虛擬仿真在“土壤學”實踐教學中的應用

李海港 陳楊 紅梅

[摘 要] 虛擬仿真是通過虛擬軟件模擬現實的實驗手段，是一種新型的教學技術。將該教學技術運用到“土壤學”實踐教學中，可以打破教學實訓場地及實驗環境的限制，實現以學生為主體的實踐教學，調動學生自主學習的積極性，激發學生自主實驗的興趣，提高實訓效率，進而可提升學生的實踐能力與專業技術應用能力。在新冠肺炎疫情防控的特殊時期，保證了教學進度和教學質量。

[關鍵詞] 虛擬仿真;土壤學;實踐教學

[基金項目] 2018年度內蒙古農業大學教育教學改革研究項目“‘虛擬仿真在‘土壤學實踐教學中的應用研究”（JGYB201809）;2018年度內蒙古自治區教育科學“十三五”規劃項目“‘互聯網+在高校‘土壤學實踐教學中的應用”（NGJGH2018046）

[作者簡介] 李海港（1979—），男，山東安丘人，博士，內蒙古農業大學草原與資源環境學院副教授，主要從事土壤健康研究;陳 楊（1980—），女，內蒙古包頭人，博士，內蒙古農業大學草原與資源環境學院副教授（通信作者），主要從事土壤養分管理研究。

[中圖分類號] G642.41? ?[文獻標識碼] A? ? ?[文章編號] 1674-9324（2021）08-0132-05? ? ? ?[收稿日期] 2020-11-02

“土壤學”是農林院校的專業基礎課，其實踐教學環節為培養應用型和創新性人才奠定了重要的基礎。但在“土壤學”實踐教學中存在實習地點遠、安全隱患大、生態破壞性強、時效性差等弊端，因此加強和完善“土壤學”實踐教學資源的改革和建設顯得尤為迫切。虛擬仿真是在“互聯網+”的大背景下產生的新型教學模式和教學技術，以其綠色、安全、可共享等優勢為實踐教學帶來了新機遇，在實驗實訓教學中得到了認可和應用。把虛擬仿真應用到“土壤學”實踐教學中，突出了學生在教學環節的主體地位，加深了學生對實驗的理解，還可以解決野外實習中存在的諸多問題，成為“土壤學”實踐教學模式改革的重要手段和途徑。

一、“土壤學”實踐教學的重要性及存在的問題

“土壤學”是高等農業院校農學、林學、草學、農業資源與環境等專業的專業核心基礎課，廣泛應用和服務于農林業可持續發展、環境生態建設、區域治理、資源利用與環境保護等各項事業，是關系到國計民生的重要基礎科學;是學生對所學專業產生興趣并樹立專業志向的入門課程，具有較強的理論性和實踐性，對學生后續課程的學習有重要的影響，其教學效果的好壞直接關系到學生對后續專業課程的理解、掌握以及應用。“土壤學”課程由理論教學和實踐教學共同組成。實踐教學是培養學生實踐能力的重要環節，現階段，創新型和應用型人才的培養，要求學生具有更高、更強的實踐能力;因此，實踐教學在學生培養方面發揮著重要的作用[1-3]。

“土壤學”實踐教學中的一個重要環節是認知不同類型的土壤，這需要到自然環境中尋找典型土壤，進行土壤剖面的觀察和研究。土壤剖面反映了土壤實體形態，是環境條件長期作用下物質變化的結果，是土壤內在性質的綜合表征，不同的剖面形態，反映了土壤中歷史上相應的水熱動態和當前的生物性狀。在“土壤學”實踐教學中，學生需根據對土壤剖面的形態特征及成土條件的觀察、土壤化學性質的分析、作物生長發育等來鑒別土壤的類型及肥力狀況，發現影響植物生長的土壤障礙，為土壤合理利用、保護提供依據。因此，熟練掌握土壤剖面觀察的技能就成為學生必須具備的實踐能力，對學生后續課程的學習及就業具有關鍵作用。

在“土壤學”實踐教學中也存在諸多問題。①實習地點遠、路途長。土壤的分布具有地域性，想找到具有代表性的典型土壤，需要帶學生到路途遠、人為干擾小的野外才能實現。②安全隱患大。進行野外實習時，需要帶學生乘車到幾百公里以外，路途遠、花費時間長，有的土壤類型學生要爬山才能見到，乘車及戶外教學都存在極大的安全隱患，因此在實習過程中都需要為學生們買保險。③生態破壞性大。剖面觀察需要挖大約2米長、1.5米寬、2米深的一個土坑，雖然觀測后會進行回填，但對土壤及植被的擾動、破壞很嚴重，短時期內很難恢復。④時效性。“土壤學”野外教學需要考慮到氣候條件及可操作性，一般只能在6月至9月進行，而此期間學生有正常的教學、考試、放假等各項事宜，協調比較困難。⑤學生學習主動性差。挖剖面不僅生態破壞性大，而且還受學生體力及野外教學時間的限制，一般每個班只挖一個剖面，實驗顧及不到所有同學，存在實驗報告雷同的現象，學生自主學習積極性不高，效果不好。基于以上原因，在新的教學背景下，探索學生實踐技能的培養、提高學生動手能力、加強和完善“土壤學”實踐教學資源的建設迫在眉睫。

二、虛擬仿真應用的可行性

隨著學生能力培養需求的不斷提高，現有實驗實踐教學條件已不能完全滿足，需要創造新的教育技術和模式。任何一個新型教育技術的應用都會對學習環境、教學方式、實驗手段、教學活動設計、學習評價等產生影響，從而引起知識生產觀、知識生產方式以及教育者、學習者、參與者等多種角色的認知方式、行為模式發生變化[4]。互聯網技術的飛速發展對人們的生活產生了深遠的影響，同時為教育信息化提供了平臺，也對高校現代教育產生了影響，為高校教育提供了契機，也是高校課堂教學的重大變革，為實踐教學帶來了新機遇[5，6]。以虛擬仿真為核心的“互聯網+”是教學手段、教育方式重大的前所未有的變革，它是用一個系統模仿另一個真實系統的技術，是一種可創建和體驗虛擬世界的計算機系統[7]，它可以充分利用便捷的網絡和豐富的資源，為學生學習提供一個良好的環境，使得實驗實踐教學的示教、訓練和考核方式更為科學、有趣和簡便易行[8，9]。它以三維交互技術為核心，結合三維及二維動畫、視頻、圖片、文字等多媒體表現形式帶來一種全新的學習體驗，它的直觀不抽象、互動不被動、構想早驗證等特點能夠大大提升學生的學習興趣，增強學生對于知識的學習和理解，提高學習效率和教學效果，尊重學生主體性，突出學生個體價值[ 10 ]。虛擬仿真實驗的綠色、安全、可共享等特點有利于大規模改善學校的教學環境，為實驗實踐教學引入了信息化、智能化基因，讓實驗實踐教學融入“互聯網+”，突破了傳統教學環境和手段的限制，更扎實、更全面的對接了理論教學，還可使教學團隊成員背景更加多樣化，突出了學生在教學中的主體地位[ 11，12 ]。

基于虛擬仿真實驗的優勢，現階段把虛擬仿真技術和平臺應用到“土壤學”實踐教學中，不僅能充分發揮網絡教學優勢、提高學習者自主學習能力，還能提升教師和學生的信息素養，使教育更加人性化與個性化，而且還可以解決“土壤學”實踐教學中存在的諸多問題和弊端，為“土壤學”實踐教學建立新型的教學方式、創設新型的教學環境，還可助推教師角色轉換，對教學起到積極的作用，為培養應用型人才提供基礎。

三、虛擬仿真在“土壤學”實踐教學中的應用

栗鈣土是溫帶半干旱大陸性氣候和干草原植被下發育成的地帶性土壤，剖面上部是呈栗色的腐殖質層，主要的成土過程是腐殖質積累和碳酸鈣淀積，內蒙古從東到西都有分布，是分布面積最大的土壤類型之一。栗鈣土土壤剖面的觀察具有代表性和典型性，因此成了“土壤學”實踐教學的核心內容之一，每年我校約1100人進行該項實踐教學。

栗鈣土土壤剖面觀察虛擬仿真實驗于2019年應用于“土壤學”實踐教學中（圖1）。實驗共分三個模式（圖2），即教學模式、練習模式、考試模式，其中教學模式以三維視頻展現了整個實驗的正確操作步驟，同時針對一些關鍵步驟或注意事項，教師設置了問題并提供正確答案;練習模式有利于學生課后進行鞏固復習;考試模式用于評價學生實踐能力。在整個實驗中，不論哪個模式，教師都能在后臺觀察到學生的所有操作，并及時了解學生對知識點的掌握程度，體現了教師和學生間的互動性。

實驗包括土壤基本情況調查;土壤剖面坑點的選擇和挖掘;土壤剖面物理、化學、生物學性質的觀察;土壤野外定名;土壤剖面回填等幾個步驟，涉及8個知識點，18個細節內容。學生需按照實驗的要求完成所有操作（圖3），并隨時記錄觀測到的結果（圖4）。

學生可以通過智能手機或PC端登錄實驗項目平臺，熟悉實驗背景、目的，完成課前測試，并按照圖5所示流程開展栗鈣土土壤剖面觀察虛擬仿真實驗，實驗結束后學生需要提交實驗報告。傳統的“土壤學”實踐教學一個人是不能獨立完成的，需要以班級為單位共同完成，在完成過程中很好地體現了同學間的團隊合作精神。在該軟件的設計中，也考慮了同學間的團隊合作意識，在撰寫心得體會時，不僅要求學生凝煉知識點，還需把協作精神、團隊意識都體現出來。上述虛擬仿真實驗過程見圖5。

四、栗鈣土土壤剖面觀察虛擬仿真實驗的特色與成效

傳統的栗鈣土土壤剖面觀察存在實習地點遠、安全隱患大、時效性差、生態破壞性強等弊端，通過虛擬仿真實驗平臺開展該實驗，最大限度激發了學生的自主實驗興趣，加深了學生對實驗的理解，還可以解決野外教學中存在的諸多問題，使實習不受時間、空間、安全的限制，并迎合了當今大學生對現代信息技術的喜好，構建更完整的知識體系，提高人才培養質量。對于教師而言，可結合實際教學需求，最大限度地發揮虛擬元器件資源的優勢，豐富和完善了現有教學手段，可為探索“土壤學”實踐教學模式改革奠定基礎。

通過網絡平臺，學生可以隨時隨地進行在線實驗操作。如在實驗前，學生可以通過系統中的相關模塊，事先了解實驗目的、原理等相關基本知識。實驗課后，可以通過重復實驗設計和操作，鞏固課堂所學內容。通過這種實驗設計—結果反饋—發現問題的過程，培養學生科學的實驗方法，拓展其知識視野，激發個人的主觀能動性和創造性。同時，學生還可以通過在線交流的形式，與教師進行一定的互動，提升學習的針對性和實效性。通過實驗平臺，任課教師可以清晰地了解學生對相關知識的掌握情況，為今后有針對性地開展課堂教學提供參考信息。

在2020年春季學期新冠肺炎疫情防控期間，響應教育部“停課不停學”的號召，我校積極開展在線教學活動。本項目為學生提供線上自主學習服務，實驗完成人數達到600名，起到了很好的線上教學示范作用，保證了疫情防控期間的教學進度和教學質量。

五、展望

在本科“土壤學”實踐教學中還涉及淋溶性灰褐土（內蒙古中部的緯度地帶性土壤）土壤剖面觀察、鹽堿土（非地帶性土壤）土壤剖面觀察，未來我們將繼續建設相關內容。依托學校的實驗基地“賽罕烏拉國家級自然保護區”所具有的土壤類型，擴展草甸土、沼澤土、風沙土、山地黑土、黃土等土壤剖面觀察虛擬仿真軟件的構建，使本科教學實踐環節更加完善。嘗試開發手機App服務功能，并通過微信公眾號搭載虛擬仿真教學軟件，完善相關軟件所需的輔助教學資源，提升應用軟件的便捷性和效果。

參考文獻

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