構建虛擬仿真實驗室 促進農學創新人才培養

劉喬斐，楊松杰

（安康學院現代農業與生物科技學院，陜西安康 725000）

0 引言

虛擬仿真實驗室（Virtual Lab）自1989年由美國佛吉尼亞大學威廉·沃爾夫教授首次提出以來，在世界范圍內得到迅速發展[1]。目前，美國、英國、加拿大、澳大利亞、西班牙、新西蘭和印度等國多所高校已建立虛擬仿真實驗室，致力于構建覆蓋全國的虛擬仿真實驗網絡平臺[2]。隨著信息產業的不斷發展，教育信息化受到黨中央、國務院的高度重視。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》指出教育信息化是改革教育理念和模式的深刻變革，是促進教育公平、提高教育質量的有效手段，是建設學習型社會的必由之路[3]。教育部高等教育司于2013—2015年連續發文，要求每年建立百所國家級虛擬仿真實驗室。截止2016年全國已建立300所國家級虛擬仿真實驗教學中心。在部屬高校的帶動下，各地方院校也積極開展虛擬仿真實驗室的建設工作。

1 虛擬仿真實驗室概述

1.1 虛擬仿真實驗室的內涵

虛擬仿真實驗室是依托虛擬現實、人機交互、多媒體、數據庫和網絡技術等，用于構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗場景[4]。在虛擬實驗條件下，學生可自主開展虛擬實驗，選擇實驗對象，改變控制因子，觀察不同實驗結果并進行結果診斷分析，撰寫實驗報告等過程，以滿足教學大綱的要求。虛擬仿真實驗的開展離不開虛擬仿真資源的開發。虛擬仿真資源指可以被利用的各種顯在的或隱在的條件和要素，一般包括仿真模型、仿真數據、仿真軟件和仿真平臺等4部分，涉及一切可以利用的基礎設施和軟件設備[5]。

1.2 虛擬仿真實驗室的特點

（1）高仿真性和智能化。在虛擬實驗情境中，由虛擬仿真實驗室提供的一切器材都具有高仿真性并且具有智能化設置功能，學生可以像現實實驗環境一樣開展模擬實驗，自主操作，觀察實驗現象。

（2）直觀性和開放性。虛擬仿真實驗可通過動畫演示的方式對一些抽象概念進行形象展示，彌補傳統實驗教學的不足，加強學生對抽象概念的理解，促進教學效果的提高，并且能夠打破時間和空間限制，用戶可隨時登陸界面進入虛擬實驗平臺[6]。

（3）安全性和抗干擾性。傳統實驗中一些具有毒副作用或危險性較高的實驗難以開展，虛擬仿真實驗能夠克服不利因素開展模擬實驗，加深學生對知識的理解[6]。另外，虛擬仿真實驗還可以避免由于儀器故障、接觸不良等因素導致的實驗無法按時開展的情況，具備一定的抗干擾性。

（4）經濟性。虛擬仿真實驗室可以有效避免儀器老化、損壞、折舊等問題，能夠滿足用戶反復使用的要求，因此可節約教學經費，降低實驗成本[6]。

2 地方本科院校農學專業開展虛擬仿真實驗室的必要性

地方本科院校是我國高等教育大眾化的主力軍，約占全國本科院校的90%。建設高等教育強國，必須做強地方本科院校。潘懋元先生將地方本科院校界定為以行業性為主導，以專業性為主線，以應用型為主體，以本科為主流，以實踐性為主載，培養面向社會一線的應用型高級專門人才[7]。隨著創新型國家的號召和創新創業教育的發展，許多高校大力推進創新創業教育建設工作，一些地方本科院校提出了具有行業特色的應用型創新人才培養目標。對于理工農學專業學生來說，實驗教學是復習、鞏固、加深和拓展理論知識的重要途徑，是培養學生動手能力、實踐綜合能力和創新思維的重要環節。我國多數地方本科院校面臨辦學經費緊張、師資力量缺乏、實驗條件不足等問題，無法滿足學生所有的實驗項目，極大影響了人才培養的質量[8]。

農學是最悠久的本科專業之一，農學專業實驗課程在其課程體系中占據非常重要的地位。農學類作物生產實驗課具有很強的季節性、地域性、綜合性和持續性的特點，研究對象為復雜的生物有機體，要求具有充足的實驗時間、空間和復雜多元的實驗條件。傳統的實驗教學由于時間、空間和資源的限制，難以滿足長時間、大尺度、復雜性的實驗實訓需求。農學專業實驗實訓亟需利用現代教育信息技術開展相應的虛擬仿真實驗平臺，與農作物實物、生態實景等相關實驗結合起來，相互補充，彌補真實實驗教學的不足，改善農學專業實驗教學效果。因此，在地方本科院校農學專業中開展虛擬仿真實驗室非常有必要。

3 地方本科院校農學專業建設虛擬仿真實驗室的路徑分析

安康學院坐落于秦巴山區腹地陜西省南部城市安康市，前身是安康師范專科學校，2006年經教育部批準升為本科院校。作為新建地方本科院校，安康學院有辦學經費緊張、底子薄、社會認可度不高、師資力量薄弱、學生生源質量不高等問題。學校確立以“服務‘三農’、服務區域經濟社會發展”為辦學方針，實施適應于秦巴區域特色的應用型創新人才培養目標。農學專業是安康學院重點建設專業之一，于2017年10月入選陜西省省級一流專業建設名單。由于山區地理位置的限制和學校總體辦學現狀的影響，安康學院農學專業在發展過程中遇到很多問題，其中，最突出的問題是學院實驗室建設水平遠遠落后于學科發展需求。隨著省一流專業建設工作的推進，安康學院亟需開展農學專業虛擬仿真實驗室建設工作，提高農學人才培養質量。安康學院農學專業虛擬仿真實驗室的建設路徑可以從4個方面展開。

3.1 緊跟教育信息化發展政策，拓寬實驗室建設思路

教育部相關文件要求本科實驗教學必須以學生為本，樹立傳授知識、培養能力、提高素質和協調發展的教育理念，以培養學生的動手能力和自主學習能力為核心，建立有利于培養創新能力的實驗教學體系[9]。虛擬仿真實驗室的建設應當堅持“科學規劃、共享資源、重點突出、提高效益、持續發展”的指導思想，要充分反映出安康學院農學專業學科需求和特點，要有必要的人員保障，以全面提高學生創新思維和創業精神為宗旨，以共享優質實驗教學資源為核心，以建設信息化實驗教學平臺為重點，分年度分批建設[9]。同時鼓勵高水平教師積極投入到虛擬仿真實驗室建設工作和教學中，推行理論教學和實驗教學團隊深度融合、密切交流，建立全面嚴謹的管理規章制度，保障虛擬仿真實驗室建設的可行性、高效性和可持續性。

3.2 虛實結合，整合實驗資源，完善現有實驗教學體系

虛擬仿真實驗室的建設應該充分體現“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則，完善現有的實驗平臺，增加虛擬仿真實驗項目，將真實實驗項目和虛擬仿真實驗項目有機結合起來，既讓學生參與實際操作，又能彌補真實實驗條件無法滿足的虛擬實驗環節。虛實結合能夠提高實驗教學效果，有利于培養學生實驗探索能力和創新思維。比如在《作物栽培學》的魔芋高產栽培技術實驗實訓中，由于魔芋的生產周期長且其適生區位于中高山地區，從時間、人身安全和教學經費等方面考慮，教師都不可能帶領學生到基地開展實驗，虛擬仿真實驗室就可以克服以上困難。學生在虛擬實驗中通過動畫演示和虛擬場景，可以很直觀地了解魔芋栽培全過程，觀察不同立地條件下魔芋生長動態和病蟲害發生現象，加深對魔芋相關知識的理解。

3.3 推進校企合作，加強虛擬仿真實驗軟件的研發

由于信息專業技術人員的缺失和軟件研發技術力量的限制，高等院校很難獨立開發完整的虛擬仿真實驗軟件，因此，需要借助企業的力量聯合開發虛擬仿真實驗軟件。虛擬仿真實驗室建設需要學科專業人員和軟件技術人員密切合作，借助企業的軟件開發能力、售后服務能力，將軟件資源的開發、更新、維護和服務等事項交給企業承擔，實現校企高度融合，促進虛擬仿真實驗室的良好發展[10]。此外，學校應鼓勵實驗室相關領導和教師積極參加國家虛擬仿真實驗室建設工作會議，加強與其他高校的合作與交流，引進外校優質成熟的虛擬仿真實驗軟件。結合安康學院農學專業特色和實驗室情況，通過與企業合作聯合開發符合實際需求、特色鮮明的適合安康學院農學專業發展的虛擬仿真實驗室軟件。

3.4 加強虛擬仿真實驗教學管理服務，提高農學專業創新人才培養質量

我國高校虛擬仿真實驗室建設一般形成校長統一領導，主管院長和實驗室主任兩級管理，教師參與和監督的管理模式[9]。高校應從機構設置、經費保障、制度建設和信息管理等方面考慮，加強虛擬仿真實驗室的建設和管理服務工作。安康學院農學專業的發展目標是培養適應秦巴山區農業經濟特色的應用型創新人才。良好的實驗室建設平臺可以有效促進應用型創新人才培養質量的提高。因此，為了全面提高農學專業人才培養質量，安康學院應逐步形成以學生為根本，以教學實驗為主體，不斷提高實驗室教師的整體水平，加快推進農學虛擬仿真實驗室建設工作，加強虛擬仿真實驗室教學管理服務水平，建立完善實驗室管理體制和保障機制，鼓勵教師對外學習和交流，為農學專業創新人才培養做好服務工作。

4 結束語

人才培養是高等學校的根本任務。農學作為安康學院重點建設專業之一，承擔著培養適應秦巴區域特色的應用型創新人才培養的任務。農學是綜合性很強的學科，實驗室建設直接影響農學專業人才培養的質量。因此，加快構建虛擬仿真實驗室建設，提高農學專業實驗整體水平，對安康學院農學創新人才培養質量的提高具有重要意義。