動(dòng)物科學(xué)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)與實(shí)踐

李靜 張艷麗

[摘 要] 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，適應(yīng)了現(xiàn)代畜牧業(yè)對(duì)動(dòng)物科學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)的需求，是提升人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要途徑。目前南京農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院正在積極進(jìn)行動(dòng)物科學(xué)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)，并取得了一定成果。從虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)發(fā)的意義、動(dòng)物科學(xué)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的必要性和建設(shè)的實(shí)踐與創(chuàng)新等方面進(jìn)行了闡述。

[關(guān)鍵詞] 虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué);動(dòng)物科學(xué)專業(yè)

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)發(fā)的意義

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的概念最早是由美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)的Willam Wulf教授于20世紀(jì)80年代提出來(lái)的，目前在國(guó)內(nèi)外許多大學(xué)得到了較廣泛研究與應(yīng)用。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)以及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，通過(guò)構(gòu)建逼真的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使學(xué)生在開(kāi)放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開(kāi)展高效、安全且經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果，尤其對(duì)于那些涉高危或極端環(huán)境、不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的大型或綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為教學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)提供了一個(gè)先進(jìn)而靈活的環(huán)境，可以在很大程度上彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所、實(shí)驗(yàn)器械以及指導(dǎo)教師不足而造成的實(shí)驗(yàn)深度和廣度不夠的問(wèn)題，達(dá)到不受時(shí)間空間限制的互動(dòng)式、共享化和信息化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，體現(xiàn)出信息技術(shù)與教育教學(xué)融合發(fā)展和與學(xué)科專業(yè)深度融合帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新。《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》對(duì)高等教育信息化建設(shè)提出了明確要求。信息技術(shù)和教學(xué)深度融合的教學(xué)模式及方法的應(yīng)用，以及信息化條件下學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主管理和自主服務(wù)能力的培養(yǎng)是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要方面。國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目是教育部推出的5類“金課”之一，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教育信息化發(fā)展的必然趨勢(shì)，將會(huì)在提升高等教育質(zhì)量和提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力等方面產(chǎn)生積極而重要的影響。

二、動(dòng)物科學(xué)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)的必要性

隨著人們生活水平的提高，肉、蛋、奶在生活中的比重越來(lái)越大，成為生活中的必需品，傳統(tǒng)畜牧業(yè)逐漸向集約化、規(guī)模化、健康安全、生態(tài)環(huán)保等現(xiàn)代畜牧業(yè)發(fā)生轉(zhuǎn)變，因此與畜牧業(yè)緊密相關(guān)的動(dòng)物科學(xué)成了21世紀(jì)生命科學(xué)中最富有挑戰(zhàn)性和最具發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域之一。這對(duì)農(nóng)業(yè)高校動(dòng)物科學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)提出了更高的要求，對(duì)教育思想觀念、人才培養(yǎng)模式等產(chǎn)生了巨大的影響。動(dòng)物科學(xué)專業(yè)屬實(shí)用性極強(qiáng)的專業(yè)，其具有重實(shí)踐、重應(yīng)用、重解決實(shí)際問(wèn)題的特點(diǎn)，要求學(xué)生熟練掌握基礎(chǔ)理論并聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際，最終為畜牧產(chǎn)業(yè)服務(wù)。實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)作為動(dòng)物科學(xué)專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)教育之一，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的必要途徑。然而，由于動(dòng)物科學(xué)的自身特點(diǎn)，在其實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中往往存在周期長(zhǎng)、難度大、成本高、具有疫病傳播風(fēng)險(xiǎn)與環(huán)保等現(xiàn)實(shí)客觀因素的限制，因此難以保證學(xué)生能很好地參與到整個(gè)過(guò)程，這在很大程度上制約了學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)為上述問(wèn)題的解決提供了一條新的思路，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)，學(xué)生可以隨時(shí)、隨地在虛擬環(huán)境中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力，而且這種虛實(shí)結(jié)合，相互輔助的實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式能夠激發(fā)學(xué)生的興趣，有效提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（一）突破動(dòng)物科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)受時(shí)空條件的限制

傳統(tǒng)動(dòng)物科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)受動(dòng)物生產(chǎn)周期長(zhǎng)和動(dòng)物疾病感染風(fēng)險(xiǎn)的影響。如：動(dòng)物生產(chǎn)實(shí)習(xí)是動(dòng)物科學(xué)專業(yè)學(xué)生必修的實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，涉及環(huán)境衛(wèi)生學(xué)以及牛生產(chǎn)學(xué)、豬生產(chǎn)學(xué)、家禽生產(chǎn)學(xué)、羊生產(chǎn)學(xué)等，學(xué)生掌握豬、禽、羊等畜禽各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)一般需要數(shù)月的時(shí)間，周期較長(zhǎng)，特別是豬場(chǎng)和雞場(chǎng)防疫嚴(yán)格，一般實(shí)行封閉式管理，學(xué)生出入受限，不能保證學(xué)生完整地參與到整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。因此通過(guò)虛擬仿真牧場(chǎng)可以提供開(kāi)放式生產(chǎn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)一條龍，學(xué)生可以打破時(shí)間和地域的限制完成相關(guān)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)，真正自主完成整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，有效地彌補(bǔ)了在實(shí)際實(shí)習(xí)過(guò)程中不能參與體驗(yàn)整個(gè)養(yǎng)殖流程的不足。例如，2019年非洲豬瘟疫情嚴(yán)重，動(dòng)物科學(xué)專業(yè)學(xué)生無(wú)法進(jìn)入養(yǎng)殖企業(yè)進(jìn)行豬生產(chǎn)實(shí)習(xí)。但學(xué)生通過(guò)虛擬豬養(yǎng)殖仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目進(jìn)行了豬生產(chǎn)實(shí)習(xí)，完成從廠址選擇、豬舍建造，以及“空懷—配種—產(chǎn)仔”和“哺乳仔豬—保育仔豬—生產(chǎn)豬肥育—上市”的虛擬養(yǎng)豬實(shí)習(xí)，真實(shí)體驗(yàn)了養(yǎng)豬的全過(guò)程。

（二）突破動(dòng)物科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)受教學(xué)成本和資源消耗的限制

傳統(tǒng)動(dòng)物科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)受教學(xué)成本和動(dòng)物福利等問(wèn)題的困擾。如：動(dòng)物解剖學(xué)是動(dòng)物科學(xué)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課程，由于家畜實(shí)驗(yàn)成本高，很難保證學(xué)生大量、反復(fù)地使用實(shí)驗(yàn)動(dòng)物進(jìn)行練習(xí)，因此利用3D成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)，將實(shí)驗(yàn)動(dòng)物手術(shù)和解剖操作過(guò)程整合為一套虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在正式實(shí)驗(yàn)操作前進(jìn)行充分模擬、仿真，這種模式對(duì)于學(xué)生把握整個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的完成質(zhì)量具有積極意義。而且虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)透明度的處理將表面解剖學(xué)與大體解剖學(xué)、系統(tǒng)解剖學(xué)、局部解剖學(xué)巧妙地關(guān)聯(lián)起來(lái)，讓各門(mén)課程有機(jī)結(jié)合在一起，提高了教學(xué)的效果，同時(shí)解決了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)的動(dòng)物福利等問(wèn)題。

（三）突破動(dòng)物科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)受疫病傳播風(fēng)險(xiǎn)的限制

部分動(dòng)物科學(xué)實(shí)驗(yàn)存在疾病感染風(fēng)險(xiǎn)，威脅師生健康。如：家畜傳染病學(xué)是研究家畜、家禽傳染病發(fā)生和發(fā)展的規(guī)律以及預(yù)防和消滅這些傳染病方法的科學(xué)，畜禽傳染病具有危害大，傳播快等特點(diǎn)，特別是某些傳染病還屬于人畜共患病。因此這類實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)對(duì)師生的人身安全存在嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)，學(xué)生不可能到發(fā)病現(xiàn)場(chǎng)甚至直接接觸病畜，因此通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可在網(wǎng)絡(luò)上對(duì)發(fā)病表現(xiàn)、傳播途徑等有全面的認(rèn)識(shí)和了解，加深對(duì)傳染病臨床癥狀的認(rèn)識(shí)和判斷。

三、動(dòng)物科學(xué)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)實(shí)踐與創(chuàng)新

目前學(xué)院正在按照“整合資源，虛實(shí)互補(bǔ)、多元協(xié)同”的原則，以有利于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力為出發(fā)點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的興趣，促進(jìn)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，建立基于3D建模和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)“虛實(shí)結(jié)合”的動(dòng)物生產(chǎn)學(xué)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)資源，探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，從而增強(qiáng)動(dòng)物科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平和提升學(xué)生創(chuàng)新能力。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為實(shí)體實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充，對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)貫徹“能實(shí)不虛，虛為實(shí)補(bǔ)”的原則。堅(jiān)持以學(xué)生為本，突出動(dòng)物科學(xué)的專業(yè)特色，虛實(shí)結(jié)合，提高學(xué)生認(rèn)知和專業(yè)實(shí)踐能力。

（一）虛實(shí)結(jié)合，構(gòu)建“四位一體”的動(dòng)物科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式

充分考慮動(dòng)物科學(xué)專業(yè)學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和專業(yè)人才培養(yǎng)需求，堅(jiān)持“整合資源，虛實(shí)互補(bǔ)、多元協(xié)同”的原則，以動(dòng)物生產(chǎn)過(guò)程中“種—養(yǎng)—管—病”為主線，注重實(shí)體實(shí)驗(yàn)知識(shí)的傳授和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，建立基于實(shí)體實(shí)驗(yàn)室、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、校內(nèi)實(shí)習(xí)基地、校外實(shí)踐基地“四位一體”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，并以此模式為基礎(chǔ)，重點(diǎn)建設(shè)了動(dòng)物生產(chǎn)學(xué)、家畜育種學(xué)、動(dòng)物生理學(xué)、家畜解剖學(xué)、畜禽傳染病學(xué)、飼料學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，涵蓋動(dòng)物科學(xué)專業(yè)的核心課程體系，彌補(bǔ)動(dòng)物科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中家畜生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，實(shí)體解剖成本高、消耗大，人畜共患病傳播風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題，保證了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。給學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程的智能指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)提交后的報(bào)告和實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)批改、實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的評(píng)估等功能，既相互獨(dú)立、自成一體，又能相互補(bǔ)充。

（二）研教結(jié)合，將成熟的科研成果轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

在保障正常教學(xué)中基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)三個(gè)層次的基礎(chǔ)上，依托學(xué)科優(yōu)勢(shì)，將一些成熟的科研成果轉(zhuǎn)化為仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。我校王鋒教授團(tuán)隊(duì)承擔(dān)的農(nóng)業(yè)農(nóng)村部轉(zhuǎn)基因重大專項(xiàng)，成功獲得了一批轉(zhuǎn)基因克隆奶山羊，中心通過(guò)自主開(kāi)發(fā)動(dòng)物克隆技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓學(xué)生更為直觀地接觸到前沿科研動(dòng)態(tài)，掌握先進(jìn)的繁殖新技術(shù)，提高學(xué)生參與科研的興趣。

（三）校企結(jié)合，提高學(xué)生的生產(chǎn)實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)中，與國(guó)家農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)龍頭企業(yè)以及多家信息科技企業(yè)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，共同開(kāi)發(fā)虛擬仿真教學(xué)軟件，利用3D建模技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合，將農(nóng)業(yè)行業(yè)企業(yè)與虛擬仿真豬場(chǎng)和雞場(chǎng)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生在線虛擬養(yǎng)殖與現(xiàn)實(shí)豬場(chǎng)的實(shí)時(shí)觀測(cè)，切實(shí)提高學(xué)生的生產(chǎn)實(shí)踐能力。學(xué)院采取共同開(kāi)發(fā)、共建實(shí)驗(yàn)室、共同運(yùn)營(yíng)、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)等多種方式開(kāi)展與企業(yè)的深度合作，形成了共建、共管、共贏的資源建設(shè)新模式。

（四）點(diǎn)面結(jié)合，拓展學(xué)生自主學(xué)習(xí)時(shí)間與空間，增強(qiáng)社會(huì)輻射示范效應(yīng)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目遵照“服務(wù)、開(kāi)放、共享”的原則，建立了實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站，并依托網(wǎng)站建立了實(shí)驗(yàn)室信息化管理運(yùn)行平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)和儀器設(shè)備的智能化網(wǎng)絡(luò)化管理。學(xué)生可以通過(guò)校園網(wǎng)訪問(wèn)，認(rèn)證后登錄學(xué)習(xí)，拓展了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的時(shí)間和空間，取得了良好的教學(xué)效果。隨著動(dòng)物科學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)資源和服務(wù)器帶寬承載量等硬件條件的改善，將會(huì)考慮面向社會(huì)開(kāi)放虛擬實(shí)驗(yàn)資源，形成畜牧行業(yè)內(nèi)具有影響力的虛擬實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)中心，增強(qiáng)社會(huì)輻射示范效應(yīng)。

四、目前取得的成果

目前學(xué)院已建成國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目1項(xiàng)，省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目2項(xiàng)，每年有動(dòng)物科學(xué)專業(yè)學(xué)生約110人使用學(xué)習(xí)，學(xué)生瀏覽次數(shù)超過(guò)萬(wàn)次。具有“開(kāi)放性、交互性和易操作”等優(yōu)點(diǎn)，不受時(shí)空條件的限制，學(xué)生可以隨時(shí)隨地進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，以虛促實(shí)，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。動(dòng)物科學(xué)專業(yè)學(xué)生通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)和虛擬實(shí)驗(yàn)的互補(bǔ)式學(xué)習(xí)，多次獲全國(guó)大學(xué)生動(dòng)物科學(xué)專業(yè)技能大賽“特等獎(jiǎng)”和“一等獎(jiǎng)”。

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