作物栽培學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真建設(shè)思考

李玉祥 蔣桂英 劉揚(yáng) 羅宏海 樊華

【摘要】虛擬仿真是一項(xiàng)新的教育方法。本文結(jié)合課程組前期工作基礎(chǔ)，從作物栽培學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真建設(shè)的意義、設(shè)計(jì)思路、實(shí)施效果及發(fā)展方面，對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)進(jìn)行了分析總結(jié)，希望促進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)? 教育信息化

【基金項(xiàng)目】石河子大學(xué)2020年虛擬仿真一流課程、線(xiàn)下一流課程和2021年課程思政示范課程。

【中圖分類(lèi)號(hào)】TP391.9;S31-4? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2021）42-0166-03

一、建設(shè)意義

《作物栽培學(xué)》是作物學(xué)一級(jí)學(xué)科下作物栽培學(xué)與耕作學(xué)二級(jí)學(xué)科的重要組成部分之一，是面向農(nóng)學(xué)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的專(zhuān)業(yè)核心課程之一。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與信息技術(shù)的發(fā)展，新疆農(nóng)業(yè)規(guī)模化與機(jī)械化、生產(chǎn)現(xiàn)代化水平顯著提升。本實(shí)驗(yàn)針對(duì)目前農(nóng)業(yè)高校新農(nóng)科建設(shè)和發(fā)展的需求，以實(shí)踐為導(dǎo)向，堅(jiān)持以教學(xué)、科研為中心，以人才培養(yǎng)質(zhì)量為生命線(xiàn)，按照“知識(shí)-能力-素質(zhì)”協(xié)調(diào)統(tǒng)一的人才培養(yǎng)模式和培養(yǎng)目標(biāo)，以掌握主要農(nóng)作物生產(chǎn)農(nóng)事操作基本技能和技術(shù)要點(diǎn)為基礎(chǔ)，選取影響新疆主要作物產(chǎn)量形成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，采用3D建模、動(dòng)畫(huà)和人機(jī)交互等技術(shù)開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，為解決我國(guó)農(nóng)業(yè)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐型人才培養(yǎng)過(guò)程當(dāng)中凸顯的資源缺乏、時(shí)間不可逆、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)高、生產(chǎn)實(shí)踐安全等方面問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)國(guó)家培養(yǎng)創(chuàng)新人才和卓越人才的偉大戰(zhàn)略目標(biāo)具有重要意義。

二、設(shè)計(jì)思路

（一）實(shí)現(xiàn)“長(zhǎng)時(shí)程實(shí)驗(yàn)的短時(shí)化”

通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用，可以系統(tǒng)模擬各種作物的生長(zhǎng)狀況和田間栽培管理措施，能夠有效地代替長(zhǎng)時(shí)程的大田作物田間栽培管理，使作物完整的一個(gè)生長(zhǎng)周期壓縮至幾個(gè)課時(shí)內(nèi)完成。此外，虛擬仿真系統(tǒng)不會(huì)受到外界環(huán)境因子影響（如季節(jié)、氣候等），任何時(shí)間都可以在虛擬仿真系統(tǒng)中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)完成作物播前土地整理、種子準(zhǔn)備、種植、病蟲(chóng)草害防治、水肥管理、收獲、儲(chǔ)藏、加工等一系列農(nóng)事操作，這在目前真實(shí)實(shí)驗(yàn)中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的[1]。

（二）實(shí)現(xiàn)“危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)的安全化”

作物大田管理中會(huì)涉及有毒性的農(nóng)藥，如果操作不當(dāng)會(huì)對(duì)學(xué)生的身體造成危害，并且會(huì)污染環(huán)境。采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，學(xué)生可以在不接觸類(lèi)似有毒及其他有害物質(zhì)的同時(shí)，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，在線(xiàn)操作學(xué)習(xí)不同實(shí)驗(yàn)條件下可能會(huì)出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，大大減少或避免真實(shí)試驗(yàn)有可能帶來(lái)的危害。

（三）實(shí)現(xiàn)“理論知識(shí)二維空間的三維化”

作物栽培學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以打破時(shí)間和空間的限制，較大程度地縮短現(xiàn)實(shí)教學(xué)實(shí)驗(yàn)周期、節(jié)約實(shí)驗(yàn)教學(xué)投入，使實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)教學(xué)從相對(duì)枯乏、單調(diào)的二維空間向豐富、絢麗的三維世界轉(zhuǎn)變，試驗(yàn)空間從相對(duì)封閉的物理空間向開(kāi)放的虛擬空間擴(kuò)展，更加高效、充分的利用飛速的網(wǎng)絡(luò)、先進(jìn)的計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)，為農(nóng)科類(lèi)高校專(zhuān)業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供先進(jìn)的教學(xué)手段，拓寬學(xué)生的視野與思維空間，有效提升學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力。

（四）與科研成果相融合，深化課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠開(kāi)發(fā)建立交互性能優(yōu)良的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，一方面，學(xué)生可以不受時(shí)間、空間、環(huán)境、作物生育周期等的限制，對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)各虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備及對(duì)象進(jìn)行操作、學(xué)習(xí)，達(dá)到課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。另一方面，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以將理論教學(xué)中的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)和內(nèi)容進(jìn)行拓展和延伸，更加真實(shí)的將理論與實(shí)踐相結(jié)合，能夠有效地豐富并深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

（五）虛實(shí)互補(bǔ)，以虛促實(shí)

作物栽培學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)主要是模擬農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育及相關(guān)栽培管理措施，進(jìn)而代替長(zhǎng)時(shí)程、復(fù)雜的大田作物栽培管理，使作物整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育周期壓縮至幾個(gè)學(xué)時(shí)，使學(xué)生能夠在相對(duì)短時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)了解作物整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程和對(duì)應(yīng)的栽培管理措施。但作物生長(zhǎng)關(guān)鍵時(shí)期仍要實(shí)地調(diào)查學(xué)習(xí)，虛擬仿真是手段而非目的，最終的目的都是為了讓學(xué)生能夠更加全面深刻的認(rèn)識(shí)作物生長(zhǎng)發(fā)育動(dòng)態(tài)和特征。

（六）注重引導(dǎo)和探索，完善考核體系

在實(shí)際建設(shè)過(guò)程中，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)_本的設(shè)計(jì)應(yīng)更多地注重對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)和探索，而不是簡(jiǎn)單的觀看、驗(yàn)證。同時(shí)在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過(guò)程中，系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)學(xué)生在虛擬系統(tǒng)畫(huà)面上的互動(dòng)過(guò)程及結(jié)果，對(duì)仿真操作進(jìn)程和最終結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄與評(píng)價(jià)，準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)和掌握學(xué)生每一步操作學(xué)習(xí)的深度及所犯的錯(cuò)誤，老師通過(guò)查看學(xué)生對(duì)具體知識(shí)點(diǎn)的熟練度和掌握程度，可以據(jù)此科學(xué)、合理地給出成績(jī)，并對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行有針對(duì)性的講解和輔導(dǎo)。

三、實(shí)施效果

（一）學(xué)生層面

1.激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

在虛擬的環(huán)境中，學(xué)生可以直接觀察作物不同生育階段的狀態(tài)，通過(guò)分析測(cè)定相關(guān)參數(shù)，能夠使學(xué)生深入細(xì)致地了解不同作物生長(zhǎng)狀況、生長(zhǎng)類(lèi)型并采取相應(yīng)的田間管理措施。這種直觀、實(shí)時(shí)和互動(dòng)的特點(diǎn)不僅激發(fā)了學(xué)生了解和管理棉田的興趣，也有助于學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)遷移。

2.提升學(xué)生學(xué)習(xí)能力

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)解決了真實(shí)田間實(shí)驗(yàn)不可逆、長(zhǎng)時(shí)程的問(wèn)題。在虛擬環(huán)境中，學(xué)生及其他操作者可以針對(duì)不同生長(zhǎng)類(lèi)型的虛擬作物進(jìn)行反復(fù)練習(xí)操作，一方面能深化和鞏固對(duì)已有理論知識(shí)的進(jìn)一步理解，又能獲得作物生長(zhǎng)特征辨析和適宜性管理的能力;學(xué)生也可選擇練習(xí)模式，這種相對(duì)靈活的學(xué)習(xí)模式既能夠激發(fā)調(diào)動(dòng)學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)習(xí)主動(dòng)學(xué)習(xí)知識(shí)和反思的習(xí)慣，又能引導(dǎo)和推動(dòng)學(xué)生將所學(xué)理論知識(shí)更好地與實(shí)踐相結(jié)合。

3.提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供了泛在化的在線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室和“空中課堂”，使學(xué)生及其他操作者可以不受時(shí)間和空間的限制，學(xué)生能夠隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，沉浸其中學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，大大縮短了常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)周期;同時(shí)，系統(tǒng)的自動(dòng)評(píng)分功能能夠使學(xué)生得到及時(shí)反饋，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)解決，學(xué)生學(xué)習(xí)效率也因此大幅度提高。

（二）學(xué)校層面

1.提高人才培養(yǎng)質(zhì)量

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展有效地解決了常規(guī)實(shí)驗(yàn)受時(shí)間和空間的等因素的限制，學(xué)生可自行安排，隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。同時(shí)，系統(tǒng)針對(duì)問(wèn)題設(shè)有糾錯(cuò)和提示功能，學(xué)生可以結(jié)合自生學(xué)習(xí)狀況反復(fù)練習(xí)、領(lǐng)會(huì)。虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境里大量的對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象、過(guò)程及步驟的“試誤”，也能讓學(xué)生切身體驗(yàn)不同操作步驟（栽培管理措施等）對(duì)作物生長(zhǎng)多帶來(lái)的不同影響，也能夠練就學(xué)生的保教能力。

2.極大的提升了教學(xué)效率

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)擬建構(gòu)一個(gè)類(lèi)真實(shí)環(huán)境，解決現(xiàn)實(shí)作物栽培管理中不能接收高頻次、長(zhǎng)時(shí)程、大批量的學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐的難題;也能夠解決學(xué)生在常規(guī)實(shí)驗(yàn)中不能用實(shí)體作物進(jìn)行反復(fù)練習(xí)及現(xiàn)實(shí)栽培中實(shí)現(xiàn)不同長(zhǎng)勢(shì)長(zhǎng)相辨析與周期長(zhǎng)的問(wèn)題。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生與虛擬作物、栽培管理措施進(jìn)行互動(dòng)，不僅能把常規(guī)線(xiàn)下課堂中所學(xué)的理論知識(shí)應(yīng)用于線(xiàn)上虛擬實(shí)驗(yàn)中，而且能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)本專(zhuān)業(yè)的興趣和熱情，較大程度地提升了實(shí)踐教學(xué)效率。

3.顯著降低了教學(xué)成本

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)使學(xué)生足不出校就能體驗(yàn)和觀摩作物生長(zhǎng)發(fā)育及生產(chǎn)管理過(guò)程，節(jié)省了學(xué)生往返實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)習(xí)實(shí)踐單位的時(shí)間和交通成本。同時(shí)，學(xué)生通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)對(duì)象和實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行互動(dòng)，大大節(jié)省了實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料的購(gòu)置費(fèi)用，并降低了部分有毒試劑對(duì)于學(xué)生的潛在危害。

4.教學(xué)資源共享程度明顯提高

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)在線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)使用，為開(kāi)展大范圍班級(jí)實(shí)驗(yàn)提供了便利，同時(shí)能夠更好的向社會(huì)相關(guān)行業(yè)人員開(kāi)放。

5.服務(wù)社會(huì)效果明顯

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)化農(nóng)業(yè)人才上也具有顯著優(yōu)勢(shì)，通過(guò)與農(nóng)業(yè)信息技術(shù)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)合作，吸引更多社會(huì)上本行業(yè)相干人員接受虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的培訓(xùn)，大大提升農(nóng)業(yè)信息技術(shù)從業(yè)人員的專(zhuān)業(yè)化水平。

四、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)展思考

（一）頂層設(shè)計(jì)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)自身具有影響面大、受益人群多、參與人知識(shí)水平層次不齊等特點(diǎn)，因此在開(kāi)始前要做好頂層設(shè)計(jì)和規(guī)劃。必須立足于人才培養(yǎng)計(jì)劃，制定合理完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，落實(shí)每個(gè)專(zhuān)業(yè)使用虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)的具體課程;制定合理的實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)步驟，鼓勵(lì)不同專(zhuān)業(yè)不同人群協(xié)同創(chuàng)新、驅(qū)動(dòng)發(fā)展，建設(shè)綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室;最終實(shí)現(xiàn)“共建共享共創(chuàng)”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室管理和運(yùn)行模式[2]。

（二）平臺(tái)共享

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室及生產(chǎn)實(shí)踐課程由于經(jīng)常受限于場(chǎng)地、時(shí)間、天氣的制約，無(wú)法實(shí)現(xiàn)豐富的教學(xué)資源共享和周期性持續(xù)性學(xué)習(xí)，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虼蚱茍?chǎng)地、時(shí)間、空間、天氣等因子的限制，學(xué)習(xí)者能夠隨時(shí)、多次、反復(fù)訪(fǎng)問(wèn)學(xué)習(xí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)，其中一個(gè)重要的工作是相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的高效共享，這就需要相關(guān)單位在建成優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)之后，同時(shí)建立一個(gè)合理可行高效的運(yùn)行機(jī)制，廣泛宣傳、擴(kuò)大應(yīng)用面，引導(dǎo)學(xué)生及本行業(yè)廣大用戶(hù)選擇使用，拓展使用范圍，提升虛擬仿真平臺(tái)的價(jià)值。

（三）保障機(jī)制

人才、經(jīng)費(fèi)及管理服務(wù)是制約虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)展的重要因素。目前，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)中出現(xiàn)的問(wèn)題是，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)主要是個(gè)別對(duì)虛擬仿真有興趣且有改革意愿的教師“自下而上”開(kāi)展工作，申請(qǐng)教師既是設(shè)計(jì)者，也是管理者，工作難度和工作量較大，現(xiàn)有人員專(zhuān)業(yè)能力很難滿(mǎn)足要求。另一方面，經(jīng)費(fèi)沒(méi)有穩(wěn)定保障，致使后期的運(yùn)行、更新、完善受到影響，將極大地限制了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的可持續(xù)發(fā)展。因此，需成立一支由不同專(zhuān)業(yè)教師、實(shí)驗(yàn)師及虛擬仿真公司技術(shù)人員等一起組成的研發(fā)建設(shè)團(tuán)隊(duì)，為虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)質(zhì)量提供基礎(chǔ)保障;同時(shí)完善對(duì)教師的激勵(lì)、培訓(xùn)和考核機(jī)制。

參考文獻(xiàn)：

[1]李震彪. 本科教學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)之思考[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理， 2019， 36： 5-7.

[2]王慧. 應(yīng)用型地方高校綜合型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的思考[J]. 江蘇科技信息， 2019， 13： 75-80.

作者簡(jiǎn)介：

李玉祥（1988年-），男，漢族，甘肅武威人，副教授，博士，研究方向?yàn)樽魑镌耘鄬W(xué)與耕作學(xué)。