基于虛擬現(xiàn)實技術的農業(yè)高校專業(yè)課實踐教學探索

張芊 田斌強 張小全

【摘要】實踐教學是農業(yè)高校專業(yè)課教學的重要環(huán)節(jié)，虛擬現(xiàn)實技術的引入和應用能夠解決傳統(tǒng)實踐教學當中的一系列問題，將傳統(tǒng)的“以教促學”的學習方式變?yōu)閷W生與虛擬實驗環(huán)境互動學習的方式來掌握知識與技能的新模式，為實踐教學活動提供了一個科學有效的解決方案。

【關鍵詞】虛擬仿真;實踐教學;栽培學

高校教育作為中國教育體系的重要組成部分，承擔著為社會培養(yǎng)、輸送各類型人才的任務。在當前我國進入社會主義建設新階段，云計算、物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)等各類新技術、新理論層出不窮的情況下，社會各行業(yè)對技術性、操作性人才的需求量逐年增加，這就對高校專業(yè)課實踐教學提出了更高的要求。農業(yè)院校傳統(tǒng)的栽培學課程中教學實驗及實踐活動的開展往往需要將授課班級分為若干實驗小組，為每個實驗小組準備相應的實驗器材、活動場地，并按照教學計劃進行實踐教學活動。這種情況下，往往囿于實驗設備不足及授課時間限制，每位學生進行實踐操作的機會很有限，這也使得實踐教學效果大打折扣。近年來，隨著計算機圖形學、人工智能等領域的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術越來越多地應用于高校專業(yè)課教學活動中，為解決上述問題提供了有效途徑。

一、虛擬現(xiàn)實技術介紹

虛擬現(xiàn)實技術（VR技術）集成了計算機圖形學和人工智能等領域的研究成果，利用計算機圖形系統(tǒng)和各種顯示及控制等接口設備，在計算機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。

虛擬現(xiàn)實技術的特性被稱為“3I”， 即沉浸性、交互性和構想性。沉浸性是指用戶通過交互設備全方位地置身于虛擬世界中，這種沉浸式體驗主要根據(jù)用戶的視覺、聽覺、觸覺等多方面感知數(shù)據(jù)來構建生成，營造一個逼真的三維虛擬環(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其中的對象進行實時操作，實現(xiàn)真正的人機交互。構想性是虛擬現(xiàn)實技術為用戶提供反映其豐富想象力的機制，是人類思想的一種體現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實技術能夠很好地解決傳統(tǒng)教學當中理論講解過程中互動性、解釋性不足的難題，學生能夠得到充分的學習和動手操作的機會，實現(xiàn)翻轉課堂的學習效果，將傳統(tǒng)的“以教促學”的學習方式，變?yōu)閷W生與信息環(huán)境互動學習來得到知識與技能的新模式，為實踐教學活動提供了一個科學有效的解決方案。

二、農業(yè)高校專業(yè)課實踐教學活動中應用虛擬現(xiàn)實技術的優(yōu)勢與意義

（一）虛擬現(xiàn)實技術能突破空間和時間的限制

農業(yè)高校各類專業(yè)課程均具有較強的實踐性，這類專業(yè)課程的核心教學目標就是在讓學生具備較好的理論基礎之上，同時具有較強的實踐能力。學生實踐能力的培養(yǎng)需要通過相關的實踐教學活動來實現(xiàn)，但是農業(yè)生產實踐的開展往往需要遵循農作物生長發(fā)育規(guī)律，在農作物生長發(fā)育的特定階段、特定地點開展。限于上述情況，農業(yè)高校的專業(yè)課實踐教學活動會出現(xiàn)與理論課脫節(jié)的情況。虛擬現(xiàn)實技術綜合運用三維仿真、人機交互、人工智能等新技術、新手段來組織相關學科知識的展現(xiàn)和操作，通過搭建符合實際情況、合理的實踐教學環(huán)境，能夠克服時間、地點以及材料的限制，實現(xiàn)理論教學與實踐活動的無縫銜接。

（二）虛擬現(xiàn)實技術能彌補高校實踐教學條件的不足

虛擬現(xiàn)實技術的應用能有效緩解實踐教學中實驗場地有限、設備昂貴、經費緊缺等方面的問題，整體改善教學環(huán)境，增強高校課堂教學水平。學生在課堂上就能反復地進行各式各樣的實驗，既能加深學生對實驗內容的認識和理解，也能減少設備長期使用造成的損壞以及教學材料的消耗，從而達到節(jié)約教學成本的目的。

（三）虛擬現(xiàn)實技術能夠降低仿真實驗或操作的危險系數(shù)

虛擬現(xiàn)實技術為高校實驗提供了更為安全可靠的教學方式。在虛擬實驗教學中不僅能避免實驗自身的高危性或實驗失敗會對人體、設備造成損傷，還能以直觀的方式發(fā)現(xiàn)因錯誤操作造成的不良實驗后果，督促學生正確地進行實踐操作。

基于虛擬現(xiàn)實技術，教師在進行理論教學的過程中能夠隨時開展實際操作、展示等活動，極大地提升了理論教學的接受效果;虛擬現(xiàn)實技術中多媒體展示、人機交互操作使枯燥、抽象的概念以及操作過程等能夠被生動立體地展示出來，引導學生主動學習知識、掌握概念的實質，啟發(fā)學生在教學過程中發(fā)現(xiàn)和解決問題，培養(yǎng)其高層次的思維技能。另外，結合虛擬現(xiàn)實技術和互聯(lián)網技術能夠實現(xiàn)實踐教學活動的在線開展，實現(xiàn)不同地區(qū)的老師與學生、學生與學生之間的交流和訓練，加強教育的互動性，豐富高校實踐教學內容的外在形式，優(yōu)化教學內容的內在結構，促進教學手段的科學化、高效化發(fā)展，對培養(yǎng)個性化、高素質的全面型人才具有很大的促進作用。

三、基于虛擬現(xiàn)實技術的實踐教學活動設計與實施

栽培學課程中的病蟲害田間試驗要求學生在田間實地調查發(fā)生病蟲害情況，了解害蟲的分布特點，正確估計其種群密度，為制定合理的防蟲策略提供依據(jù)。此類調查實踐活動往往需要耗費任課教師大量精力進行組織，由于病蟲害的發(fā)病具有一定的隨機性，使得實踐教學開展時間不固定。

為充分利用虛擬現(xiàn)實技術提高教學質量，克服上述困難，任課教師可設計基于虛擬仿真的病蟲害田間調查實驗。進行實際仿真操作前，首先，由教師在線上梳理相關實驗內容的知識點，并以在線屏幕共享的方式演示具體的操作步驟;其次，學生登錄系統(tǒng)，選擇工具、選擇樣地、確定樣方，進行隨機預抽樣，并根據(jù)抽樣結果計算種群平均密度和方差，進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，并完成抽樣調查進行密度估計;最后，完成實驗報告。實驗報告需記錄整個過程，并得出結論。另外，任課教師將每次的實踐教學內容分為規(guī)定完成項目和可選項目兩部分，可選項目設置難度略高于規(guī)定內容，是為學有余力的學生準備，目的在于更好地滿足不同程度的學生的學習需求。

四、教學效果分析

利用虛擬現(xiàn)實技術進行線上實踐教學活動，能夠克服教學資源有限、學生動手機會不足等問題，可以加深學生對課程知識點的理解，提高學生動手操作能力，對于信息技術類的實踐課程是很好的補充。但從教學活動的實施過程來看也存在一定的不足：一是在線學習對學生的約束性不足，盡管布置了作業(yè)完成的截至時間，但由于網絡狀況不佳、計算機軟硬件故障等無法按時完成實驗報告的學生大有人在，而任課教師很難判斷原因;二是實驗報告自主完成情況無法判斷，在線實踐教學活動平臺完成的實驗報告無法記錄完成時的IP地址和用戶信息，所以對于報告是否由本人完成往往難以確定。

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（作者單位：河南農業(yè)大學）