基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的農(nóng)業(yè)高校專業(yè)課實(shí)踐教學(xué)探索

張芊 田斌強(qiáng) 張小全

【摘要】實(shí)踐教學(xué)是農(nóng)業(yè)高校專業(yè)課教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的引入和應(yīng)用能夠解決傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中的一系列問(wèn)題，將傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式變?yōu)閷W(xué)生與虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境互動(dòng)學(xué)習(xí)的方式來(lái)掌握知識(shí)與技能的新模式，為實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)提供了一個(gè)科學(xué)有效的解決方案。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真;實(shí)踐教學(xué);栽培學(xué)

高校教育作為中國(guó)教育體系的重要組成部分，承擔(dān)著為社會(huì)培養(yǎng)、輸送各類型人才的任務(wù)。在當(dāng)前我國(guó)進(jìn)入社會(huì)主義建設(shè)新階段，云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等各類新技術(shù)、新理論層出不窮的情況下，社會(huì)各行業(yè)對(duì)技術(shù)性、操作性人才的需求量逐年增加，這就對(duì)高校專業(yè)課實(shí)踐教學(xué)提出了更高的要求。農(nóng)業(yè)院校傳統(tǒng)的栽培學(xué)課程中教學(xué)實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐活動(dòng)的開(kāi)展往往需要將授課班級(jí)分為若干實(shí)驗(yàn)小組，為每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組準(zhǔn)備相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)器材、活動(dòng)場(chǎng)地，并按照教學(xué)計(jì)劃進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)。這種情況下，往往囿于實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足及授課時(shí)間限制，每位學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐操作的機(jī)會(huì)很有限，這也使得實(shí)踐教學(xué)效果大打折扣。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能等領(lǐng)域的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于高校專業(yè)課教學(xué)活動(dòng)中，為解決上述問(wèn)題提供了有效途徑。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)介紹

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR技術(shù)）集成了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和人工智能等領(lǐng)域的研究成果，利用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)和各種顯示及控制等接口設(shè)備，在計(jì)算機(jī)上生成可交互的虛擬三維環(huán)境，給使用者提供沉浸式體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特性被稱為“3I”， 即沉浸性、交互性和構(gòu)想性。沉浸性是指用戶通過(guò)交互設(shè)備全方位地置身于虛擬世界中，這種沉浸式體驗(yàn)主要根據(jù)用戶的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多方面感知數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建生成，營(yíng)造一個(gè)逼真的三維虛擬環(huán)境。交互性是指在虛擬環(huán)境中用戶以自然的行為技能對(duì)其中的對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，實(shí)現(xiàn)真正的人機(jī)交互。構(gòu)想性是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為用戶提供反映其豐富想象力的機(jī)制，是人類思想的一種體現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠很好地解決傳統(tǒng)教學(xué)當(dāng)中理論講解過(guò)程中互動(dòng)性、解釋性不足的難題，學(xué)生能夠得到充分的學(xué)習(xí)和動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂的學(xué)習(xí)效果，將傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式，變?yōu)閷W(xué)生與信息環(huán)境互動(dòng)學(xué)習(xí)來(lái)得到知識(shí)與技能的新模式，為實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)提供了一個(gè)科學(xué)有效的解決方案。

二、農(nóng)業(yè)高校專業(yè)課實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與意義

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能突破空間和時(shí)間的限制

農(nóng)業(yè)高校各類專業(yè)課程均具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，這類專業(yè)課程的核心教學(xué)目標(biāo)就是在讓學(xué)生具備較好的理論基礎(chǔ)之上，同時(shí)具有較強(qiáng)的實(shí)踐能力。學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)需要通過(guò)相關(guān)的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐的開(kāi)展往往需要遵循農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律，在農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的特定階段、特定地點(diǎn)開(kāi)展。限于上述情況，農(nóng)業(yè)高校的專業(yè)課實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)會(huì)出現(xiàn)與理論課脫節(jié)的情況。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)綜合運(yùn)用三維仿真、人機(jī)交互、人工智能等新技術(shù)、新手段來(lái)組織相關(guān)學(xué)科知識(shí)的展現(xiàn)和操作，通過(guò)搭建符合實(shí)際情況、合理的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，能夠克服時(shí)間、地點(diǎn)以及材料的限制，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)踐活動(dòng)的無(wú)縫銜接。

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能彌補(bǔ)高校實(shí)踐教學(xué)條件的不足

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用能有效緩解實(shí)踐教學(xué)中實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地有限、設(shè)備昂貴、經(jīng)費(fèi)緊缺等方面的問(wèn)題，整體改善教學(xué)環(huán)境，增強(qiáng)高校課堂教學(xué)水平。學(xué)生在課堂上就能反復(fù)地進(jìn)行各式各樣的實(shí)驗(yàn)，既能加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的認(rèn)識(shí)和理解，也能減少設(shè)備長(zhǎng)期使用造成的損壞以及教學(xué)材料的消耗，從而達(dá)到節(jié)約教學(xué)成本的目的。

（三）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠降低仿真實(shí)驗(yàn)或操作的危險(xiǎn)系數(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為高校實(shí)驗(yàn)提供了更為安全可靠的教學(xué)方式。在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不僅能避免實(shí)驗(yàn)自身的高危性或?qū)嶒?yàn)失敗會(huì)對(duì)人體、設(shè)備造成損傷，還能以直觀的方式發(fā)現(xiàn)因錯(cuò)誤操作造成的不良實(shí)驗(yàn)后果，督促學(xué)生正確地進(jìn)行實(shí)踐操作。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，教師在進(jìn)行理論教學(xué)的過(guò)程中能夠隨時(shí)開(kāi)展實(shí)際操作、展示等活動(dòng)，極大地提升了理論教學(xué)的接受效果;虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中多媒體展示、人機(jī)交互操作使枯燥、抽象的概念以及操作過(guò)程等能夠被生動(dòng)立體地展示出來(lái)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)知識(shí)、掌握概念的實(shí)質(zhì)，啟發(fā)學(xué)生在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題，培養(yǎng)其高層次的思維技能。另外，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的在線開(kāi)展，實(shí)現(xiàn)不同地區(qū)的老師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間的交流和訓(xùn)練，加強(qiáng)教育的互動(dòng)性，豐富高校實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的外在形式，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，促進(jìn)教學(xué)手段的科學(xué)化、高效化發(fā)展，對(duì)培養(yǎng)個(gè)性化、高素質(zhì)的全面型人才具有很大的促進(jìn)作用。

三、基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)施

栽培學(xué)課程中的病蟲(chóng)害田間試驗(yàn)要求學(xué)生在田間實(shí)地調(diào)查發(fā)生病蟲(chóng)害情況，了解害蟲(chóng)的分布特點(diǎn)，正確估計(jì)其種群密度，為制定合理的防蟲(chóng)策略提供依據(jù)。此類調(diào)查實(shí)踐活動(dòng)往往需要耗費(fèi)任課教師大量精力進(jìn)行組織，由于病蟲(chóng)害的發(fā)病具有一定的隨機(jī)性，使得實(shí)踐教學(xué)開(kāi)展時(shí)間不固定。

為充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提高教學(xué)質(zhì)量，克服上述困難，任課教師可設(shè)計(jì)基于虛擬仿真的病蟲(chóng)害田間調(diào)查實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行實(shí)際仿真操作前，首先，由教師在線上梳理相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的知識(shí)點(diǎn)，并以在線屏幕共享的方式演示具體的操作步驟;其次，學(xué)生登錄系統(tǒng)，選擇工具、選擇樣地、確定樣方，進(jìn)行隨機(jī)預(yù)抽樣，并根據(jù)抽樣結(jié)果計(jì)算種群平均密度和方差，進(jìn)而判斷種群空間格局類型，再根據(jù)空間格局類型選擇抽樣方法，并完成抽樣調(diào)查進(jìn)行密度估計(jì);最后，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)報(bào)告需記錄整個(gè)過(guò)程，并得出結(jié)論。另外，任課教師將每次的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容分為規(guī)定完成項(xiàng)目和可選項(xiàng)目?jī)刹糠郑蛇x項(xiàng)目設(shè)置難度略高于規(guī)定內(nèi)容，是為學(xué)有余力的學(xué)生準(zhǔn)備，目的在于更好地滿足不同程度的學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

四、教學(xué)效果分析

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行線上實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，能夠克服教學(xué)資源有限、學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)不足等問(wèn)題，可以加深學(xué)生對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的理解，提高學(xué)生動(dòng)手操作能力，對(duì)于信息技術(shù)類的實(shí)踐課程是很好的補(bǔ)充。但從教學(xué)活動(dòng)的實(shí)施過(guò)程來(lái)看也存在一定的不足：一是在線學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生的約束性不足，盡管布置了作業(yè)完成的截至?xí)r間，但由于網(wǎng)絡(luò)狀況不佳、計(jì)算機(jī)軟硬件故障等無(wú)法按時(shí)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的學(xué)生大有人在，而任課教師很難判斷原因;二是實(shí)驗(yàn)報(bào)告自主完成情況無(wú)法判斷，在線實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)平臺(tái)完成的實(shí)驗(yàn)報(bào)告無(wú)法記錄完成時(shí)的IP地址和用戶信息，所以對(duì)于報(bào)告是否由本人完成往往難以確定。

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（作者單位：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)）