虛擬仿真技術在果樹栽培學實驗教學改革中的應用研究

鄧英毅 屈嘯 覃嬋嬋 彭杰椿 段承煜 覃富強

[摘 要] 現代高校創新創業應用型人才的培養離不開實驗實踐教學。果樹栽培學的真實實驗教學存在周期長、占地多、成本高、缺乏連續性與一致性等特點，所以虛擬仿真實驗教學是深化果樹栽培學實驗教學改革的一個重要手段，通過對虛擬仿真技術在果樹栽培學實驗中的應用研究，探討該技術在果樹栽培學實驗教學中應用的必要性，提出果樹栽培學實驗教學項目和教學共享平臺的構建模式，不僅豐富果樹栽培學實驗教學內容，而且能夠培養學生的實踐創新能力，是推動應用型本科人才建設的一個重要手段。

[關 鍵 詞] 虛擬仿真技術；果樹栽培學實驗；教學改革；應用研究

[中圖分類號] G642 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2019）01-0094-02

一、虛擬仿真技術在果樹栽培學實驗教學中應用的必要性

現代高校創新創業型應用型人才的培養離不開實驗實踐教學。果樹栽培學實驗教學是園藝學等專業學生需要掌握的一門專業實驗技能課程，實踐性強，所以，該門課程必須構建“實踐認識、實踐訓練、實踐創新”的實驗實踐教學體系，才能培養適應時代要求的拔尖園藝創新創業人才。在果樹栽培學的真實實驗教學中存在以下特點。

果樹生長周期和生命周期長，很多果樹都是一年才能完成從枝梢生長發育到開花結果的一個生長周期，完成一個生命周期需要幾十年甚至上百年，真實的實驗很難看到整個果樹生長發育的動態過程。因此，學生在真實的實驗教學中較難看到果樹萌芽、抽梢等營養生長以及開花結果、果實和種子發育等生殖生長的整個連續循環過程，在有限的時間和地點內不能系統掌握果樹的品種培育、育苗、建園、栽植、土肥水管理、采收、采后處理等動態過程。

果樹栽培學的真實實驗缺乏連續性與一致性，如某種果樹的整形修剪實驗，需要對該果樹進行不同方式的整形修剪并觀察其反應包括剪后枝梢的生長發育和開花結果情況、對樹體通風透光性和果實品質等的影響，這需要一年甚至幾年的時間，但真實實驗的教學時間往往是1～2個學期，在有限的時間內學生較難看到整個修剪反應的連續性和一致性。

果樹栽培學真實實驗占地多，栽培和管理成本高，校內教學實驗用地有限，果樹種類和品種繁多、先進的栽培技術也多種多樣。如果都栽植各種類和品種的果樹以及實施不同類型的栽培技術則需要很大的土地面積，但大學的校內教學實驗用地非常有限，在有限的實驗實踐教學基地內很難實現果樹各個種類和優良品種的種植及實施各種先進栽培管理模式。另外，果樹的栽植、土肥水管理、整形修剪、病蟲害防治、采收等環節都需要大量的人力、物力，開展實驗所需要的材料和管理成本非常高。

因此，在傳統真實果樹栽培學實驗中存在周期長、占地多、成本高等特點，學生只能在限定的時間和地點，利用有限的實驗材料和條件，完成特定的實驗內容，甚至有些實驗過程由于時間、場地、經費等條件的限制無法實際開展。

虛擬仿真（Virtual Reality）技術是采用先進計算機多媒體和圖形處理技術進行模仿真實系統的技術，構建逼真的三維場景和人性化的交互操作系統。自1989年被美國William Wolf 教授首次提出后，國內很多高校陸續進行虛擬仿真實驗平臺的建設為實驗實踐教學改革提供了新思路。虛擬仿真技術在很多領域得到了應用，如電工電子、機械工程、材料科學與工程、計算機、制造業、化學工程等。在果樹領域中張建瓴等采用pro/E實體造型技術，設計了一種果樹仿形噴霧裝置的虛擬樣機并對噴霧作業過程進行了虛擬仿真；杜小強等設計了一種果品振動采收和小型側翼折展式林果收集虛擬裝置；胡秀珍等利用L系統建模進行了梨樹質感模型三維可視化研究；王建超設計優化了懸掛式丘陵山地果園作業升降虛擬平臺和裝配。

但在高校果樹栽培學實驗教學實踐中，虛擬仿真技術的應用還很少，目前還未見有相關研究報道。因此，為了全面提升學生的專業實踐操作水平和能力，提高學生的創新能力，開展虛擬仿真技術在果樹栽培學實驗教學改革中的應用研究非常有必要。

二、果樹栽培學虛擬仿真實驗教學模式的構建

根據“虛實載體、對象和手段相結合”的理念，依托廣西大學農學院的植物生產與調控虛擬仿真實驗教學中心，利用CAD、3DMAX、Photoshop、SKetchup、JAVA和EAI等計算機軟件和網絡技術進行果樹栽培學（南方）虛擬仿真實驗項目的建模（圖1），該模塊主要由總論模塊和各論模塊兩大部分組成，每一部分又分別分為12個項目內容，可根據教學的學時數適當增減教學的項目內容。

果樹栽培學虛擬仿真實驗教學共享平臺由十大部分組成（圖2）：注冊和登錄界面、實驗前的理論知識學習、實驗教學展示和學生操作實踐、互動交流與智能指導、實驗報告撰寫和提交、實驗教學管理、實驗教務管理、實驗室開放預約管理、實驗教學資源管理和信息反饋等。通過注冊和登錄界面，教師、學生和管理者可以設置相關信息并進入門戶網站；通過系統里的理論知識學生可對實驗進行預習；在實驗過程中可通過逼真的展示教學、模擬操作、師生互動與智能指導提高教學的效果；學生可以通過系統中自動生成的知識撰寫、提交實驗報告，教師可在系統中批改實驗報告和評定學生成績；通過虛擬仿真實習學生可在系統中提出自己的感受和心得，根據反饋的意見不斷進行修改完善；教務管理者也可以進入系統進行相應的管理。

三、果樹栽培學虛擬仿真實驗教學的實施及建議

果樹栽培學內容龐雜、涉及的知識點多，實踐性和應用性強，由于果樹栽培受季節性、氣候性和地域性等的限制，單靠傳統教學不能達到理想的教學效果。利用虛擬仿真技術，可構建逼真的果樹栽培學實驗教學實踐的虛擬場景，建立起來的果樹栽培學虛擬實驗軟件和平臺，對學生進行教學演示，通過學生個人操作實踐、師生互動、實驗體會和報告的撰寫及實踐結果考核等，檢查各個模塊的功能效應，并根據使用反饋的信息情況不斷進行改進和優化，能確保最大限度地貼近教學實際，解決學生真實實驗受到時間、空間、季節、天氣、實驗場地和實驗成本等的制約所帶來的問題，在虛擬的環境中學習、實踐、鍛煉，提高學生對果樹栽培學實驗實踐教學環節中涉及的各項指標、參數以及操作過程中細節的理解，使學生在多媒體實驗室就可以學到適應現代生產需要的果樹栽培學實驗實踐技能，切身體會到果樹栽培中的果樹生長發育和栽培管理過程，使其有身臨其境的感覺，可激發其學習的興趣和提高其學習的積極性。將虛擬仿真技術引入果樹栽培學實驗教學中不斷進行改革實踐和探索，通過不同的途徑和方法，可提高課堂教學質量和學生學習效率，使理性和實踐有效結合，從而培養學生的實踐創新能力，是推動應用型本科人才建設的一個重要手段。

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編輯 馬燕萍