農(nóng)藥學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建

劉祥英 劉開林 胡利鋒 羅坤 劉敏

摘 要：從農(nóng)藥學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)和目前存在的問題出發(fā)，構(gòu)建農(nóng)藥學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新模式，以期通過虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建農(nóng)藥學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課堂，提高教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：農(nóng)藥學(xué)；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

農(nóng)藥學(xué)實(shí)驗(yàn)是植物保護(hù)專業(yè)的一門主干技術(shù)基礎(chǔ)課程，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維、鞏固農(nóng)藥學(xué)理論知識、提高學(xué)生實(shí)踐能力方面占有重要的地位。然而，該門課程知識體系龐雜、內(nèi)容多樣，教學(xué)活動(dòng)受到時(shí)空、成本、儀器設(shè)備、環(huán)境污染等因素的影響，一些實(shí)驗(yàn)在傳統(tǒng)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)條件下難以實(shí)現(xiàn)，這無疑大大降低了學(xué)生的培養(yǎng)效果。因此，構(gòu)建虛擬仿真教學(xué)體系，開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，打破農(nóng)藥學(xué)實(shí)踐教學(xué)中受到場地、季節(jié)、實(shí)驗(yàn)成本、危險(xiǎn)性以及不可再重現(xiàn)等方面的限制，進(jìn)而達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果，對培養(yǎng)現(xiàn)代植保創(chuàng)新人才及農(nóng)藥學(xué)學(xué)科的發(fā)展具有重要的實(shí)際意義。

一、 農(nóng)藥學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)和存在的問題

在植物保護(hù)一級學(xué)科下，農(nóng)藥學(xué)是繼植物病理學(xué)和農(nóng)業(yè)昆蟲學(xué)后的第三大二級學(xué)科。中國幾乎所有農(nóng)業(yè)院校都開設(shè)了農(nóng)藥學(xué)及農(nóng)藥學(xué)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)課程，且大多為必修課，課程名稱常見的有“農(nóng)藥殘留檢測”“農(nóng)藥學(xué)概論”“農(nóng)藥生物測定”等，用來培養(yǎng)具有現(xiàn)代思想的應(yīng)用研究型植?？萍既瞬?。該門課程內(nèi)容多樣，涉及生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、植物病理學(xué)、昆蟲學(xué)、雜草學(xué)、遺傳學(xué)、氣象學(xué)、分子生物學(xué)及其他許多分支學(xué)科，部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容受到季節(jié)性、供試生物、實(shí)驗(yàn)成本、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備和環(huán)境污染等方面的限制，在真實(shí)的教學(xué)模式下難以實(shí)現(xiàn)。如農(nóng)藥合成、農(nóng)藥加工等實(shí)驗(yàn)教學(xué)受經(jīng)費(fèi)和實(shí)驗(yàn)儀器的限制，難以開設(shè)。再如部分實(shí)驗(yàn)會涉及劇毒農(nóng)藥，操作不當(dāng)會危害學(xué)生身體，引起環(huán)境污染，不宜開設(shè)。這些不足給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來較大的障礙，難以滿足對知識、能力、素質(zhì)并重的人才培養(yǎng)要求。

二、 開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性

近年來，國家對教育信息化十分重視。2010年《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010～2020年）》被審核通過，其中明確指出：“信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命性影響，必須予以高度重視”。隨后，教育部又出臺了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011～2020年）》，從宏觀戰(zhàn)略的高度提出了建立具有中國特色的教育信息化體系。2013年高等教育司正式發(fā)布“關(guān)于開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知（教高司函〔2013〕94號）”，正式?jīng)Q定開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作，要求在涉及高?；驑O端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況時(shí)，根據(jù)虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則，開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。大量研究表明，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)在醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)、農(nóng)學(xué)等諸多領(lǐng)域進(jìn)行了實(shí)踐，的確能達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)條件下難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果。基于農(nóng)藥學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)和存在的問題，一些實(shí)驗(yàn)受到場地、大型實(shí)驗(yàn)儀器、時(shí)間季節(jié)、危險(xiǎn)性以及實(shí)驗(yàn)成本等方面的限制，難以在真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)施。因此，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，臨摹實(shí)物，拓展實(shí)踐領(lǐng)域，降低成本和風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)目標(biāo)，提高教學(xué)效果，是十分必要的。

三、 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建

（一） 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的模塊

根據(jù)虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則，構(gòu)建農(nóng)業(yè)昆蟲、植物病理、農(nóng)田雜草3個(gè)模塊，每個(gè)模塊包含基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)技能實(shí)驗(yàn)和綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)3個(gè)層次。在此基礎(chǔ)上，以農(nóng)藥合成、農(nóng)藥劑型加工、有害生物防控為仿真內(nèi)容，形成了虛實(shí)融合，多層次、多模塊、銜接緊密的農(nóng)藥學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系（如圖1）。

（二） 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式應(yīng)用

為了檢驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在實(shí)際教學(xué)中的應(yīng)用效果，擬以植物保護(hù)（卓越）班為檢驗(yàn)班，采取虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的模式；擬選取一個(gè)與卓越班人數(shù)相當(dāng)?shù)闹参锉Ｗo(hù)普通班為對照班，僅采取真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式。在授課前一天布置檢測班學(xué)生完成了預(yù)習(xí)任務(wù)，包括觀看虛擬實(shí)驗(yàn)演示并思考實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案，復(fù)習(xí)教學(xué)目標(biāo)、實(shí)驗(yàn)原理及側(cè)重點(diǎn)，以上任務(wù)都在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺完成，對照班則由學(xué)生自主進(jìn)行常規(guī)預(yù)習(xí)。課堂上，檢測班先按照教材方案真實(shí)實(shí)驗(yàn)，再播放其微觀實(shí)驗(yàn)原理虛擬視頻，并要求學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并完成優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。課后根據(jù)需要無限制地重播實(shí)驗(yàn)，直到徹底掌握實(shí)驗(yàn)原理，隨時(shí)在線問答，教師掌握學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)。對照班的學(xué)生只通過課件觀看優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，在課堂進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，允許后面的學(xué)生上臺觀察現(xiàn)象。

（三） 教學(xué)效果評價(jià)體系

根據(jù)檢測班和對照班學(xué)生的課堂表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)操作技能的掌握、分析問題和解決問題的能力等評價(jià)應(yīng)用效果。教學(xué)效果評價(jià)包括三個(gè)部分：第一部分是學(xué)生平時(shí)實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的成績，主要考查學(xué)生的動(dòng)手能力和分析問題的能力。第二部分是期末考核，采用現(xiàn)場答題和操作相結(jié)合，以抽簽方式隨機(jī)抽取問題，主要考查分析問題和解決問題的能力。第一部分和第二部分的成績比重分別為70%和30%。第三部分是問卷調(diào)查，此部分不記入考核成績，僅供實(shí)驗(yàn)教師了解學(xué)生對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的看法、心得和對學(xué)生課堂專注力、學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課的興趣、學(xué)生學(xué)習(xí)自主性的影響等。

四、 結(jié)語

采用虛擬仿真技術(shù)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以突破真實(shí)教學(xué)中的限制，提高教學(xué)效果，但是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)只能作為真實(shí)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充和拓展，并不能完全替代傳統(tǒng)的真實(shí)實(shí)驗(yàn)。因此，農(nóng)藥學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)必須與傳統(tǒng)的真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，使學(xué)生獲得全面的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，為深化教學(xué)改革和培養(yǎng)卓越、專業(yè)的植保人才開辟了一條新的途徑。（通訊作者：胡利鋒）

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作者簡介：

劉祥英，劉開林，胡利鋒，羅坤，劉敏，湖南省長沙市，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院。