作物栽培學實驗虛擬仿真建設思考

李玉祥 蔣桂英 劉揚 羅宏海 樊華

【摘要】虛擬仿真是一項新的教育方法。本文結合課程組前期工作基礎，從作物栽培學實驗虛擬仿真建設的意義、設計思路、實施效果及發展方面，對虛擬仿真實驗建設進行了分析總結，希望促進虛擬仿真實驗的可持續、高質量發展。

【關鍵詞】虛擬仿真? 實驗教學? 教育信息化

【基金項目】石河子大學2020年虛擬仿真一流課程、線下一流課程和2021年課程思政示范課程。

【中圖分類號】TP391.9;S31-4? 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）42-0166-03

一、建設意義

《作物栽培學》是作物學一級學科下作物栽培學與耕作學二級學科的重要組成部分之一，是面向農學專業開設的專業核心課程之一。隨著現代農業與信息技術的發展，新疆農業規模化與機械化、生產現代化水平顯著提升。本實驗針對目前農業高校新農科建設和發展的需求，以實踐為導向，堅持以教學、科研為中心，以人才培養質量為生命線，按照“知識-能力-素質”協調統一的人才培養模式和培養目標，以掌握主要農作物生產農事操作基本技能和技術要點為基礎，選取影響新疆主要作物產量形成的關鍵環節，采用3D建模、動畫和人機交互等技術開發虛擬仿真實驗，為解決我國農業專業實踐型人才培養過程當中凸顯的資源缺乏、時間不可逆、實驗經費高、生產實踐安全等方面問題，實現國家培養創新人才和卓越人才的偉大戰略目標具有重要意義。

二、設計思路

（一）實現“長時程實驗的短時化”

通過虛擬仿真實驗技術的應用，可以系統模擬各種作物的生長狀況和田間栽培管理措施，能夠有效地代替長時程的大田作物田間栽培管理，使作物完整的一個生長周期壓縮至幾個課時內完成。此外，虛擬仿真系統不會受到外界環境因子影響（如季節、氣候等），任何時間都可以在虛擬仿真系統中開展實驗，學習完成作物播前土地整理、種子準備、種植、病蟲草害防治、水肥管理、收獲、儲藏、加工等一系列農事操作，這在目前真實實驗中是無法實現的[1]。

（二）實現“危險性實驗的安全化”

作物大田管理中會涉及有毒性的農藥，如果操作不當會對學生的身體造成危害，并且會污染環境。采用虛擬仿真實驗教學系統，學生可以在不接觸類似有毒及其他有害物質的同時，通過虛擬仿真技術，在線操作學習不同實驗條件下可能會出現的實驗結果，大大減少或避免真實試驗有可能帶來的危害。

（三）實現“理論知識二維空間的三維化”

作物栽培學虛擬仿真實驗教學，可以打破時間和空間的限制，較大程度地縮短現實教學實驗周期、節約實驗教學投入，使實驗理論知識教學從相對枯乏、單調的二維空間向豐富、絢麗的三維世界轉變，試驗空間從相對封閉的物理空間向開放的虛擬空間擴展，更加高效、充分的利用飛速的網絡、先進的計算機與信息技術，為農科類高校專業課程實驗教學提供先進的教學手段，拓寬學生的視野與思維空間，有效提升學生的實踐能力與創新能力。

（四）與科研成果相融合，深化課堂實驗教學

虛擬仿真實驗平臺能夠開發建立交互性能優良的實驗環境，一方面，學生可以不受時間、空間、環境、作物生育周期等的限制，對虛擬仿真實驗平臺內各虛擬實驗設備及對象進行操作、學習，達到課堂實驗教學的目的。另一方面，虛擬仿真實驗可以將理論教學中的相關知識點和內容進行拓展和延伸，更加真實的將理論與實踐相結合，能夠有效地豐富并深化實驗教學內容。

（五）虛實互補，以虛促實

作物栽培學虛擬仿真實驗教學設計主要是模擬農作物的生長發育及相關栽培管理措施，進而代替長時程、復雜的大田作物栽培管理，使作物整個生長發育周期壓縮至幾個學時，使學生能夠在相對短時間內學習了解作物整個生長發育過程和對應的栽培管理措施。但作物生長關鍵時期仍要實地調查學習，虛擬仿真是手段而非目的，最終的目的都是為了讓學生能夠更加全面深刻的認識作物生長發育動態和特征。

（六）注重引導和探索，完善考核體系

在實際建設過程中，虛擬仿真實驗腳本的設計應更多地注重對學生學習的引導和探索，而不是簡單的觀看、驗證。同時在虛擬仿真實驗學習過程中，系統應根據學生在虛擬系統畫面上的互動過程及結果，對仿真操作進程和最終結果進行實時記錄與評價，準確地統計和掌握學生每一步操作學習的深度及所犯的錯誤，老師通過查看學生對具體知識點的熟練度和掌握程度，可以據此科學、合理地給出成績，并對出現的問題進行有針對性的講解和輔導。

三、實施效果

（一）學生層面

1.激發學生學習興趣

在虛擬的環境中，學生可以直接觀察作物不同生育階段的狀態，通過分析測定相關參數，能夠使學生深入細致地了解不同作物生長狀況、生長類型并采取相應的田間管理措施。這種直觀、實時和互動的特點不僅激發了學生了解和管理棉田的興趣，也有助于學生進行學習遷移。

2.提升學生學習能力

虛擬仿真實驗解決了真實田間實驗不可逆、長時程的問題。在虛擬環境中，學生及其他操作者可以針對不同生長類型的虛擬作物進行反復練習操作，一方面能深化和鞏固對已有理論知識的進一步理解，又能獲得作物生長特征辨析和適宜性管理的能力;學生也可選擇練習模式，這種相對靈活的學習模式既能夠激發調動學生，培養學習主動學習知識和反思的習慣，又能引導和推動學生將所學理論知識更好地與實踐相結合。

3.提高學生學習效率

虛擬仿真實驗為學生提供了泛在化的在線網絡虛擬實驗室和“空中課堂”，使學生及其他操作者可以不受時間和空間的限制，學生能夠隨時隨地進行實驗，沉浸其中學習相關知識，大大縮短了常規實驗教學周期;同時，系統的自動評分功能能夠使學生得到及時反饋，進而發現問題并及時解決，學生學習效率也因此大幅度提高。

（二）學校層面

1.提高人才培養質量

虛擬仿真實驗的開展有效地解決了常規實驗受時間和空間的等因素的限制，學生可自行安排，隨時隨地進行實驗學習。同時，系統針對問題設有糾錯和提示功能，學生可以結合自生學習狀況反復練習、領會。虛擬實驗環境里大量的對實驗對象、過程及步驟的“試誤”，也能讓學生切身體驗不同操作步驟（栽培管理措施等）對作物生長多帶來的不同影響，也能夠練就學生的保教能力。

2.極大的提升了教學效率

虛擬仿真實驗擬建構一個類真實環境，解決現實作物栽培管理中不能接收高頻次、長時程、大批量的學生參與實驗及實踐的難題;也能夠解決學生在常規實驗中不能用實體作物進行反復練習及現實栽培中實現不同長勢長相辨析與周期長的問題。在虛擬仿真實驗中，學生與虛擬作物、栽培管理措施進行互動，不僅能把常規線下課堂中所學的理論知識應用于線上虛擬實驗中，而且能夠激發學生對本專業的興趣和熱情，較大程度地提升了實踐教學效率。

3.顯著降低了教學成本

虛擬仿真實驗使學生足不出校就能體驗和觀摩作物生長發育及生產管理過程，節省了學生往返實驗場地、實習實踐單位的時間和交通成本。同時，學生通過虛擬實驗系統與實驗對象和實驗操作進行互動，大大節省了實驗設備與材料的購置費用，并降低了部分有毒試劑對于學生的潛在危害。

4.教學資源共享程度明顯提高

虛擬仿真實驗項目可通過互聯網在線訪問使用，為開展大范圍班級實驗提供了便利，同時能夠更好的向社會相關行業人員開放。

5.服務社會效果明顯

虛擬仿真實驗項目在培養專業化農業人才上也具有顯著優勢，通過與農業信息技術培訓機構合作，吸引更多社會上本行業相干人員接受虛擬仿真實驗項目的培訓，大大提升農業信息技術從業人員的專業化水平。

四、虛擬仿真實驗進一步發展思考

（一）頂層設計

虛擬仿真實驗自身具有影響面大、受益人群多、參與人知識水平層次不齊等特點，因此在開始前要做好頂層設計和規劃。必須立足于人才培養計劃，制定合理完善的實驗教學體系，落實每個專業使用虛擬仿真平臺進行教學的具體課程;制定合理的實驗引導步驟，鼓勵不同專業不同人群協同創新、驅動發展，建設綜合性虛擬仿真實驗室;最終實現“共建共享共創”的虛擬仿真實驗室管理和運行模式[2]。

（二）平臺共享

傳統實驗室及生產實踐課程由于經常受限于場地、時間、天氣的制約，無法實現豐富的教學資源共享和周期性持續性學習，而虛擬仿真實驗能夠打破場地、時間、空間、天氣等因子的限制，學習者能夠隨時、多次、反復訪問學習虛擬仿真實驗教學資源。因此，虛擬仿真實驗平臺的建設，其中一個重要的工作是相關實驗教學資源的高效共享，這就需要相關單位在建成優質虛擬仿真實驗教學平臺之后，同時建立一個合理可行高效的運行機制，廣泛宣傳、擴大應用面，引導學生及本行業廣大用戶選擇使用，拓展使用范圍，提升虛擬仿真平臺的價值。

（三）保障機制

人才、經費及管理服務是制約虛擬仿真實驗教學開展的重要因素。目前，在虛擬仿真實驗建設中出現的問題是，虛擬仿真實驗的建設主要是個別對虛擬仿真有興趣且有改革意愿的教師“自下而上”開展工作，申請教師既是設計者，也是管理者，工作難度和工作量較大，現有人員專業能力很難滿足要求。另一方面，經費沒有穩定保障，致使后期的運行、更新、完善受到影響，將極大地限制了虛擬仿真實驗的可持續發展。因此，需成立一支由不同專業教師、實驗師及虛擬仿真公司技術人員等一起組成的研發建設團隊，為虛擬仿真項目建設質量提供基礎保障;同時完善對教師的激勵、培訓和考核機制。

參考文獻：

[1]李震彪. 本科教學虛擬仿真實驗之思考[J]. 實驗技術與管理， 2019， 36： 5-7.

[2]王慧. 應用型地方高校綜合型虛擬仿真實驗教學中心建設的思考[J]. 江蘇科技信息， 2019， 13： 75-80.

作者簡介：

李玉祥（1988年-），男，漢族，甘肅武威人，副教授，博士，研究方向為作物栽培學與耕作學。