的轨道。

2.1 地理信息系统(Gis)应用实践

2.1.1 林改应用

林改内业是工作量非常大的一项工作，用手工方法精度难以保证，效率很低。我县从2006年林改内业期间开始使用地理信息系统。软件使用的是江西省林业规划院开发的林权证附图打印系统。

2.1.1.1 基本操作步骤

1、将林改内业图(或外业图)扫描进电脑并进行配准和纠正；

2、对林改宗地进行矢量化(在电脑中沿宗地界勾描一边)；

3、按设计好的界面打印出附图；

4、矢量化后自动产生面积，在电脑中直接导入林改数据库用于制证(附图打印系统软件先导出到Execl表中，再由Excel表导入到Access数据库)；

2.1.1.2 使用效果分析评估

林改工作中地理信息系统应用成效非常显著，省厅督查组及相关领导给予了高度评价，并向其它县市推广。

一是保证了面积计算的准确性及制图质量。理论上使用地理信息系统计算的面积其误差可以接近为0，实际操作中也会出现一些误差，原因主要是矢量化时对重复边处理得不好，工组操作不够熟练及一昧求快所致。操作熟练后面积误差一般能控制在0.5%以内。

二是提高了工作效率，大大加快了速度。工组人员摆脱了传统的点坐标格计算面积的枯燥烦琐劳动，经测算工作效率提高了10倍以上。使用过地理信息系统的，基本不会再用点方格纸的方法计算面积了。

三是为后续应用打下了良好基础。林改宗地矢量化后以宗地文件的形式保存在电脑中，为后续利用提供了极大的便利。我县此后的林业产权交易、森林资源调查评估、各项规划设计都反复用到这些资料。

近些年在宁都周边县从事林业经营的公司、林业大户，通过在经营活动中的比较,对宁都的林权证制图质量及面积的准确率也发出由衷的赞叹。

2.1.1.3 技术要点

1、扫描图的配准纠正工作必须保证精度；

2、林权证附图打印系统有较多的限制和缺陷，所以在有一定基础后应使用专业的地理信息系统软件（当前较流行的地理信息系统软件国外的有Arcgis、mapinfo，国内的有超图、mapgis）。专业地理信息软件包括点、线、面等类型,一般以数据库的形式管理图形，每一类图形为一个表格，一个图形(比如林改的一宗地)为表格中的一行，便于管理大量的宗地(林权证附图打印系统同时打开100多宗地便出问题，而专业软件可以同时打开数万宗地)；

3、林权证附图打印系统可将宗地文件导出成SHP格式的文件（地理信息软件系统通用格式文件）。

2.1.2 公益林管理应用

林改结束后，根据林改资料发放公益林资金是一项难度较大的工作，要把原有的公益林小班与林改宗地进行对应，用手工方法是非常烦琐的。地理信息系统软件在这项工作中又显示了其优越性。

公益林管理我们使用的是一款通用的地理信息系统软件，该软件功能强大，结构完善，是当前市场占用率最高的地理信息系统软件之一。

2.1.2.1 基本操作方法及要点

1、把勾绘了公益林小班的1:1万地形图扫描进电脑，按林改宗地同样的坐标系统配准好并矢量化；

2、把公益林图层及林改宗地图层加载到地图文档，把其中一个图层设置为半透明，即可直接看出公益林小班与林改宗地的对应关系。

3、使用select by location工具可选出被某一公益林小班包含或与之相交的林改宗地，使用Clip工具可以切割出被公益林小班包含的宗地（切割前应做好备份）。

4、在切割出的林改宗地中输入对应的公益林小班号，在Access数据库中进行统计处理，即可制作出公益林资金发放明细表(地理信息系统也带有一定的统计汇总功能，但似乎不如Access好用)。

5、在公益林管理中使用地理信息系统的成效也是显而易见的，据了解，因为准确性和效率问题，许多县根本没法建立公益林与林改宗地的图表对应关系，也有一些县对林改资料可靠性存有疑虑，所以公益林资金发放的面积全部重新计算和落实。

2.2 全球定位系统(GPS)应用实践

型号：GPS72，GPS76，2.2.1 基本操作要领

2.2.1.1 坐标转换参数的设置

1、位置格式的设置

输入相关的参数，包括：中央经线(江西省经度包括第19和第20两个6度带，第19个6度带经度区间范围为E108-114，中央经线为E111；第20个6度带经度区间范围为E114-120，中央经线为E117；)、投影比例(=1)、东西偏差(=500 000)，南北偏差(=0)。

2、地图基准的设置

相关的参数，包括：DX、DY、DZ、DA（＝-108）、DF（＝0.0000005）。DX、DY、DZ因地区而异。江西省第19个6度带DX＝+38.66，DY＝-87，DZ＝-52；第20个6度带DX＝+41，DY＝-84.7，DZ＝-54.3。

⑷已知坐标点校正ＧＰＳ的误差

东西偏差＝500000－△Ｘ南北偏差＝０－△Ｙ

我县根据不同乡镇选择的数十个点（桥梁、叉路口）进行校正，确定的△Ｘ=64米，△Ｙ=0。

2.2.1.2 存点

在接收机正常工作时，任何页面下持续按下鼠标键(3秒)则出现标志航路点(存点)页面，默认状态下，此时的光标在“确定”项，再次按下鼠标键即可保存该航点。

2.2.1.3 保存航迹

GPS默认设置会自动记录航迹，即只要打开GPS电源，搜索到卫星信号后，即开始自动记录航迹，关闭GPS停止记录航迹。

关于GPS的使用，第六次连清复查时省规划院发过一份《江西省手持GPS接收机在森林资源连清中的应用说明》电子版，里面有更详细的说明。读者要获取更详尽的操作指导可查阅该资料。在这份说明中提到，航迹存好后应立即关闭，不能以关机来代替，否则，下次开机后航迹将同时开启，其原因是这样很快就会把航迹存满，并自动删除前面的航迹记录。所以一般情况下，不允许使用保存航迹的功能。但我们认为开机开始记录、关机停止航迹这种设置操作上极为便利，非常便于GPS的推广使用，只要每次把航迹资料及时存入电脑，删除前面的航迹影响不大。

2.2.1.4 航点航迹的导出

2.2.1.4.1 基本思路

对于少量的航点，可在手持机上读出数据，但对于航迹及大量的航点数据就无法这样操作了。从我们的实践看，GPS必须与GIS结合，才能更充分的发挥其效能。将GPS中的航点、航迹导入到GIS中，根据这些点和线可以再组合成所需要的点线面等要素，从而完成面积长度计算、制图出图等任务(GIS中可以很方便地与地形图叠加)。对于一些界线明显、实地行走困难的地段，对坡勾绘与GPS实测资料相结合也是提高效率的方法之一。

2.2.1.4.2 操作步骤

1、使用专用连接线把GPS通过串口连接到电脑;

2、启动MapSource软件。我们现在用的MapSource版本是6.9.1汉化版。在MapSource中要设置好与手持GPS一样的参数。通过传送菜单中的从设备接收工具即可从手持GPS机中将数据传入MapSource(GPS机应打开)。

3、接收的数据可以保存为以*.gdb为扩展名的文件，下次再使用时通过MapSource打开此文件即可。MapSource可以进行航点航迹的查看、移动、删除等操作，因为觉得导入GIS中使用更为方便，所以未深入探究。

在MapSource中，我们没有找到与GIS直接的接口，我们摸索出的方法是将航点航迹数据复制到Excel中(每个航点为一行，航迹数据也会分解成若干个点，并按时间顺序编号)，在Excel中，对坐标还要进行一些处理，因为其XY坐标数据连在了一起,所以通过left、right函数取出XY值形成单独的字段，并给X坐标加上带号（宁都为39）,保留点号、X值、Y值三个字段，保存并关闭Excel；

4、在地理信息系统软件中加载前一步制作的航迹文件；

5、按点号顺序将航迹点连成线或多边形，即可求出长度或面积(在MapSoure中航迹点是用线边接在一起的，但目前还没有想到把那些连接线直接搬到GIS中的方法，我们正在设计一个在GIS中将这些点按顺序自动连接成线或面的程序，由于有顺序号，使用自动捕捉功能，在电脑中手动将各个点连起来也还是很便捷的)。

8、叠加扫描并配准好的地形图，加上标注即可制作出成果图。

2.2.1.4.3 应用场合

我县现有GPS5台，型号为GPS72、GPS76。

辅助判图：通过GPS快速测出站立点的坐标，标注在地形图上对判图可提供很大帮助，对陌生地形、复杂地形、视线不开阔、以及新手有很大的帮助。

矿山面积测量：矿山一般都破坏了原有地形，用地形图勾绘比较困难，即使没破坏地形，有些不是明显山脊山窝的界线也难以分辨，使用GPS，只要让民工持GPS绕边界走一圈，在开始点开机，在结束点关机，按前述方法导进电脑，即可计算出面积和出图。

林区公路测给：我们为两个林场测过林区公路，就是沿公路走一遍，把航迹导入电脑，叠加到地形图上出图，其间有部份路程使用了汽车，发现车速过快时误差较大，在步行情况下精度可以保证。

2.3 遥感(RS)应用考察及实践

当前比较成熟的遥感资料来源主要是卫星照片和航拍照片，目前北京提供卫片的公司很多，笔者考察及对照过多家公司的卫片资料数据，以下列出几种。美国QuickBird(快鸟)卫星是目前商业应用领域分辨率最高的一颗卫星，其全色数据分辨率达0.61米，多光谱数据分辨率达2.44米，成图比例尺可做到1：2000。

价格为每平方公里146—389元，法国SPOT-5数据分辨率分别为：2.5米全色、5米全色和10米多光谱，带宽均为60公里，一景面积3600平方公里，每景单价为14900—29800元（每平方公里4—8元），最小单位为1/8景。

从卫片的效果看，快鸟0.61米数据完全可以分辨出地类、郁闭度，结合样地资料应该能分辨出树种，可以完成大部份的小班区划调查工作，而且价格也已经基本上可以接受。当前的应用障碍主要是高分辨率的存档资料一般为大中城市，林地的较少。如果是编程拍摄，一是成本较高，二是周期较长(原因之一是林地卫片重复利用率低，卫片公司不会优先拍摄。原因之二是南方阴雨天气多，时机难以把握)。

江西国土部门1996年就开始使用航片，江西最新航片为2005年拍摄，为黑白的，主要也是国土部门在使用，初步对照其分辨率与快鸟0.61米数据类似，完全可以用于小班区划，但目前林业部门要获得还比较困难。

我县目前正将航片试用于造林绿化“一大四小”的规划设计，与林业部门当前使用的古老地形图相比，因其房屋、道路状况更新到了2005年，所以有较大的优越性，但林业工作站人员掌握使用还有一个适应阶段。

最近发现的一个使用诀窍是：航片图反着看(即由北往南)其效果好得多，所以如果是在GIS中查看，必须将其旋转180度，如果是打印出来的图，记着把它倒过来。另外根据我们的观察，打印出来的航片图以1:2500至1:5000比例尺的效果较为理想。

目前还有一些公司提供遥控飞艇、遥控飞机的拍摄服务，因其快速灵活，理论上说其应该很有前途。但从与多家此类公司的交流情况看，其用于林业的模式还不是很成熟，成本较高。福建省将乐县林业局采用绳索控制汽球将自动摄相机升上高空进行遥控拍摄，全套设备在4万元左右，目前还没有得到其效果情况的资料。

三S技术在基层林业工作中的应用前景展望

3.1 防火指挥

从多年的森林火灾扑救实践看，扑火指挥的效率极低，在许多情况甚至根本无法实施有效指挥，是最有必要实施三S技术且最能够体现三S技术威力的场所。根据目前的技术发展状况，设想其运作模式为：

1、建立林业基础地理信息系统，其内容应包括:最新航拍图、最新地形图（在难以从测绘部门获得地形图的情况下可结合航片图自行制作）,道路（应包括普通公路、林区公路、林区小道）、村庄(最好能包含到自然村人口及劳动力信息)、河流、手机信号覆盖面、森林资源状况等项目，以上内容的获取应结合二类调查进行。

2、发生森林火灾时，扑火队或火情观察员使用GPS测出队伍位置、火点位置，并通过手机或其它通讯设备报告到指挥部。指挥部参谋人员及时把坐标输入电脑，通过地理信息系统及时定位到地形图或航片图，形成最新的包括火点火线、扑火队伍、地形地貌、水文、可调配劳力、森林资源价值、通信保障等情况的现场态势图，该态势图可几分钟更新一次，有了现状态势图，指挥员便能真正实现高效率的指挥。

对火线走向可建立模拟动画，有条件的还可利用卫片、航片资料结合地形图建立电子沙盘。

3.2 森林资源调查

将航片资料(RS)加载到地理信息系统(GIS)，即可直接进行小班区划。利用样地调查资料建立样地数据与航片判读信息的对应资料进行小班因子航片判读训练及准确性检验和校正，对因样地资料偏少无法保证可靠性的林地类型可进行补充样地调查。在固定样地调查的应用上，为了便于今后复查，除了存储样地西南角的坐标点，还应当存储寻找样地路线的关键点：比如公路与小路的叉点、林间小路的叉路口，除个别地势险要地段的目测点，今后固定样地的复位率应该可以达到100%。

3.3 树木精确定位管理：安装GPS基准站，GPS手持机的精度将可达到厘米级（据了解江西省2009年底GPS基准站将全面建设完工），将GPS点导入GIS并编号即可实现对树木到每一株的管理,可用于古树名木、珍稀树木保护管理及林木认养经营模式。在营林设计及检查验收中，可实现以行或株为单位进行管理。

3.4 小区域林业调查:类似于2008年的南方雨雪冰冻灾害调查，平时的火灾调查、造林作业设计调查都属于小区域调查，三S技术在此类工作中应用模式主要是遥感资料的获取，主要考虑以下途径：一是卫片的编程拍摄（针对某一地区临时拍摄）；二是遥控飞艇、遥控飞机的拍摄，三是数码相机的对坡拍摄。需要解决的难题主要是实地坐标点定位问题。

第二篇：在基层工作中的一忧、二喜、三盼

在基层工作中的一忧、二喜、三盼

陈坊乡肖楠

在大学生村官这个岗位近一年的工作里，虽说时间短，但感触不少，主要有一忧，二喜、三盼。

一忧，忧本职工作与现实工作跨度大。在陈坊乡工作以来，大部分时间担任的角色是政府工作人员，并非大学生村官。虽然有时候会去村里了解工作，但是接触面很狭窄，对群众了解不够深入。所以忧在任的两年内不能较好地完成大学生村官的使命。二喜。一喜在基层工作能够较快的提升工作能力，这段时间里接触到各类工作，学习到如何处理一些突发事件，学习到如何和老百姓打交道等等知识，基层工作提供了一个很好地学习的平台。二喜在基层工作中无论是乡镇还是村里，领导和同事十分友善，在工作中和生活中给予了很多帮助，营造了良好的工作环境，培养了浓厚的友情和同事情。

三盼。一盼更多的年轻人能深入基层，充实大学生村官队伍，帮助群众解决生活上的困难，提升群众精神文明的追求。二盼在未来一年的工作里能够有更多的时间去接触群众，解决群众的困难和需求，成为一名切切实实的村官。三盼能在大学生村官这个岗位上能树立一个好的形象，因为大学生村官很容易被误认为是到基层镀金，并非真心实意的为群众办实事。我想通过自己的工作，转变老白姓这一看法，树立一个良好的大学生村官的形象，为今后更多的大学生村官挣个好口碑，从而更好的贴近群众，更好的和群众沟通，为群众办实事，做好事。

第三篇：变性高效液相色谱技术及其在植物检疫工作中的应用前景

变性高效液相色谱技术及其在植物检疫工作中的应用前景 摘要：本文介绍了变性高效液相色谱(DHPLC)技术的基本原理及影响因素，并结合植物病原鉴定技术的特点，分析了DHPLC技术在植物检疫工作中的应用前景，证明了DHPLC技术将成为一种快速、准确、高效的新型植物病原检测技术。

关键词： DHPLC 植物检疫 核酸分析技术

DHPLC是变性高效液相色谱(denaturing higperformance liquid chromatography)的英文缩写，是近几年才逐渐发展成熟的核酸分析技术，目前在生命科学领域中已得到广泛的应用。是一种基于异源双链分析(heteroduplex analysis)的基因突变、单核苷酸多态性(SNP)、DNA片段长度多态性的高精度、高通量的新型检测技术。

植物检疫工作中，由于植物病原特殊的生物学特点，而具有原理、步骤程序各不相同、种类繁多的鉴定技术。大多数病原如病原细菌、病毒、类病毒在传统的目测法、培养基筛选、免疫电镜、血清学鉴定等步骤后，还需进行指示植物鉴别及致病力检测。其步骤繁杂，时间冗长甚至超出苗木存活容许的时间范畴等缺陷给检验检疫工作的顺利实施造成了一定的困难。变性高效液相色谱技术(DHPLC)的出现为解决以上问题提供了极大的可能，这种技术利用基因的物理化学性质，将先进的高精度大型仪器分析技术与核酸提取、体外扩增等经典分子生物学技术相结合，实现了生物学、物理学、分析化学等多学科交汇互融，既发挥了化学仪器的高精密度的优势，又体现了物理学和生物技术的成果，是当今学科交叉领域又一杰出科研硕果，可为未来植物检疫技术发展提供了新的前进方向。

一、DHPLC的基本原理及影响因素长度多态性分析原理

DNA分子带负电荷，通过一种充当‘桥梁’作用的分子一使TEAA(三乙钱醋酸盐)的阳性按离子与DNA相互作用，与柱子固相填料表面分子结合，DNA分子本身得以吸附到柱子上。这样DNA分子结合的TEAA越多，与固相结合得越牢固。经基链与固相结合的强度会随着流动相中乙睛浓度的增加而减，DNA片段越长，结合的TEAA越多，越不易被洗脱。因此DNA片段大小分析是长度依赖性分离，而非序列依赖性分离。变性温度是影响DNA片段分析的一个重要因素。而在不变性温度条件下，可分离长度不同的双链DNA分子。基因型多态性分析原理

DHPLC的基本原理是异源双链分析(heteroduplex analysis)。异源双链(heteroduplex)指由不完全互补的两条DNA单链形成的双链DNA，同源双链(homoduplex)指由完全互补的两条DNA单链形成的双链DNA简略来说，异源双链和同源双链对介质有不同的亲和力，因此，它们从介质中被洗脱下来的条件有差别。如果PCR产物源自纯合子或者发生了纯合突变的个体，那么只有在与另外一种纯合野生型序列的PCR产物混合，再变性复性，才能够形成上述杂合和纯合双链。杂合双链存在错配碱基，其变性温度低于纯合双链，当温度升高到一定程度，先于纯合双链在错配碱基周围解链变性，导致双链减少和单链增

多。由于单链比双链所带的负电荷少，杂合双链比纯合双链更容易形成单链，其保留时间短于纯合双链，在图谱上先于未解链的纯合双链出现。随着变性温度升高，纯合双链也会部分变性，A=T含有2个氢键，C=G含有3个氢键，前者变性程度比后者低，因此先出现的峰为含有AT的双链，后出现的为含CG的双链。利用这种杂合和纯合双链在保留时间上的差异，可以快速分析单个核苷酸的突变，从而进行基因型的判定。DHPLC的影响因素

（1）PCR产物的影响

PCR扩增为高通量基因型检测提供了标本源。DHPLC对PCR中的引物、试剂虽无特殊要求，而且也不必对PCR产物进行预处理，但是要尽量保证PCR扩增产物的忠实性，避免人为引入错配碱基。

（2）洗脱温度

温度是影响DHPLC检测基因型成功与否的至关重要因素。如将检测温度提高2℃后，就可在RET基因中发现两个漏检的突变基因型。有些基因突变对温度不敏感，在较宽的温度范围内(悬殊8℃左右)都可对其进行有效筛检；但有的突变对温度要求严格一些，如BRCA1基因的56134C/T与 2640C/T，只有分别在59℃与57℃下，才能被检测到。

（3）固定相

目前，有几种不同的分离介质被用于突变分析中。如美国Transgenomic公司应用大小为2 m的无孔聚苯乙烯颗粒作为分离柱的材料，惠普公司则使用孔径为3.5 m的硅胶作为分离柱介质。这两种柱的分辨率似乎相似，但寿命却大不相同，前者通常可分析6000个左右的样品，而后者仅可分析1000~2000个样品。最近，瓦里安公司(WalnutCreek,CA)开发出多聚物包被的碱性化硅胶柱。也有尝试将无孔聚苯乙烯与有孔硅胶结合，制成单片集成毛细管柱，可使柱效提高40%。

（4）流动相

流动相中离子配对剂的TEAA浓度对DHPLC分析的温度有显著影响。如果TEAA的浓度从lommol/L升高至200mmol/L，那么对应的最佳检测温度就要提高4-4.5℃。流动相的pH值(6-9)对检测效果几乎没有任何影响，但pH值太高，将会使双链DNA完全变性，达不到检测目的；pH值太低，又会干扰DNA与TEAA的相互作用，影响检测

效果。．

二、DHPLC在植物检疫工作中的应用前景DHPLC在有害生物鉴定中的应用

（1）DHPLC在原核有害生物鉴定中的应用

植物检疫工作中，检疫性原核有害生物主要包括细菌、植原体、病毒、类病毒等。关于原核有害生物相关的DHPLC检测技术报道主要集中在医学领域。2004年Bode E等以保守基因ITS(16S～23Sintergenic spacer region)和功能基因gyrA为鉴定依据，在42种待测细菌中准确地检测出Bacillus cereus菌和Bacillus thuringiensis菌。Hurtle W等利用DHPLC对较广范围的细菌种类

进行基因鉴定，几个属的39种细菌用来检验DHPLC的准确性和可靠性。大多数(36/39)种的细菌拥有可作为分子指纹图谱的特异表达曲线图，而且在70余种细菌样品中，Yersinia pestis(10/70)和Bacillus anthracis(12/74)样品都被准确地鉴定出来。实验结果表明，DHPLC的检测特异性为100％，敏感度为97.7％，predictive值为96.9％，这些数据证明DHPLC可以用于细菌鉴定。Domann E等进行了以16S rRNA基因的V6至V8区序列为靶序列，通过DHPLC区分致病菌多样性的研究。罗阳等对用变性高效液相色谱(DHPLC)技术筛查了SARS冠状病毒(SARS.CoV)S蛋白的受体的正常无关个体中氨基肽酶N编码基因ANPEP的全部外显子及其两侧部分内含子序列，发现SARS-CoV感染和SARS发病的易感基因或抗病基因。

(2)DHPLC在真核有害生物鉴定中的应用

真核有害生物结构较原核生物更为复杂，基因组构成和基因功能分化更为精细，更多的致病基因和保守基因可作为生物基因型鉴定的依据，这些特点促成了DHPLC在真核生物的研究领域拥有更加宽广的用武之地，并发挥了更为强大的功能。Kota等通过DHPLC进行了大麦(Hordeum vulgare L.)的基因结构及基因分型的研究工作。陈瑶生等用DHPLC对猪肌肉组织差异表达EST的进行鉴定。Wulfert M、蒋琼橙等认为人类线粒体DNA(mtDNA)的16024~16365nt，73-340nt及438—574nt 3个区域为多态性高发区，这3个区域的高度多态性使得个体间具有高度的差异性，因而可以用来作个人识别。他们通过DHPLC和PCR对人类线粒体的异质性进行技术检测。沈靖等采用DHPLC直接测序和PCR．RFLP方法发现与初步证实了中国人的iNOs基因TsP多态性。以上例子有力地证明了DHPLC在真核生物生命科学领域的实用性和通用性，昭示了这种检测技术在真核有害生物鉴定工作中的广泛应用前景。

检疫性植物病原以其危害性大、破坏力强、症状复杂多变而成为一类重要的检疫对象。植物病原生物在分类学中跨度很大，现发现有真菌、细菌、植原体、病毒、类病毒和线虫等。这些病原生物从致病性这一点讲是相同的，但致病机理及基因结构、调节、控制等特点却大相径庭。总体来说，植物病原不仅种类多，而且近似种多，表现为检疫性病原之间易混淆、检疫性与非检疫性病原之间难区分、同种病原在不同寄主上表现的症状不同、不同种病原在相同寄主上却可能表现相似的症状等具体形式。目前，DHPLC技术在医学、保健学、环保、生态学领域已得到广泛的应用，检测范围几乎涵盖从原核生物到真核生物、从微生物到植物、动物、从低等生物到高等生物的各种生命形式。DHPLC是一套经过反复摸索、改进、总结所得到的较为成熟稳定、准确快速的基因型检测分类鉴定技术，是一种能够满足植物检疫-工作需要、解决上述难题的行之有效的新型检测方法。DHPLC在杂交作物品系鉴定方面的应用

从标准的角度而言，我国现行的GB/T3543.3-1995《农作物种子检验规程真实性和品种纯度鉴定》及其实施指南中列入的对杂交水稻品种的鉴定方法，应是当前世界上较全面的方法，而且也完全与国际接轨。同时，世界上近20多年来，对杂交水稻品种鉴定技术的研究，在理论方面、技术方面都取得了很大的成就，特别是近年将DNA分子检测技术用于品种鉴定的研究取得了可喜的进展。DNA指纹图谱技术主要包括限制性片段长度多态性(RFLP)、随机扩增多态性(RAPD)、扩增酶切片段长度多态性(AFLP)、简单重复序列或微卫星重复序列(SSR)DNA指纹技术具有多态性丰富、灵敏度高、区分鉴别效果好等优点，但是，主要存在重演性差、技术难度大、成本高、费时等缺陷，目前用于品种真实性和纯度鉴定的方法还很不成熟。DHPLC的基本原理是异源双链分析，其技术特点正适用于杂交水稻的鉴定，纯和体基因组可作为(野生型)同源双链模板，而杂交体则视为突变型(异源双链)。利用异源双链和同源双链洗脱顺序、时间上的差异，可准确地进行杂交水稻的鉴定。Kota等通过DHPLC成功地绘制了大麦(Hordettm vulgare L.)的SNP图谱，Rupe MA等利用nrp基因通过DHPLC对杂交玉米品系及基因表达等进行了研究。DHPLC在转基因植物鉴定方面的应用

转基因技术是将外源基因转入生物体或细胞内使之表达的技术。在人们构建的外源转基因载体中，人们设计裟入了基因表达所需的启动子、终止子序列。为了方便转基因植物的筛选，人们还整合了报告基因和抗性基因。因此针对这个特点，当我们对转入的目的基因并不了解的情况下，通过检测这些基因序列就可对转基因作物进行鉴定。转基因作物DHPLC检测方法可以以目前通用的报告基因(Gus和Gfp基因)、抗性基因(Kan和Lif抗性基因)、启动子(CaMV35S)和终止子(CaMV35S和Nos等)等具有代表性的特异片段为扩增靶序列(或杂交探针)，将从待检样品中提取的DNA，利用特异性引物扩增，与以上基因的标准品混合，利用变性高效液相色谱仪进行温度变性，复性形成异源双链或同源双链，并先后从色谱柱洗脱，收集信号形成不同吸收峰后再经计算机软件进行分析判断。目前利用常规PCR、核酸杂交、荧光PCR、基因芯片检测转基因生物的技术日臻成熟，但关于DHPLC检测转基凶成分国内外都尚无相关文献报道，可作为一个全新的研究方向去探索。DHPLC与传统分子生物学方法

经典分子生物学方法的引人，在缩短植物检疫鉴定工作的检测周期、提高检测灵敏度、提升检测效率的同时，极大地丰富了植物病原检测鉴定的技术手段，为实验室具体的检测T作提供了更为广阔的选择。但其自身的缺陷也逐渐暴露出来，常规PCR检测步骤简单，操作方便，假阳性结果m现频率过高的问题却无法避免。荧光PCR及基因芯片技术灵敏度高、结果可靠，但荧光定量PCR仪及基因芯片装置价值昂贵，大多数部门无力购置。Southern、Northern等由于杂交技术耗时长、步骤多，对于检测人员技术能力要求较高等缺点不适合在检验检疫部门推广应用。许多研究表明与传统分子生物学方法相比，DHPLC作为植物病原的新型检测鉴定技术在准确度和节约成本、高通量、简捷快速等各个方面都具有天然的优势。施锦绣等比较DHPLC与直接测序法在单核苷酸多态性检测中的应用，发现在41个样本的SERT-E9A/G基因检测中，DHPLC的检出率达到了100％。在大规模样本的杂合子筛检中，检测的错误率几乎为0。结论是DHPLC技术是一项可用于未知序列的检测、尤其是在人群中大规模筛查已知序列的有效手段。Arnold等在BRCA1基因中，DHPLC检出了所有直接测序找到的变异体，但DHPLC比直接测序的成本至少降低了10倍左右。与基于荧光PCR、DNA芯片的再测序相比，DHPLC不仅成本低，而且灵敏度与特异性也比较高。Kwok等认为，对于频率高于20％ 的变异，DHPLC的检出率为100％，而直接测序的检出率为80％。Choy等通过比较构象敏感凝胶电泳(PCRCSGE)、PCR．SSCA和DHPLC检测结节性硬化症基因 C2突变的能力，发现对于TSC2单核苷酸变异的检出率PCR—CSGE和PCR-SSCA分别为69％和54％，而DHPLC为100％，提示DHPLC优于CSGE和SSCA，特别是在检出单核苷酸变异方面。这些研究表明，DHPLC是检测基因组DNA更为敏感而且准确的手段。

DHPLC技术操作步骤简单，具有自动化程度高、检测快速、灵敏度高的特点，并可以对样品进行自动化回收。该技术允许在完全变性、部分变性或非变性条件下分析核苷酸片段，已被广泛用于核酸片段分离、突变检测、基因型分析、PCR引物纯度分析和纯化、SNP分析等方法，单核苷酸突变检测准确率稳定在96％以上。在最佳条件下，该技术甚至可以对有些杂和体的两个等位基因进行分离。又由于整个过程无需对DNA产物进行后期无害化处理，可以有效地解决溴化乙锭的环境污染问题。

由于工作和职责的特殊性质，检验检疫的工作对象包含了各类产品，涉及到农业工业等方方面面，实验仪器的配置、资料种类有较高较宽的要求。高效液相色谱仪作为分析化学常规仪器，被广泛使用于各地方局的常规检验工作中，具有良好的普及率。DHPLC利用交叉科学的优势，跨领域的发挥高精度化学分析仪器的潜能，挖掘高效液相色谱仪潜在价值，不仪节省了二次购买仪器的昂贵费用，也无形提高了其自身价值。同时，植物病原新型尖端高效液相色谱检测技术(DHPLC)的研制与检验检疫系统一贯实施科技创新、保持与国际接轨战略相符，将有助于加速植物病原检疫技术的革新，确立我国在国际相关研究领域的领先和权威地位。

参考文献 ：白桦,邓大君,潘凯枫.变性高效液相色谱在分子生物学中的应用．国外医学分子生物学分册．2003，25(4)：303—305．戈峰，现代生态学.北京：科学出版社．2005，21~27．苏智广，张思仲.变性高效液相色谱技术在单核苷酸多态性研究中的应用．生命的化学．2003，23(2)：155—157．Hurtle W,Bode E.Kaplan R S.Use of Denaturing High-Performance Liquid Chromatography To Identify Bacillus anthracis by Analysis of the 16S一235 rRNA Interspacer Region and gyrA Gene．Journal of CHnic Microbiology，2003，41(10):475-4766．Domann E，Hong G，Imimlioglu C．Culture-independent identification of pathogenic bacteria and polymicrobial infections in the genitourinary tract of renal transplant recipients．Journal of Clinical Microbiology，2003，41(12)：3273-3283．6 罗阳，姜莉，敖雪．SARS冠状病毒s蛋白候选细胞受体氨基肽酶N的基因变异研究．遗传学报，2003，30(7)．Kota R，Wolf M，Michalek W．Application of denaturing high-pergormance liquid chromatography for mapping of single nucleotide polymerphisms in barley(Hordeum vulgare L．)．Genome，2001，44(4)：523-528．王种，陈瑶生，李重生，等．DHPLC对猪肌肉组织差异表达EST的鉴定．遗传学报，2003，30(12)：1085-1089．蒋琼橙，伍新尧，区雪玲．应用DHPLC筛查人类mtDNA高区的异质性．中山大学学报，医学科学版；2003。25(1)：93—96．沈靖，王润田，王理伟，等．DI-IPLC方法对中国人基因多态性的发现与初步证实．北京大学学报(医学版)，2001，33(6)：486-492．Guo M，Rupe M A，Danflevskaya O N.Gnome-wide mRNA profilingreveals heterochronic allelic variation and a new imprinted gene inhybrid maize endosperm．The Plant Journal。2003，36(1)：30-44．施锦绣。杨爽，姜正文，等．变性高效液相色谱与直接测序法在单核苷酸多态性检测中的应用比较．中华医学遗传学杂志，2001，18(3)198-201．Gross E.Arnold N，Goettc J．A comparison of BRCA1 mutation analysis by direct sequencing，SsCP and DHPLC．Human Genetics.1999.105(1-2)：72-78．

第四篇：阿克苏地区在基层党建工作中的创新实践

阿克苏地区在基层党建工作中的创新实践

创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力，也是一个政党永葆生机的源泉。在当前经济体制深刻变革、社会结构深刻变动、利益格局深刻调整、思想观念深刻变化的新形势下，加强党的先进性建设，保持党的生机和活力，必须以改革的精神、改革的举措，推动基层党建工作创新发展。回顾近年来阿克苏地区基层党建工作中的创新实践，主要有以下特点：

1、在学习借鉴中创新。学习是创新的基础，创新是学习的升华。在学习借鉴外地成功经验的基础上，结合工作实际，提出新思路，采取新举措，实现新突破，本身就是创新的过程。先进性教育活动中，围绕探索基层党组织和党员保持先进性的长效机制，我地区先后组织人员到山东、上海、浙江等社区党建先进地区考察学习，借鉴大中城市社区党建的先进经验，在全区深入实施了以创建“党建示范社区和党员示范岗”为主要内容的社区党建“双示范工程”，在中小城市社区党建方面进行了积极探索。其中库车县基层党组织以“暴走”宣传队的方式，已向偏远牧区47名农牧民群众进行了党的相关政策法规宣讲，覆盖面达到了93%。此举深受当地农牧民群众的热烈欢迎，并在中国党建网上的基层党建专栏上刊发。为解决村级班子年龄老化、文化程度不高、整体素质偏低的问题，我们专门组织人员学习其他地区考选“大学生村官”加强村级组织建设的经验做法，在全地区实施大学生村官“4321”素质提升工程，帮助796名大学生“村官”增长知识、增长才干，使之尽快成长为优秀的基层工作者。在村级干部选拔任用制度改革方面进行了积极探索，取得明显成效。

2、在破解难题中创新。随着改革的深入和经济的发展，基层党建工作遇到一些新矛盾、新问题。解决这些矛盾问题的过程，也是推进党建创新、提升工作水平的过程。比如，随着城市化进程的加快，城市管理重心下移，越来越多的“单位人”成为“社会人”,大量退休、下岗失业和流动人员中的党员进入社区，社区党员数量多、成份杂、教育管理难、作用发挥难的问题越来越突出。如何加强对这部分党员的教育管理，引导他们在社区建设中发挥先锋模范作用，成为新形势下社区党建工作的新课题。近年以来，阿克苏地区广泛开展了“党员先锋行”活动，通过在社区成立以“党员先锋”命名的党员志愿者服务队伍，为加强社 １

区党员管理提供了抓手。再如，农村税费改革后，部分村级组织正常运转出现困难，农村干部待遇得不到落实，工作积极性受到影响。针对这一问题，在地区各级党政高度重视和努力下，目前，地区基层干部的待遇已得到大幅提高，村干部年均报酬和农村“三老”人员年均补助较2008年以前增加了1000元左右，使他们充分享受到了党的关怀和温暖,进一步调动了基层干部干事创业的积极性。

3、在培树典型中创新。典型代表水平。精心培育典型，充分发挥典型的激励和示范带动作用，是推进基层党建工作创新的重要方法。近年来，阿克苏地区坚持把培育典型作为基层党建工作的一项硬任务，作为基层党建目标考核的重要内容，要求每个基层党委在抓好面上工作的同时，都要推出一批叫得响、立得住、过得硬的先进典型。对工作中发现的好苗子，及时靠上指导，帮助解决思想、工作、生活上遇到的困难问题，促其尽快成熟。对培养成熟的典型，采取举办报告会、现场参观、新闻媒体宣传等形式，大力宣传推广。近年来，全区先后培养树立了20多个不同行业、不同层次、不同类型的先进典型。其中，新和县尤鲁都斯巴格镇党委、拜城县察尔齐镇党委等基层党组织，被自治区党委授予“自治区级先进基层党组织”荣誉称号；新和县渭干乡武装部干事兼喀拉亚尕奇村党支部书记、村委会主任艾山〃阿吾力、温宿县托乎拉乡党委书记马军等同志，被自治区党委授予 “自治区级优秀共产党员”荣誉称号，较好地发挥了典型的示范带动作用。

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第五篇：虚拟和增强现实(VRAR)技术在教学中的应用与前景展望

虚拟和增强现实（VRAR）技术在教学中的应用与前景展望

摘要 2016 年被称为“虚拟现实元年”，虚拟现实作为近年来极为火热的科技话题，给人们带来焕然一新的感官享受，激发了许多关于“虚拟现实 ”行业的发展想象与前景构想。同时，增强现实的出现，也让人们获得了极佳的体验感。本研究梳理了虚拟现实和增强现实技术的起源、概念和应用领域，分析了虚拟现实和增强现实技术在教育中的应用、优势和存在的问题，阐述了虚拟现实和增强现实技术在创客教育和STEAM 教育中的作用，并对未来的发展前景进行了展望。关键词：虚拟现实；增强现实；VR；AR；创客教育；STEAM 教育；人工智能；大数据

一、虚拟现实和增强现实技术的起源、概念和应用领域

（一）虚拟现实和增强现实技术的起源

2016 年被业界称为“虚拟现实元年”，可能有人会误认为这项技术是近年来才发展起来的新技术。其实不然，虚拟现实（VirtualReality，简称VR）技术最早起源于美国，1965 年虚拟现实之父伊凡·苏泽兰（Ivan Sutherland）在国际信息处理联合会（IFIP）会议上发表的一篇名为《终极的显示》的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，描述的就是我们现在熟悉的“虚拟现实”，早在虚拟现实技术研究的初期，苏泽兰就在其“达摩克利斯之剑”系统中实现了三维立体显示。增强现实（Augmented Reality，简称AR）是指在真实环境之上提供信息性和娱乐性的覆盖，它是苏泽兰在进行有关头戴式显示器的研究中引入的[1]。1966 年美国麻省理工学院（MIT）的林肯实验室正式开始了头戴式显示器（HMD）的研制工作。在这第一个头戴式显示器的样机完成不久，研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。1970 年，出现了第一个功能较齐全的头戴式显示器系统。1989 年，VPL 公司的Jaron Lanier 提出用“Virtual Reality” 来表示虚拟现实一词，并且把虚拟现实技术开发为商品，推动了虚拟现实技术的发展和应用[2]。虚拟现实技术兴起于20 世纪90 年代。2000 年以后，虚拟现实技术在整合发展中引入了XML、JAVA 等先进技术，应用强大的3D计算能力和交互式技术，提高渲染质量和传输速度，进入了崭新的发展时代。虚拟现实技术是经济和社会生产力发展的产物，有着广阔的应用前景。2008 年2 月，美国国家工程院(NAE)公布了一份题为“21 世纪工程学面临的14 项重大挑战”的报告。虚拟现实技术是其中之一，与新能源、洁净水、新药物等技术相并列。为了获得虚拟现实技术优势，美、英、日等国政府及大公司不惜巨资在该领域进行研发。

我国虚拟现实技术的研究起步于20 世纪90 年代初。随着计算机图形学、计算机系统工程等的高速发展，虚拟现实技术得到相当的重视。2016 年3 月17 日全国两会授权发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》中指出：“大力推进先进半导体、机器人、增材制造、智能系统、新一代航空装备、空间技术综合服务系统、智能交通、精准医疗、高效储能与分布式能源系统、智能材料、高效节能环保、虚拟现实与互动影视等新兴前沿领域创新和产业化，形成一批新增长点。”[3] “虚拟现实”位列其中，同时，投身于虚拟现实的创业团队呈爆发式增长。有人在展望2020 年重要新兴核心科技的发展时也把虚拟现实和增强现实技术列入当前重要的八项新兴核心科技（八项新兴核心科技如图1 所示）。国家广告研究院等多家机构联合发布的《2016 上半年中国VR 用户行为研究报告》显示，2016 年上半年国内虚拟现实潜在用户达4.5 亿，浅度用户约为2700 万，重度用户约237 万，预计国内虚拟现实市场将迎来爆发式增长。虚拟现实用户群体以80 后、90 后为主，集中在26 ～ 30 岁之间的85 后，占比达到28.4%，这与年青一族乐于接触新鲜事物的特点有关。另外，用户群体有从北上广等经济发达城市逐渐向全国扩散的趋势[4]。

（二）虚拟现实和增强现实的概念、特征和应用领域 1.虚拟现实技术

虚拟现实，是一种基于多媒体计算机技术、传感技术、仿真技术的沉浸式交互环境。具体地说，就是采用计算机技术生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验[5]。

虚拟现实具有3I 特性，即沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)、构想性(Imagination)，是一个学科高度综合交叉的科学技术领域。虚拟现实与人工智能(AI)技术及其他相关领域技术结合，将会使其还具有智能(Intelligent)和自我演进演化(Evolution)特征[6]。头戴式虚拟现实设备如图2 所示，用手机扫描图3 二维码即可观看虚拟现实视频介绍。虚拟现实涉及门类众多的学科，整合了很多相关技术。虚拟现实是未来科技发展的方向之一，它可以从人的感觉系统上改变现有的空间感。虚拟现实现有的产业链大致可分为硬件设计开发、软件设计开发、资源设计开发和资源运营平台等几种类别。通过虚拟现实关键技术的突破以及“虚拟现实 ”的带动，会产生大量行业和领域的虚拟现实应用系统，为网络与移动终端应用带来全新发展，将会推动许多行业实现升级换代式的发展。虚拟现实可以应用于国防军事、航空航天、智慧城市、装备制造、教育培训、医疗健康、商务消费、文化娱乐、公共安全、社交生活、休闲旅游、电视直播等领域中。如2016 年10 月17 日中央电视台运用虚拟现实全息技术直播了“天宫二号”和“神舟十一号”交会对接及其共同建立组合体的过程，采用虚拟追踪技术，让“天宫二号”从大屏幕中“钻”了出来，通过机位的景别变换，观众可以直观地看到”“天宫二号”的数据和设计细节，使观众身临其境地全面了解“神舟十一号”“天宫二号”及其组合体内部构造和控制面板，同时主播文静还“走进”“天宫二号” 实验室内，逐一向观众介绍“天宫二号”的内部结构信息，与传统的新闻播报相比，电视直播应用虚拟现实技术显得更加生动活泼，视觉冲击力更强，观众感受更直观。2.增强现实技术

增强现实是在虚拟现实的基础上发展起来的一种新兴技术。增强现实技术基于计算机的显示与交互、网络的跟踪与定位等技术，将计算机形成的虚拟信息叠加到现实中的真实场景，以对现实世界进行补充，使人们在视觉、听觉、触觉等方面增强对现实世界的体验[7]。

增强现实具有三大特点，即虚实结合、实时交互和三维配准[8]。

增强现实具有三种呈现显示方式，按距离眼睛由近到远划分分别为头戴式（head-attached）、手持式（hand-held）、空间展示（spatial）[9]。增强现实智能眼镜如图4 所示，扫描图5 二维码可以观看Magic Leap 增强现实演示视频。增强现实的应用领域非常广泛。如在教育领域增强现实可以为学生呈现全息图像、虚拟实验、虚拟环境等；在旅游业增强现实可以帮助游客自助游玩景区，以虚拟影像的形式为游客讲解景区概况、发展历史、人文景观等内容；在零售业中增强现实技术可以实现一键试穿，在网上销售中具有极大的应用空间。增强现实在工业、医疗、军事、市政、电视、游戏、展览等领域都表现出了良好的应用前景。3.混合现实技术

混合现实（Mixed Reality，简称MR）是虚拟现实技术的进一步发展，该技术通过在现实场景呈现虚拟场景信息，在现实世界、虚拟世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感。混合现实技术结合了虚拟现实技术与增强现实技术的优势，能够更好地将增强现实技术体现出来。根据史蒂夫·曼恩的理论，智能硬件最后都会从增强现实技术逐步向混合现实技术过渡。混合现实技术和增强现实技术的区别在于混合现实技术通过一个摄像头让你看到裸眼都看不到的现实，增强现实技术只管叠加虚拟环境而不管现实本身[10]。混合现实技术效果如图6 所示，扫描图7 二维码可观看混合现实演示动画和视频。4.扩展现实技术 扩展现实（Expander Reality, 简称ER）是人联网和物联网的整合，是虚拟现实发展的高级阶段，虚拟现实发展到扩展现实阶段，现实和虚拟的边界被抹去，人们很难分辨自己是生活在虚拟世界还是现实世界[11]。扩展现实场景如图8 所示。5.虚拟现实、增强现实、混合现实、扩展现实的区别 虚拟现实、增强现实、混合现实、扩展现实四者间的区别是：虚拟现实的主战场是“虚拟世界”，人们使用虚拟现实设备探索人为因素所建立的虚拟世界，追求沉浸感，虚拟现实是纯虚拟数字画面；增强现实的主战场是“现实世界”，人们使用增强现实设备产生的虚拟信息来提升探索现实世界的能力，具有极强的移动属性，增强现实是虚拟数字画面加上裸眼现实；混合现实是数字化现实加上虚拟数字画面，从概念上来说，混合现实与增强现实更为接近，都是一半现实一半虚拟影像；扩展现实是人联网和物联网的整合，是虚拟现实发展的高级阶段，现实和虚拟的边界将被抹去。

二、虚拟现实和增强现实技术在教学中的具体应用 虚拟现实和增强现实技术在教学中的应用潜力巨大、前景广阔，主要体现在运用虚拟现实和增强现实技术具有激发学习动机、创设学习情境、增强学习体验、感受心理沉浸、跨越时空界限、动感交互穿越和跨界知识融合等多方面的优势。虚拟现实和增强现实技术的应用，能够为教育工作者提供全新的教学工具，同时，能激发学生学习新知识的兴趣，让学生在动手体验中迸发出创新的火花。因此虚拟现实和增强现实技术应用于教育行业是教育技术发展的一个新的飞跃，它营造了自主学习的环境，由传统的“以教促学”的学习方式演变为学生通过新型信息化环境和工具来获取知识和技能的新型学习方式，符合新一轮教学改革的教育理念，有助于学生核心素养的培养。虚拟现实和增强现实设备有多种，这里分别介绍各种设备在教学中的具体应用。

（一）头戴式虚拟现实和增强现实设备在教学中的应用 头戴式虚拟现实设备一般包含头戴式显示器、位置跟踪器、数据手套和其他设备等，分为移动虚拟现实头盔和分体式虚拟现实头盔。国外有脸谱、谷歌、微软、三星等公司的虚拟现实头盔产品，国内有微视酷、蚁视、暴风魔镜、中兴、乐视、华为、小米等100 多种虚拟现实头盔产品。结合国内外的研究报告以及目前虚拟现实教育实践情况，虚拟现实和增强现实技术在生物、物理、化学、工程技术、工艺加工、飞行驾驶、语言、历史、人文地理、文化习俗等教学中均可应用。

学生使用头戴式虚拟现实设备体验学习时具有置身真实情境的沉浸式感觉，能给学生以绝佳的真实体验，使人如身临其境，让书本中的内容可触摸、可互动、可感知。例如地理学科讲述关于宇宙太空星际运行的课程时，在现实生活中学生无法遨游太空，如果戴上头戴式虚拟现实设备，就可以让学生从各个角度近距离观察行星、恒星和卫星的运行轨迹，观察每个星球的地表形状和内部结构，甚至能够降落在火星或月球上进行“实地” 考察、体验星际之旅等。虚拟现实头戴设备如图9 所示，手机扫描图10 二维码观可看虚拟现实效果视频。2016 年，微视酷推出了一款虚拟现实课堂教学系统，在国内具有一定的代表性。该教学系统由一台教师用的平板电脑主控端、多套学生用的虚拟现实眼镜和IES 教育软件系统构成。系统具备一键操控、一键统计和一键打印功能，教师可根据教学进度需求，随时控制学生虚拟现实眼镜教学内容。微视酷开展了“VR 课堂1 工程”计划，跨越了全国多个省市。其中在陕西省榆林市高新小学呈现的“神奇星球在哪里”虚拟现实示范教学观摩课情景如图11 所示[12]。虚拟现实把学生从现实带到了虚拟世界，虚拟现实技术让学生成了一名宇航员，让学生看到了许多平常看不到的东西，与传统的课堂相比，虚拟现实课堂让学生获得身临其境的感受，有利于学生发挥想象力，能更直观地呈现授课内容，提高学生学习的积极性。

头戴式增强现实装置代表产品有微软HoloLens、MagicLeap 和Meta 2 等，均有酷炫的体验感，能够让使用者在任何地方观看虚拟电视，甚至可以把影像投影在墙上、手机屏幕或者面前的空气中，这些增强现实设备应用将取代所有的“显示器和屏幕”。以Ho-loLens 头戴式增强现实设备为例（如图12 所示），其主要硬件由全息处理单元（CPU GPU HPU）、光学投影系统（Lcos 微投影仪 光导透明全息透镜）、摄像头与传感器部分（6 个摄像头 惯性传感器 环境光传感器等）、存储部分、其他部件（耳机 麦克风 电池 结构件）等组成。学生在使用HoloLens 后，就可以扔掉电脑和手机，不用键盘、鼠标和显示屏幕，双手在空气中操作即可完成现在人们在电脑和手机上的所有操作，悬空操作即可完成机器人的3D 建模设计任务，如图13 所示。

（二）桌面式虚拟现实与增强现实设备在教学中的应用 桌面式虚拟现实与增强现实设备具有代表性的产品是美国zSpace 公司的虚拟现实教育一体机，美国从2013 年开始使用，现在使用的zSpace Z300 为第三代产品。根据美国最新的《新一代科学教育标准》，zSpace 开发出了包含 2 ～12 年级多门学科的课件，课件分布在六款软件之中，教师可采用系统平台自带课件实施教学计划，也可创造性地自主开发新课件。zSpace 不仅可以成为教学工具，还为学生、老师提供了丰富的素材资源。在美国的小学、中学和大学有250 多所学校上万名学生正在使用zSpace STEAM 实验室课件来进行学习。我国的云尚互动公司2015 年年底将zSpace Z300 引入中国，2016 年4 月“智创空间”获赠6 套该设备用于创客教育和STEAM教育的推广普及，至今共有2700 多人次来体验学习。zSpaceZ300 的内容覆盖了小学、初中和高中的生命科学、数学、物理、化学、历史、地理、地球与空间科学、艺术等多个学科，课件总数达440 多个。该平台还提供课件资源开发系统，教师可以根据需要将stl、obj 等格式的3D 模型文件导入系统，同时可以加入文本、图片、声音和视频文件，教师可以像制作PPT 课件一样进行修改和自主开发能够在Z300平台上运行的课件资源。Z300平台的使用方法有两种：一种是戴上3D 眼镜（含追踪和非追踪眼镜），戴追踪眼镜者用激光笔操作，其他人戴上非追踪眼镜都可以看到3D 虚拟现实效果；另一种是增加一个全息摄像头和平板电脑（或投影），将Z300 设备的3D 影像叠加投射到平板电脑上即可呈现出裸眼3D 的增强现实效果。

（三）手持式虚拟现实与增强现实设备在教学中的应用 手持式增强现实设备多采用移动设备与APP 软件相结合的方式。APP 有视 AR、AR、4D 书城、幻视、视视AR、尼奥照照等，另外有多种增强现实图书都有相配套的APP，如《机器人跑出来了》《实验跑出来了》《恐龙争霸赛来了》这套“科学跑出来”系列增强现实科普读物有iRobotAR、iScienceAR、恐龙争霸赛来了等多个APP，它们的原理都是采用手机摄像头获取现实世界影像，通过手机在现实世界上叠加虚拟形象的形式，实现增强现实的特殊显示效果。有的APP 中提供了丰富的教育资源，如安全教育、科普读物、识字卡片、益智游戏等，特别适合儿童教育。使用方法有两种：一种是手机APP 与相配套的纸质图书一起使用，用手机摄像头扫描图书上的图片，在手机屏幕上即可呈现出如图14 的演示效果；另一种使用方法是运用APP 下载增强现实资源并与外界实景叠加即可呈现出如图15 的演示效果。增强现实特效非常逼真，利用这些APP 进行学习，学习过程具有真实感、体验感、沉浸感，增强了学生学习知识的兴趣，可以达到寓教于乐的教学效果。

三、虚拟现实与增强现实技术在教学中应用的优势分析

（一）虚拟现实与增强现实技术为学生自主学习提供了有利条件

虚拟现实和增强现实教学资源存在形式多种多样，根据采用的设备不同，可以将教学资源保存在网络运营平台、桌面式设备、移动设备和纸质图书里，学生可以在不同的地方采用不同的设备调用虚拟现实和增强现实教学资源进行随时随地的自主学习。如果学生在课堂上有些知识点未能掌握，可以重新学习一遍，增加对知识的巩固和理解，有时学生因为特殊原因未能在课堂上学习，也可以课后弥补，同时可以将虚拟现实和增强现实设备作为载体采用“翻转课堂”或“微课导学”教学模式[13][14]组织教学，为学生提供自主学习条件，教师也可以从繁重的重复性讲解中解脱出来，有针对性地为学生答疑解惑，有助于传统教学方式的变革。

（二）虚拟现实与增强现实技术为学生提供更加真实的情景 在传统的教学课堂上，知识的传输主要通过文字、图片、声音、动画和视频的形式呈现。遇到比较复杂的情况，比如数学课的立体几何、地理课的天体运动、物理课的磁力线和电力线、化学课的微观粒子结构、生物课的细胞结构等，教师用语言很难把这些知识点表达得非常清晰，同时由于每个学生的理解力不同，教学效果也会因人而异，甚至初次学习这些知识的学生会得到“盲人摸象”般的感受。而采用虚拟现实和增强现实技术组织教学，三维立体效果的呈现可以弥补这样的缺憾，能够把知识立体化，把难以想象的东西直接以三维形式呈现出来，让学生直观感受到文字所表达不出来的知识，真实的情景可以帮助学生对知识的理解和记忆，使学生的想象变得更加丰富。

（三）虚拟现实和增强现实技术能提高学生的学习兴趣 由于虚拟现实和增强现实技术具有视觉、听觉和触觉一体化的感知效果，学生具有真实情境体验、跨越时空界限、动感交互穿越的感受，能身临其境般在书海里遨游，让书本中的内容可触摸、可互动、可感知。身临其境的感受和自然丰富的交互体验不仅极大地激发了学习者的学习动机，更给学习者提供了大量亲身观察、操作以及与他人合作学习的机会，促进了学生的认知加工过程及知识建构过程，有利于实现深层次理解[15]。传统的学习方式让很多学生觉得枯燥乏味，为了应付考试不得不去死记硬背，但很多知识学生考完之后很快会忘得一干二净，而采用虚拟现实和增强现实技术组织教学，新颖的学习方式和丰富多彩的学习内容能够极大地提升课堂教学的趣味性，生动形象的场景会加强学生的记忆，激发学生的学习兴趣。“兴趣是最好的老师”，兴趣也是学生学习新知识的不竭动力。

（四）虚拟现实和增强现实技术应用能促进优质资源均衡化 我国幅员辽阔，地区之间贫富差距较大，存在教学资源分配不均的情况。经济发达地区无论是软硬件配置，教学师资和教学资源都非常丰富，而经济落后、地域偏远的山村学校学生连接受最基本的教育都难以实现。各级政府和教育主管部门都在大力推进教育均衡发展，加大教育投资力度，而虚拟现实和增强现实技术应用将是解决城乡教育资源不均衡问题的一把金钥匙，有利于缓解教育资源两极分化，扩大优质资源的分享范围，能让教育资源不再受限于地区和学校，让教育发达地区的名教师通过虚拟现实和增强现实课堂走进山村学校，能通过整体优化教育资源配置，来缩小城乡差距，实现教育公平，同时这也是教育扶贫的较佳途径。

四、虚拟现实和增强现实技术在教学应用中存在的问题 虽然虚拟现实和增强现实技术在教学中的应用可以改变传统的教学方式、提高学习兴趣、实现教育均衡发展，但虚拟现实和增强现实技术发展还处在初级应用阶段，在技术瓶颈、资源开发、教学内容和推广普及等方面还存在很多问题。

（一）虚拟现实设备应用中的眩晕问题

人们在使用虚拟现实设备时会出现眩晕感，从硬件结构来看，由于现在的科技还无法做到高度还原真实场景，许多用户使用配置达不到要求的虚拟现实产品时会产生眩晕感；虚拟现实界面中的视觉反差较大，实际运动与大脑运动不能够正常匹配，影响大脑对所呈现影像的分析和判断，从而产生眩晕感；虚拟现实设备的内容有相当一部分资源是从PC电脑版上移植过来的，UI 界面不能很好地匹配虚拟现实设备，不同的系统处理上也无法达到协调统一，画面感光线太强或太弱都不能让用户接受；虚拟现实设备帧间延迟跟不上人的运动，会有微小的延迟感，当感官与帧率不同步时也会让使用者产生眩晕感。

（二）虚拟现实和增强现实技术在教学中资源短缺

目前虚拟现实和增强现实产业刚起步，软硬件设施不完备，开发人员技术力量不足，很多学校未配备虚拟现实和增强现实设备；中小学校的很多教师还没有接触过虚拟现实和增强现实，不知道如何在教学中应用，更谈不上如何去开发虚拟现实和增强现实教学资源。因此，针对中小学教学所开发的虚拟现实资源很少，课程资源短缺是虚拟现实和增强现实在中小学推广的最大瓶颈。但随着虚拟现实和增强现实技术的迅猛发展，将虚拟现实和增强现实技术应用于教学势在必行，未来虚拟现实和增强现实技术在教学中的应用势必带来课堂教学方式的颠覆性改变。

（三）虚拟现实和增强现实教学平台和资源的设计重形式轻内容

当前很多虚拟现实教育平台都只是在一个3D 视频或虚拟现实软件游戏的基础上构成虚拟现实教学。虽然学生在虚拟世界玩得津津有味，课堂气氛很活跃，学生互动、交流和讨论很热烈，表面上看学生得到了沉浸式的体验感，但是有些虚拟现实教育平台所提供的知识点讲解还停留在现实世界中，课本内容的单调、枯燥并没有因软件的存在而得到缓解，知识要点的讲解没有变得更加生动、有趣和有针对性，这种只重视形式而不重视内容、教与学完全脱节的虚拟现实课堂只能称为“伪虚拟现实课堂”。

（四）虚拟现实和增强现实设备价格较高和技术条件限制导致普及困难

企业的前期研发成本较高、设备销售量较少，导致多数虚拟现实和增强现实设备销售价格居高不下，很多学校因资金问题望而却步，无力购买售价高昂的虚拟现实和增强现实设备，进而导致虚拟现实和增强现实技术在学校的推广普及步履艰难。如zSpace Z300 刚引入我国时每台售价20 多万元，微软的HoloLens 还未上市，公布的预售价在每台2 万元以上，普通头戴式虚拟现实设备的价格也在2000 ～ 5000 元之间。大多数虚拟现实软件普遍存在语言专业性较强、通用性较差和易用性差等问题。受硬件局限性的影响，虚拟现实软件开发花费巨大且效果有限。另外在新型传感应用、物理建模方法、高速图形图像处理、人工智能等领域，都有很多问题亟待解决。三维建模技术也需进一步完善，大数据与人工智能技术的融合处理等都有待进一步提升。以上诸多原因的存在制约了虚拟现实和增强现实技术在中小学教学中的推广和普及。

五、虚拟现实和增强现实技术在教学应用中的前景展望

（一）虚拟现实和增强现实技术发展对未来教学形式的影响 随着科学技术的迅猛发展，在云计算、雾计算、物联网、“互联网 ”、大数据、人工智能突飞猛进的新时代背景下，虚拟现实和增强现实技术与人工智能、大数据和物联网融合，将会让虚拟现实和增强现实技术应用如虎添翼。根据国际数据公司的预测，未来一年里，在以消费者为导向的全球2000 强公司中，预计有30% 的企业将在营销活动中试验虚拟现实和增强现实技术。2021 年时，虚拟现实和增强现实技术将获得大规模应用，全球会有超过10 亿人通过虚拟现实和增强现实平台经常访问应用程序、内容和数据[16]。随着虚拟现实和增强现实软硬件设备的性能提升和价格降低，会有更多的教育投资公司开发出更加丰富多彩的教学资源，让虚拟现实和增强现实技术快速走进中小学课堂，在教学中大面积应用普及。依托其具有的沉浸性、交互性、构想性、虚实结合、实时交互和三维配准等超级体验感的优势，教师的教学方式和学生的学习方式都将会发生改变。虚拟现实和增强现实技术在教学中的应用普及将会颠覆传统的教育方法和教学形式，具有巨大的应用潜力与应用前景。

（二）虚拟现实和增强现实技术发展对未来教学效率的提升 虚拟现实和增强现实技术与教育的结合，将会提高未来课堂的教学效率。因为传统教学模式是教师面向全班同学以灌输式、无差异的方式组织教学，而采用虚拟现实技术教学将使课堂教学采用个性化、自主式、体验式的方式组织教学，通过因材施教，每一位学生都可以在虚拟环境中，个性化地听老师为自己讲课，还能与虚拟环境中的老师互动交流。传统课堂为一人讲多人听，而虚拟现实课堂则相当于每个学生面前都有一位自己的老师。同时增强现实技术还可以将静态的文字、图片读物立体化，增加阅读的互动性、趣味性和真实感，创设现实情境，通过3D 模型使抽象的学习内容变得形象化、微观的学习内容变得可视化、复杂的学习内容变得简单化，帮助学生理解和识记抽象的概念。虚拟现实和增强现实作为教育工具应用在课堂上，将为学生展现一个能够交流互动的虚拟世界，既能满足学生的体验感和好奇心，又能以创新的方式传授知识，从而可以大大提升教师的教学效果、激发学生的学习兴趣、提高学生的学习效率。

（三）虚拟现实和增强现实技术发展对未来教学的创新 虚拟现实和增强现实技术能为学生提供多种形式的数字内容和虚实结合的情景化的学习环境，增强了学生在学习中的存在感和沉浸感。通过虚拟现实和增强现实技术能够将虚拟场景与现实世界相结合，通过穿越时空的方式进行交流互动，增强了学生的动手操作能力，提升了学生的感性认识和真实体验，激发了学生的创新意识和创新思维，培养了学生自主探究和自主学习的能力。虚拟现实和增强现实技术是多种先进技术的应用和多学科知识的汇聚与融合，是创客教育和STEAM 教育的较佳载体，将虚拟现实和增强现实技术应用于教学中，为学生的创客学习创造了条件，学生在创客空间里利用虚拟现实和增强现实技术通过主动探索、动手实践、创新设计、跨界融合来学习新知识和掌握新技能，利用先进的虚拟现实与增强现实技术为载体开展创客教育和STEAM 教育，学生在虚拟与现实交互和时空穿越的过程中通过“玩中做”“做中学”“学中做”“做中创”[17]，能够拓展发散性思维，迸发出更加丰富的创新火花，创意“智”造出更加丰富的创客作品。新一轮教学改革已经到来，“中国学生发展核心素养”总体框架正式发布（如图16 所示），其中实践创新作为六大综合表现之一被提出。而虚拟现实和增强现实技术在教学中的应用正是一种教学模式的创新，将有助于推动教学改革的进程，有助于创客教育和STEAM 教育普及，有助于学生核心素养的培养。

六、结束语

人工智能、大数据分析与虚拟教育（VR 教育）被称为影响未来的三大科技创新方向。未来的虚拟现实和增强现实技术将结合更多高新科技元素如人工智能、云计算、大数据和移动技术等，而随着虚拟现实和增强现实技术的发展，其在教育领域的发展前景也将会越来越广阔。虚拟现实和增强现实学习环境带给我们的不仅仅是一个技术平台或工具，更会孕育出一种新型的教学模式和教学方法。将虚拟现实和增强现实技术广泛地应用到课堂教学中，对于贯彻落实教育部关于“发展未来学校”和“智慧课堂改革”的设想有重大意义。虚拟现实和增强现实技术能够将虚拟对象与真实环境相融合，通过其较强的交互性能给学生带来更多的学习乐趣，并为学生提供一种新的学习媒体和学习体验，促使学生在愉悦的状态下进行移动学习、自主学习、项目学习和创客学习。依托虚拟现实和增强现实技术为创客教育的载体，能让学生通过自主探究、跨界融合、团队协作、开拓创新来提升核心素养。让虚拟现实和增强现实技术与教育完美结合，快速走进中小学课堂，将为开启未来教育创新之路做出巨大贡献。参考文献：[1]百度百科.伊凡·苏泽兰[DB/OL].（2015-04-28）[2016-12-23].http://baike.baidu.com/item/%E4%BC%8A%E5%87%A1%C2%B7%E8%8B%8F%E6%B3%BD%E5%85%B0.[2][15] 高媛, 刘德建, 黄真真, 黄荣怀.虚拟现实技术促进学习的核心要素及其挑战[J].电化教育研究, 2016，(10):77-87，103.[3]新华网.中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要[DB/OL]（2016-3-7）[2016-12-23].http://news.xinhuanet.com/politics/2016lh/201603/17/c_1118366322.htm.[4]微视酷VR 课堂.2016 半VR 用户报告：上半年国内潜在用户达4.5 亿[DB/OL].（2016-10-10）[2015-12-23].http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIwMjUyOTcwNg==&mid=2247483743&idx=1&sn=2064e3b574d1f958862fbb688d4641a0&chksm=96dc0f9aa1ab868c0f0bcfc518b0409b3f9dcee101f517e664 386f48f192e39af13d0da0007c&mpshare=1&scene=23&srcid=0105DOdlurJU3dkoq6sFxiO6#rd.[5]张建武, 孔红菊.虚拟现实技术在实践实训教学中的应用[J].电化教育研究,2010,(4):109-112.[6]战略前沿技术.赵沁平院士：VR 进入爆发前夜，“VR ”将产生大量行业颠覆性应用[DB/OL].(2016-5-20)[2016-12-23].http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3NDQyNzYyNw==&mid=2650613898&idx=3&sn=f0aaf47e8236c26caaa5d4964c4429f7&mpshare=1&scene=23&srcid=0101pavIUz59bxP2 D5RcLxFp#rd.[7]汪存友, 程彤.增强现实教育应用产品研究概述[DB/OL].(2016-5-16)[2016-12-23].http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NzU4MDM0MA==&mid=2650852785&idx=1&sn=221b20320bea14557abc2d1db74f0487&mpshare=1&scene=23&srcid=1222DOnb2MBJNymgkrp11InU#rd.[8]蒋中望.增强现实教育游戏的开发[D].上海:华东师范大学,2012:2-6.[9]战略前沿技术.增强现实（AR）产业深度报告：超越现实，重塑世界[DB/OL].(2016-7v18)[2016-12-23].http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3NDQyNzYyNw==&mid=2650615288&idx=4&sn=f29d29d72e4264cb8af7a4f3c60df4ac&mpshare=1&scene=23&srcid=01010TOG9jjH1CFvhGY bq9Z9#rd.[10]百度百科.混合现实[DB/OL].(2016-10-13)[2016-12-23].http://baike.baidu.com/item/ 混合现实/9991750.[11]翟振明.黑科技惊爆出世，抹掉现实和虚拟界限的ER 你知道吗[DB/OL].(2016-12-14)[2016-12-23].http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwOTU5NTYyOQ==&mid=2658506720&idx=1&sn=0292f25ddde6cc0ebdd45ca4ec99a318&chksm=80dc0862b7ab8174a635ebe8da6e8c3dce24bea34cdbd8beaa00147f1fa12484a9ea02673b9c&mpshare=1&scene=23&srcid=1214odt7K3yBxP5Qn5 tGQS58#rd.[12]微视酷VR 课堂.微视酷VR 课堂挺进大西北，榆林市高新小学首堂VR 课正式启动[DB/OL].(2016-12-05)[2016-12-23].http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIwMjUyOTcwNg==&mid=2247483828&idx=1&sn=6d2133357210a9b538bce1fe73c74e2a&chksm=96dc0f71a1ab8667d4410944e4a3bbfbbeefb2163de11ba3e1 d66640fb0d6f6dc36ef0c287ba&mpshare=1&scene=23&srcid=0105JIRz71LCDcr8bEu1BUDg#rd.[13]王同聚.中小学机器人教学中“微课”的制作与应用研究[J].中国电化教育,2014，(6)：107-110，126.[14]王同聚.“微课导学”教学模式的构建与实践——以中小学机器人教学为例[J].中国电化教育,2015，(2)：112-117.[16]WPR.2017 新技术展望（1）： 创新创业机遇与发展趋势分析[DB/OL].(2016-12-28)[2016-12-29].http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwODMzNjU4Ng==&mid=2651218140&idx=2&s=67639383384f9fe3275490 813068f6a3&chksm=8082a579b7f52c6f0e9a5b5020e2a9578c79dee076b461fcfd21528eaf9fbed087894c7a1afa&mpshare=1&scene=23&srcid=0101PDDVIc9wuKK4nVVCqtRJ#rd.[17] 王同聚.基于“创客空间”的创客教育推进策略与实践——以“智创空间”开展中小学创客教育为例[J].中国电化教育,2016，(6)： 65-70，85.本文发表于《数字教育》2017年第1期（总第13期）特稿栏目，页码：1-10。作者简介：王同聚（1968—），男，河南泌阳人，硕士生导师，中学高级教师，智创空间创始人，研究方向为智能机器人创客教育、STEAM 教育、教育信息化应用等。