虛擬仿真實驗教學培養創新實踐型人才的探索—以福建農林大學《海峽特色園藝植物工廠化栽培虛擬仿真實驗項目》為例

鐘鳳林 侯毛毛 申寶營 福建農林大學園藝學院 陳競楠 福建農業職業技術學院

近年來，黨中央、國務院高度重視教育信息化工作。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》指出，“信息技術對教育發展具有革命性影響，必須予以高度重視”，并把“加快教育信息化進程”單獨作為一部分進行了專門的闡述。虛擬仿真實驗教學的本質特征是應用信息技術，創造探索性和實踐型學習的開放平臺，提升人才培養質量，同時為現代化實驗教學改革增添助力。

由于受到實驗場地、資金投入的限制，高校難以為植物學、生態學、工程學等不少學科的學生提供與真實操作現場完全一致的場景[6-8]。為了提升學生實踐能力，許多時候學校將學生送入企業學習或在學校內進行輪班實踐，這一方面給平時的課程安排造成不便，另一方面影響企業的正常生產，很多大型精密儀器沒有經過培訓讓學生上手操作，極易損壞儀器造成嚴重經濟損失。而虛擬仿真技術可以為學生模擬真實的現場條件，學生經過虛擬仿真軟件培訓合格后方可上機操作，有效實現了理論知識學習到現場實踐操作之間的柔性過渡。本研究擬以福建農林大學園藝學院《海峽特色園藝植物工廠化栽培虛擬仿真實驗項目》為例，系統全面地分析項目建設背景和目的、建設過程和建設成效，以期為類似學科創新實踐型人才培養提供理論和實踐依據。

1 項目建設背景與目的

1.1 培養服務于地方經濟發展和國家戰略需求的創新實踐型園藝人才

臺灣和福建有天然的地理優勢，經濟合作有深厚的潛力。“一帶一路”倡議以來，閩臺兩地抓住歷史機遇，在產業規劃和經貿往來上取得了積極進展。園藝產業是閩臺經濟貿易和科技交流的關鍵產業，在福建和臺灣農業產業結構中均占據重要地位，目前臺商在閩投資園藝產業已初具規模。福建農林大學園藝學院具有一級學科“園藝學”博士后流動站，在園藝專業人才的培養上備受關注。作為傳統優勢及重點學科，福建農林大學園藝專業為福建省園藝產業發展和人才輸送提供了有力保障，也是未來閩臺園藝產業合作中人才培養的主力軍。因此，在“一帶一路”戰略、“鄉村振興”計劃和閩臺園藝產業合作機遇的大框架下，依托福建省園藝產業特色和福建農林大學園藝學科優勢，將真實企業項目、教師科研項目、大學生創新創業項目轉化成為了虛擬仿真教學項目，促進“虛擬教學-現實教學-科學研究-實踐應用”相互轉化和相互融合，培養服務于地方經濟發展和國家戰略需求的創新實踐型園藝人才。

1.2 突破傳統教學在實驗周期、教學場地、設備數量等方面的局限

福建農林大學園藝學院設施農業科學與工程系設有專業核心課程《設施農業控制技術與裝備》及配套實驗，面向設施專業大學三年級學生。然而，在植物工廠化栽培實驗中，受到教學場地、時間、設備數量等多方面限制，教學實施上存在真實條件不具備、難以達到教學效果的問題。如（1）栽培裝置實物高度高且體積大，水路電路系統交織繁雜，搭建和裝配過程存在安全隱患；（2）裝置臺套數少，不能滿足本專業所有學生同時開課的需求；（3）園藝植物生長周期長，難以實時觀察營養液性質變化和植物發育動態；（4）教學準備、維護和還原的工作量大，給教學管理帶來較大困難。

鑒于此，在已有課程的基礎上，項目以培養學生實踐能力和創新思維為目標，以虛實結合、能實不虛、互為補充、示范輻射和社會共享為指導思想，以閩臺特色園藝植物為試驗材料，借助虛擬仿真、網絡通訊、人機交互和多媒體技術，建設“海峽特色園藝植物工廠化栽培”虛擬仿真實驗項目。項目融合現代互聯網+教育、多樣化教學、在線教學和虛擬實驗仿真，營造學生自主性學習、研究性學習和探索性學習氛圍。不僅可降低實驗教學成本，打破傳統實驗教學過程中的時間、場地、設備數量制約，實現隨時隨地學習，而且有利于《設施植物栽培學》《設施植物營養學》《設施農業控制技術與裝備》《無土栽培》《花卉栽培學》《園藝療法》和《植物遺傳育種》等多課程資源共享，幫助學生知識點串聯和知識體系構建，強化學生學習效果。

項目通過2個模塊實驗，具體達到以下目的：（1）園藝植物栽培設施搭建模塊。要求學生掌握栽培設施各零部件的用途及安裝要點，及掌握環境控制裝備的功能、選型和安裝方法；（2）園藝植物工廠化生產模塊。要求學生掌握閩臺特色園藝植物的生長習性及環境參數設定方法，及掌握生產過程中營養液理化性質變異的原因及解決途徑。

2 項目建設與實施

2.1 項目知識點設計與項目建設

植物工廠設計目前還未有統一的國家技術規范，用人單位對該方面的人才需求量又非常大。鑒于此，項目團隊走訪數十家植物工廠生產企業，考察其對本專業人才理論和實踐技能的要求。大部分企業均要求學生具備植物工廠設計、建設、生產及商品化選擇全過程的知識能力，即在給定的生產空間內實現從“無”到“有”。鑒于此，本項目以不同類型的3種閩臺特色作物—中草藥作物金線蓮、蔬菜作物青梗菜和花卉作物蝴蝶蘭為材料，設計2大模塊共10個知識點。

模塊1為植物生產模塊，具體包括栽培設施搭建→營養箱選型→空調選型→環境控制裝備安裝。主要步驟的操作要點和參數如下：

(1）栽培設施搭建（圖1-a）

①栽培槽安裝：將零部件箱中的栽培槽安裝至正確位置，要求注意栽培槽應按照一定比例傾斜，傾斜角度以不影響進水側植物種植為前提。

②進水口安裝：進水口應安裝于設計液面上方，防止系統關閉時虹吸原理造成營養回流，損壞水泵甚至導致短路。

③進出水管安裝：出水管管徑應滿足所有分出水管出水流量總和的要求。

④泡沫/塑料板安裝：泡沫/塑料板應安裝于設計液面以上1-3cm位置，防止缺氧脅迫阻礙根系生長發育。

(2）營養箱選型（圖1-b）

①營養箱理論體積計算：為保證正常循環，營養箱理論體積應為各栽培層營養液體積之和，計算方法如下：

式中，V為營養箱理論體積（cm3），n為栽培槽層數，Li為栽培槽底面長度（cm），Wi為栽培槽底面寬度（cm），Hi為設計液面高度（cm）。

②營養箱最小體積計算：實際生產中，營養箱容積設計應當考慮水泵進水口與營養箱底面的距離，及進出水管道內營養液體積，因此營養箱最小體積計算方法如下：

式中，Vmin為營養箱最小體積（cm3），Vd為水泵進水口所在平面與營養箱底面形成的體積（cm3），Vp為進出水管道容積總和（cm3）。

③營養箱選型和安裝：必須選擇大于營養箱最小體積的營養箱，安裝于正確位置。

(3）空調選型（圖1-c）

①空調最小制冷（熱）量計算：根據不同作物生長需要計算單位面積制冷（熱）量，結合空間大小計算出空調制冷（熱）量，制冷（熱）量加上10%的富余量即為空調最小制冷（熱）量。

②空調選型和安裝：空調匹數應滿足最小制冷（熱）量需求，安裝在屋頂中央，以均勻地對植物工廠進行增溫降溫。

（4）環境控制裝備安裝（圖1-d）

將溫度、濕度、CO2傳感器均勻安裝于墻體中部，防止安裝高度過高或過低造成誤報警。補光LED燈設置應考慮光照均勻度，過道側LED燈布置相對密集。

圖1 植物工廠搭建模塊虛擬仿真

模塊2為植物生產模塊，具體操作步驟包括進場消毒→環境參數設置→營養液配制→營養液性質測定→突發情況處理→園藝植物商品化選擇。

(1）進場消毒（圖2-a）

進場前更換防護服和腳套，在手上噴灑消毒液，進入風淋室吹走身上灰塵并噴灑消毒水消毒。同時控制室內的消毒裝置設定消毒時間進行整個植物工廠的消毒。室內紫外線消毒照射時間不少于30min，操作者在關閉閉紫外線燈15-20min后再進入室內。

(2）環境參數設置（圖2-b）

①金線蓮：EC值1Ms/cm，pH5.0-6.0，溫度 20-30℃，光強3000-4000lux。

②青梗菜：EC值 2Ms/cm，pH6.0-7.0，溫度15-25℃，補充二氧化碳。

③蝴蝶蘭：EC值1Ms/cm，pH5.5-6.0，溫度25-28℃，光強11000lux。

（3）營養液配制（圖2-c）

①金線蓮：通過最優硝銨配比計算每升營養液中應加入多少硝酸鉀、四水合硝酸鈣和硝酸銨。金線蓮最佳硝銨態氮配比是6：1，每升營養液硝態氮6mmol/L，銨態氮1mmol/L,最適合金線蓮生長。因此，計算可得硝酸鉀添加量350mg/L，四水合硝酸鈣472mg/L，硝酸銨30mg/L。

②青梗菜：青梗菜最佳硝銨態氮配比是7：1，每升營養液硝態氮14mmol/L，銨態氮2mmol/L,最適合青梗菜生長。因此，計算可得硝酸鉀添加量607mg/L，四水合硝酸鈣945mg/L，磷酸銨230mg/L。

③蝴蝶蘭：蝴蝶蘭的最佳硝銨態氮配比是4：1，每升營養液硝態氮4mmol/L，銨態氮1mmol/L，最適合蝴蝶蘭的生長。因此，計算可得硝酸鉀添加量177mg/L，四水合硝酸鈣354mg/L，硫酸銨132mg/L。

（4）營養液性質測定（圖2-d）

利用pH/EC測定儀測定營養液pH值和EC值，并觀測其動態變化。

（5）突發情況處理（圖2-e）

正常情況下營養液EC值逐漸下降，pH逐漸升高由弱酸性變為弱堿性。

①EC值不正常升高：配制營養液時藥劑未完全溶解，植物生長過程中逐漸溶解導致EC值異常升高，此時加水稀釋。

②pH值不正常下降：考慮出現根系腐爛等情況，此時及時更換營養液并篩去爛根植物。

(6）園藝植物商品化選擇（圖2-f）

出現多株植物的3D立體圖，根據采收標準選擇滿足商品化要求的園藝植物。

圖2 海峽特色植物生產模塊虛擬仿真

2.2 項目實施

課程之前，學生對虛擬平臺和虛擬軟件中的實驗教學內容進行預習和試操作。課程開始，教師在多媒體實驗室演示虛擬教學平臺中的虛擬軟件，學生正式進入實驗學習，學習難點的解答和互動通過網絡平臺中的在線答疑功能進行。模塊一（園藝植物栽培設施搭建）虛擬實驗完成并測試合格后，學生可進行預約實驗，按照預約時間和地點進入實驗室，在15：1縮小的微型植物工廠模型中完成生產裝置的搭建和安裝調試。模塊二（園藝植物工廠化生產模塊）虛擬實驗完成并測試合格后，學生可預約進入實驗室配制營養液和測定營養液理化性質。

虛擬實驗結束后，教師根據學生提交的試驗報告在線評分并及時反饋成績，學生在第一時間糾錯和總結，并將虛擬仿真中獲取的知識和培訓經驗應用于實體實驗。教師根據虛擬實驗和實體實驗結果分別給予成績和對應說明，按照比例給予總分。學生可在虛擬軟件中的反復練習，通過虛實結合的方式充分培養實踐能力和創新思維。

3 實施效果分析

(1）提升了學生參與度。本虛擬仿真實驗項目不受設備數量的限制，每位學生都可“人手一臺”進行獨立操作。

(2）消除了安全隱患。植物工廠生產設備高度高、體積大、水路電路交織繁雜，操作不當極易引發安全事故，本虛擬仿真項目的引入使實驗過程完全消除了安全隱患。

(3）提高了學習興趣、激發了學習熱情。本虛擬仿真實驗教學中現代化的教學方式和探索性的學習引導有利于學生提高學習興趣、激發學習熱情、養成自主學習習慣、培養創新能力。

(4）促進理論和實踐緊密結合，有效強化了學習效果。該虛擬仿真項目完全模擬企業生產的真實場景，使學生掌握“栽培設施搭建-調控設備安裝-環境參數設定-營養液配制-植物生長監控-商品化選擇”一整套園藝植物工廠化生產流程，打破實驗教學過程中的時空限制，真正實現理論和實踐高度結合。

為了更好地觀察實施效果，本研究選取72位本專業學生進行試驗。試驗將學生分為AB兩組，每組36人。所有學生在實驗操作前均經過理論知識課堂學習，A組經過虛擬仿真軟件測試合格后進入實驗室操作，B組直接進入實驗室操作。植物工廠建設和特色植物生產兩大模塊共10個大知識點，23個分知識點，本研究以分知識點操作出錯率為評價指標進行數據統計和分析，結果如圖3所示。從圖3可以看出，經過虛擬仿真實訓的A組出錯率明顯低于B組，A組平均出錯率僅為9.1%，而B組出錯率高達38.8%。

圖3 操作出錯率統計

4 結語

企業實際生產設計較多貴重精密儀器和裝置，這對高校實踐型人才的培養提出了更高的要求。以植物工廠為例，在實際操作中，栽培設施搭建過程出現錯誤極易引發安全事故，環境參數設置錯誤將造成重大經濟損失。因此，如何提高學生實驗操作的準確性、提升學生實踐技能成為當前實驗課程亟待解決的關鍵問題。從本研究中可看出，《海峽特色園藝植物工廠化栽培虛擬仿真實驗項目》的打造有效解決了學生進入企業之前的培訓問題，經過虛擬仿真實訓后操作出錯率大幅降低。項目的順利運行突破了傳統實驗裝置臺套數、試驗場地、教學管理、經費投入等一系列限制，在現代創新實踐型園藝人才培養中取得了積極的效果。

本項目的實施可為其他學科虛擬仿真軟件的開發提供一定參考，筆者認為，虛擬仿真項目可解決很多學科的現實問題，如生態學專業學生難以進入生態脆弱的國家保護區進行實地考察、建筑專業學生進入正在建設中的高層樓房存在安全隱患、核科學專業學生操作不當易引發生命安全事故、醫學專業學生在進入工作前較難獲得與工作中一致的培訓條件等。總之，國家大政策鼓勵的背景下，虛擬仿真實驗教學項目必將承擔更多的教學任務，發揮更加關鍵的作用。