高職院校虛擬仿真實訓基地建設的探索與實踐
——以現代農林虛擬仿真實訓基地為例

耿 飛 吳剛山 田崇峰

（江蘇農林職業技術學院，江蘇 鎮江212400）

0 引言

隨著農業產業體系的調整，我國現代農業發展必將向規模化農業、新型農業主體、“互聯網+”農業、高科技農業和農產品精細化深加工的趨勢和方向發展，對農業從業人員的綜合素質提出了新的要求。傳統涉農從業人員教育教學培養中，存在著農業季節性強、周期長、作業低頻、重復操作耗時低效等難題。農林虛擬仿真資源的使用，具有不受季節、自然環境限制，且低代價、零風險和易重復等優勢，必將是解決智慧農林人才培養實踐難、周期長、效果差等難題的主要技術手段。我國農林仿真技術研發起步晚，缺乏技術團隊和成熟技術，校企共建聯合實訓基地，構建“虛擬仿真+教育”的農林虛擬仿真教育教學平臺和涉農虛擬仿真教育資源共建共享平臺已成為高素質現代農業從業人員的必由之路。

1 現代農林虛擬仿真實訓基地建設基礎

江蘇農林職業技術學院2019年入選中國特色高水平高職學校和專業建設計劃高水平學校A檔，借著國家示范性高職院校和高水平高職院建設的機遇，在涉農虛擬仿真軟硬加資源建設、仿真資源突破教學實訓難點以及資源共建共享等方面取得了一系列的成效和經驗。

1.1 以國家級現代農林虛擬仿真中心為標志，虛擬仿真實訓條件全國一流

2019年被認定為國家級現代農林虛擬仿真中心，形成了教學、實訓、展示、體驗、研發五大基礎格局，中心硬件設施覆蓋了環幕、VR、MR、AR等主流虛擬現實設備。2020年承辦了首屆“全國智慧農業虛擬仿真創新設計大賽”，吸引了國內34所院校，1 200余名學生參賽。

1.2 以國家級教學資源庫為標志，涉農虛擬仿真資源全國領先

學院將農林虛擬仿真建設納入全院建設統籌規劃建設數字化教學資源。建成了65項涉農虛擬仿真實訓項目，積累三維動畫等虛擬仿真課程素材82 860件，支撐了園藝技術、園林技術等12個專業的教學資源建設。背靠4個國家級科研基地，6個省級科研基地，2個產學研基地——江蘇農博園（3A）和江蘇茶博園（4A），坐擁“雙高”建設A檔院校建設資源和中國農業職教集團資源集聚優勢，為虛擬仿真的技術創新、成果轉化提供了得天獨厚的平臺優勢和充裕的多渠道建設資金。

1.3 以“互聯網+”大賽金獎為標志，虛擬仿真雙創教育成效全國前列

充分發揮虛實結合仿真實訓優勢，通過草莓智慧生產設施虛擬經營、虛擬生產等虛實結合仿真實訓項目，開展雙創教育，以《小莓好——開拓科技興農新時代》為代表，獲得全國互聯網+創新創業大賽金獎。在國內率先組建了智慧農業虛擬仿真技術產教融合團隊，建成具有自主知識產權（含源碼、技術文檔）的智慧農業仿真教學平臺，近三年申請涉農虛擬仿真發明專利15項，其中授權2項，登記軟件著作權38項，形成了國內首個智慧農業虛擬仿真方向授權發明專利群。

1.4 以國家級新型職業農民培育示范基地為標志，農業虛擬仿真社會服務能力卓越

團隊以涉農仿真資源為武器，活躍在肯尼亞埃格頓大學共建中肯農業科技示范園、老撾學院、學院對口幫扶基地、掛縣強農基地、全國職業農民培訓基地等陣地，服務成果卓越。

2 現代農林虛擬仿真實訓基地建設思路

服務“鄉村振興”和“農業現代化”戰略，基于“科學規劃、統建共享、能實不虛、虛實結合”等建設原則，依循主流架構，兼顧實用與前沿，瞄準現代農林技術技能型人才培養周期長、成長慢、自然時空條件制約等育訓難點，建設全國農林職業教育示范性虛擬仿真實訓基地。

2.1 “五力并舉”，構建現代農林虛擬仿真實訓教學資源生態

從產業需求與人才培養實際出發，圍繞現代農林虛擬仿真實訓教學資源的開發建設、應用維護、示范推廣形成資源生態，構建五大資源生態能力，即資源產業與課程體系覆蓋能力、高效教學能效轉化能力、高并發育訓承載能力、產教融合創新能力和推廣應用社會服務能力。

2.2 錨定高效服務“建運維”，打造一流基地管理共享平臺

以高效服務建、運、維為目標，打造基地管理共享平臺，打造易管易用可靠資源運行平臺，面向資源管理的科學性、有效性、安全性，提升資源使用的靈活性，提高資源的使用效率，使資源效能最大化。

2.3 鑄造師魂、精煉技藝，打造一流教學和管理隊伍

采用基地自培、校企互培等方式，基地開展仿真育訓教學常態化培訓，建立高端仿真教學和研發人才梯隊，打造一支專兼結合、校企互聘、農業與信息化技術交融的產教融合優秀團隊。采用選聘、競聘、購買服務等多種方式，建立一支專兼職管理團隊，保障線上線下仿真實訓教學的正常運轉。

2.4 權責量化、內生發展，形成可持續發展機制

建立“多元互易”機制，形成持續“造血”機制。建立基地實訓中心、研發中心冠名權，虛擬仿真素材二次開發權，自有產權的虛擬仿真設備使用權與銷售權，基地自主知識產權的使用權、所有權，培訓市場資源、技術服務市場資源等共建共享資源的多元互易機制；圍繞資源的開發建設、應用維護、示范推廣等資源生態要素，進行權責平等量化，通過量化的共享權限，建立團隊利益約束組織形式，形成團隊成員、合作企業、用戶、關聯企業等建設成員間的共建共享、利益分配標準，并以“貢獻分”形式表達；借鑒“獨董制”，建立第三方監督團隊，對團隊“首席項目經理競標”、項目非財政資金投入與分配、項目建設效能評估、多元互易項目等進行獨立監督。

3 現代農林虛擬仿真實訓基地建設內容

貫徹“以實帶虛、以虛助實、虛實結合”的理念，以建設高水平現代農業虛擬仿真共建共享軟硬件平臺為核心，以打造軟件資源、基礎設施為重點，以創新多方協同體制機制、教學模式為突破口，以高水平結構化雙師隊伍和新一代信息技術為支撐，建設現代農林虛擬仿真實訓基地建設。

3.1 建設虛擬仿真共建共享管理云平臺

遵循“共建、共商、共享、共贏”的原則，聯合涉農院校及科研院所、涉農企業和虛擬仿真行業企業，校企合作打造農林虛擬仿真資源的共建共享管理平臺，用于涉農虛擬仿真教學資源的應用、管理與分發。

3.1.1 管理平臺

搭建以學習者為中心的虛擬仿真教學管理平臺，為仿真實訓教學資源庫提供普適性的接口，滿足絕大多數虛擬仿真實訓資源的集成管理與使用，解決虛擬仿真實訓資源的散落分布以及信息孤島的問題，實現虛擬仿真資源高效、集中化管理，滿足多學科、多專業、多學校、跨地區共享實訓資源的教學需求，滿足學生自主個性化學習需要。強化信息技術對學校教學改革的服務與支撐，完成教師從實訓準備、規則設定、實訓安排、實訓發布、過程監控、報告批改、成績評定、報表統計和學生實訓準備、實訓操作、報告提交、報表統計等的教學全流程覆蓋。

3.1.2 融合平臺

融合線上仿真實訓、線下實操實訓為一體，解決實訓教學資源部署在異地實訓室，基于不同技術的虛擬仿真資源針對某個知識點、技能點，單獨實訓割裂課程的完整性、導致課堂教學不連續等問題。實現線上軟件資源統一管理和共享，線下預約使用硬件資源，擴展實訓的時間和空間，將傳統教學資源（如PPT課件、視頻資源等）同虛擬仿真資源在同一課堂中完美切換，與虛擬仿真教學資源在中心平臺上實現無縫對接完成整堂課的理論教學和實訓教學，保證課堂教學的完整性。

3.2 建設涉農虛擬仿真軟件資源庫

軟件資源是虛擬仿真基地的核心。針對涉農專業課程體系中的教學重難點，如季節氣候制約、生產難以重復、生產周期長等特點，結合實際生產場景和生產流程，融合區域特色產業與品種的開發和種養殖技能培訓需要，建設應時鮮果生產等10類虛擬仿真資源，形成專業覆蓋、課程體系覆蓋、“長三角”特色品業覆蓋、產業服務覆蓋四類覆蓋能力。

3.2.1 建設現代園林技術虛擬仿真資源體系

構建高度仿真、具有深淺層次互動的園林景觀場景，學生在虛擬環境中開展園林規劃設計相關課程實訓，消除專業學習技能實訓時間有限、空間生產場景的限制，解決真實環境難以完成的教學功能（如景觀小品拆裝、景觀園林建造等）。現代園林技術類課程實訓資源針對高職學生特點，對接園林養護等崗位典型工作任務需求，以園林產業職業從業成長歷程為線索，能力為本位，從感性到理性，從簡單到復雜，從具體到抽象，以學生職業成長可視化為主線，結合虛擬仿真技術特性改造現有的實訓課程體系。圍繞園林植物識別、園林設計與施工等實訓項目，采用先進的VR、AR技術，自主研發園林植物園虛擬仿真系統、園林設計虛擬仿真系統、園林施工虛擬仿真系統。引進AR增強現實系統及園林全息三維展示系統。

3.2.2 建設現代農業技術虛擬仿真資源體系

圍繞設施農業、智慧園藝、家庭農場等內容，開發農業設施設計與建造、植物生長營養調控、植物工廠、農業智能設備應用、植物種苗脫毒等綜合性的虛擬仿真實訓項目。以“數字植物工廠”模型代替實際的植物工廠場景，建設農業設施設計規劃中的各種景觀、設備等要素素材，如樹木、大棚、水肥一體化設施等，滿足蔬菜生產技術、作物生產技術、無土栽培等課程的實訓所需；將虛擬仿真融入“稻麥生產技術”教產結合、“草莓抗病育種”教研結合、“新禾果園承包經營”教創結合和“蔬菜嫁接技能比賽”教賽結合等模塊，推動虛擬仿真與創新型人才培養有機結合，服務學院規劃的現代農業專業群“三自主四結合”人才培養模式。

3.2.3 建設畜牧獸醫虛擬仿真資源體系

為了適應“互聯網+職業教育”發展需求，以虛擬仿真技術為重點，充分利用傳感技術、物聯網技術、人工智能技術、多媒體技術、云計算技術等來進行傳統實訓室虛實結合改造，與新希望集團、溫氏集團、新瑞鵬寵物醫療集團、NGKC等企業合作。通過各類智能裝備輔助教學內容呈現、便利學習資源獲取、促進課堂交互開展，為教學活動提供人性化、智能化、情景化的互動空間，有效地促進學生個性化學習、開放式學習和泛在學習。

依托《豬人工授精》等虛擬仿真實訓項目，開展虛擬仿真情境式教學。通過虛擬操作實現豬人工授精等技術的情境再現，打破教學時間和空間的限制，解決當前畜牧獸醫專業教學內容復雜、實訓成本高、教學資源復用性差、安全衛生要求高的問題。建設梅山豬工廠化養殖虛擬仿真系統、肉雞養殖虛擬仿真系統、現代養殖場生產設施與設備、黑魚（鱸魚）工廠化養殖虛擬仿真系統、南美白對蝦工廠化養殖虛擬仿真系統、特產水產工廠化養殖虛擬仿真系統，以及小動物外科手術、寵物美容虛擬仿真實訓系統，開展豬生產、禽生產、現代養殖場生產設施與設備、魚類增養殖技術、蝦蟹類增養殖技術等課程仿真實訓教學。

3.2.4 建設智慧農林仿真資源體系

主要開發農業設備、設施類教學中智慧農業中涉及的設施、設備類建、運、維資源，對于現代農業裝備與設施要進行開安裝與維護，形成整體、分解相融合的效果，供學生從多角度主動去學習。

在智慧農林所涉專業教學中，現代農業裝備與設施的認識涉及電工工藝、機械結構、農藝園藝等各種知識與實訓內容，傳統農業裝備與設施認知教學采用圖文等形式，深入度不夠；而實景教學等形式則存在占地面積大、費用高昂、季節限制等缺點，還包括設施草莓生產、設施花卉生產、設施水產生產等現代農業設施布局比較分散等問題。虛擬仿真現代農業裝備與設施資源建設不僅包括現代農業裝備與設施等可見形態，還會通過深層互動，展示農產品生產特性、生長/成長過程、生產工藝、設備運維等各種相關知識。資源主要服務于無人機應用技術、農業物聯網工程、農業機械使用與維護、農業物聯網等課程，以及智慧園林、智慧園藝、智慧畜牧等實訓教學。

3.3 校企合作，建設具備高并發育訓承載能力的硬件平臺

按照“科學規劃、統建共享”的基本原則，依循主流架構，結合虛擬現實（VR）、增強現實（AR）、混合現實（MR）、人工智能（AI）等行業尖端技術，集LED小間距顯示系統、多通道投影立體顯示系統、動作捕捉系統、桌面級ZSpace交互系統、沉浸式VR交互系統、MR互動教學系統、體感式互動系統、移動端交互系統等軟硬件設備，建設服務于實踐教學、科學研究與形象展示的“一個基地、兩個中心、四個實訓室”立體化虛擬仿真教學硬件支撐平臺。

3.3.1 一個基地：虛實融合教育應用科創基地

統籌校內外實訓基地教學資源，將信息技術和實訓設施深度融合，以實帶虛、以虛助實、虛實結合，將農業物聯網工程、智慧園林等一批工程實踐強、反復實訓代價高的實訓過程設計成虛實結合仿真實訓系統，融合虛擬仿真實訓軟件和實景實訓硬件，逐步消除實訓設備的信息孤島現象；在三維GIS管控、精準定位自主導航作業、總線型智慧農業終端、模塊化智慧農業裝備、智慧病蟲害監測等方面形成完整的虛實結合仿真模塊，面向大田種植、設施園藝、畜禽養殖、水產養殖、智慧綠化養護、智慧園林監測、智慧苗木繁育形成基礎仿真軟件體系；對溧陽市上興鎮高檔藍莓種植示范基地、沭陽市茆圩鄉草莓基地及企業等5個基地量身定制智慧種植特色仿真教學資源，同時搭建虛實一體的智慧農業云平臺，主要用于各個基地及“農博園、茶博園”作物生產、管理、展示流程的分析和處理以及仿真訓練，平臺從生產端開始接受農業原始數據，利用大數據進行處理，形成專業的圖表和技術分析，為管理端提供決策信息，同時利用展示手段，將現代農業的技術進行展現，從而解決農民生產中的突出問題和技術難題，加快農業科技成果推廣應用步伐。

3.3.2 兩個中心：虛擬現實教育應用展示中心和虛擬仿真創新研發中心

虛擬現實教育應用展示中心。將涉農院校虛擬仿真教學資源、雙高建設成果、思政黨建成果用虛擬現實（VR）、增強現實（AR）、混合現實（MR）、人工智能（AI）等行業尖端技術展示，在展示學校育人成果的同時綜合展示當前虛擬仿真主流技術。

虛擬仿真創新研發中心。引入虛擬仿真行業企業工程師，與校內信息技術專業教師和涉農專業教師成立“大師工作室”，規劃虛擬現實創新教學區、3D動漫設計與開發實訓區、虛擬現實設計與開發實訓區、VR全息實訓區等，集虛擬仿真教學資源的設計、開發、測試、應用及培訓于一體，完成涉農企業人員和學校教師仿真技術的師資培訓，達到虛擬仿真教學軟件校內自主化開發的目的。

3.3.3 四個實訓室

立足主流虛擬仿真技術，匹配不同專業不同實訓內容的實訓需求，建設虛擬現實教學實訓室、全息教學實訓室、沉浸式洞穴教學實訓室、創新課程研發實訓室。

虛擬現實教學實訓室。基于頭戴式設備（HMD）和圖形工作站組成，給學習者提供一個完全沉浸其中的世界，通過視覺、聽覺、觸覺等全方位環境的營造，給學習者帶來一種身臨其境的現場感，增強現場帶入感和學習專注度，提升學習興趣和效果。

全息教學實訓室。全息教學實驗室主要由桌面級交互系統組成，利用全息成像技術將抽象、晦澀難懂的知識以更生動、直觀、立體的方式呈現在受眾眼前。系統適合大型、貴重設備儀器的展示與微觀世界原理的認知，如小動物骨骼、肌肉、內臟的認知、拆解與組合等，學習方式新穎有趣，來加深學習者的印象與學習理解。

沉浸式洞穴教學實訓室。虛擬現實教學實驗室為實驗實踐教學提供一個大視野的立體化教學環境，通過3D建模技術1∶1真實還原場景，教師采用VR交互設備進行互動教學，學生佩戴眼鏡觀看，師生如同置身于真實的學習環境中，具有直觀、立體、生動、體驗式教學的特點。該實驗室可適用于大型工程施工現場的工況運作模擬，復雜設備內部立體顯示，虛擬工廠實訓等。

創新課程研發實訓室。服務“三教”改革，同時為基地的管理建立動態化的人才梯隊。面向全校師生開展挑戰性學習（Challenge Based Learning，CBL）教學模式進行創業創新項目孵化，一是在基地內嘗試基于“學科交叉融合”理念的技術創新創業輔修課程，要求學生組成跨專業團隊，以團隊合作的形式最終做出創新性產品；二是實行跨院系的聯合導師制，針對某個項目，每個合作院系各出一名聯合導師指導學生團隊，保證學科交叉培養人才。實行動態化管理，項目申請通過則可在基地內孵化，項目成功后就解散團隊，騰出資源供下一批團隊研發項目使用。

4 結語

虛擬仿真實訓基地的專業性較強，軟件資源的開發難度較大，硬件設備的更新速度較快，建設虛擬仿真實訓基地，需要結合各個學校的專業、師資特色特長進行整體規劃，并給與充分的制度保障和經費保障，在實訓教學軟硬件資源、教學和管理隊伍、管理和共享平臺、管理體系四個方面構成虛擬仿真實訓基地的整體，最終形成持續服務實踐教學、服務“三教改革”、保證優質實踐教學資源開放共享的有機整體。