新農(nóng)科背景下虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在《花卉栽培管理》實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

張 蔚，周繼榮，王媛媛，張俊衛(wèi)，胡惠蓉

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430070）

0 引言

《花卉栽培管理》是園藝、園林等相關(guān)專業(yè)的專業(yè)必修課。該課程要求學(xué)習(xí)者掌握或了解各類常見花卉的形態(tài)特征、栽培技術(shù)、繁殖方法與園林應(yīng)用等實(shí)踐知識(shí)，能根據(jù)不同地區(qū)、條件、用途安排指導(dǎo)花卉生產(chǎn)，并能根據(jù)所學(xué)知識(shí)推論并自學(xué)教材未涉及的一些花卉大致的栽培方法，是一門實(shí)踐屬性極強(qiáng)的課程。以華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院為例，花卉栽培管理是園藝專業(yè)（花卉方向）和園林專業(yè)的核心實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，其課堂教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)在園藝專業(yè)的《花卉學(xué)方向教學(xué)實(shí)習(xí)》課程以及園林專業(yè)的《花卉學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)》課程中占有相當(dāng)大的比重。

由于課程的強(qiáng)實(shí)踐屬性，以及花卉行業(yè)人才，尤其是專業(yè)技術(shù)型人才缺乏，培養(yǎng)既懂理論又有技能的專門型人才已成為實(shí)踐教學(xué)與花卉行業(yè)的迫切需求[1]。課程要求教師和學(xué)生在教學(xué)與學(xué)習(xí)過程中，必須重視對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[2]。為此，本課題通過立項(xiàng)研究，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)出花卉容器苗標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件。本項(xiàng)目引入了問題式教學(xué)（Problem Based Learning, PBL）模式和情景式項(xiàng)目設(shè)計(jì)，深入開展了“花卉學(xué)”實(shí)踐教學(xué)模式的探索。

本文分析了《花卉栽培管理》課程實(shí)踐教學(xué)中凸顯的問題，提出了實(shí)踐教學(xué)改革的新內(nèi)涵，力求理論與實(shí)踐相融合，教學(xué)與科研、生產(chǎn)相融合，并結(jié)合已建成的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件，分析了其實(shí)際的應(yīng)用效果。

1 《花卉栽培管理》實(shí)踐教學(xué)存在的痛點(diǎn)

目前，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)及大部分農(nóng)林類高校花卉栽培管理的生產(chǎn)實(shí)踐教學(xué)存在以下痛點(diǎn)：

（1）周期長且花費(fèi)高。花卉標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)多從幼苗開始培養(yǎng)，直至獲得符合出圃質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的成品花，整個(gè)過程涉及的環(huán)節(jié)多達(dá)15 個(gè)模塊實(shí)驗(yàn)，歷時(shí)長達(dá)6 個(gè)月，實(shí)驗(yàn)時(shí)間跨度較長[3]。但實(shí)際情況常常是課時(shí)縮減，整個(gè)實(shí)踐教學(xué)周期被壓縮至6 周以內(nèi)。并且，如果完全按照預(yù)想中的人才培養(yǎng)需求，預(yù)計(jì)基礎(chǔ)建設(shè)投入至少需要200 萬元；如果完全按照目前花卉行業(yè)實(shí)際生產(chǎn)條件進(jìn)行模擬，則所需費(fèi)用更多。

（2）占地受限而學(xué)生參與少。受到用地和用材等因素的限制，很難保證每個(gè)學(xué)生都能全程參與。此外，實(shí)際投入生產(chǎn)的苗圃地建設(shè)與完善的速度一般較快，而學(xué)校的教學(xué)實(shí)習(xí)基地由于經(jīng)費(fèi)不足或?qū)徟掷m(xù)較多等原因，很難達(dá)到與真正的苗圃地相同的生產(chǎn)條件，導(dǎo)致學(xué)生們進(jìn)行的實(shí)踐操作與實(shí)際生產(chǎn)有較大差距，學(xué)生很難對(duì)花卉的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)有直觀、深入且全面的認(rèn)識(shí)與理解。

（3）社會(huì)對(duì)人才的需求與人才培養(yǎng)方案脫節(jié)。2019 年我國啟動(dòng)了“智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究”重大咨詢項(xiàng)目，其中“園藝作物智慧生產(chǎn)發(fā)展戰(zhàn)略研究”是重要的組成部分，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)鄧秀新院士強(qiáng)調(diào)智慧農(nóng)業(yè)首先應(yīng)該在園藝作物上使用。同年，中國高等農(nóng)林教育改革唱響三部曲，推動(dòng)“新農(nóng)科”建設(shè)，變革和發(fā)展傳統(tǒng)農(nóng)科專業(yè)結(jié)構(gòu)，搭建人才培養(yǎng)體系和科技創(chuàng)新體系，創(chuàng)建可以支撐農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的高等農(nóng)業(yè)教育新體系。在這種形勢下，園藝領(lǐng)域的高等農(nóng)業(yè)教育必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)性調(diào)整與升級(jí)，從而滿足園藝產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要、適應(yīng)國家現(xiàn)代化發(fā)展的戰(zhàn)略需求。

隨著國家戰(zhàn)略與行業(yè)發(fā)展，智慧園藝逐漸成為行業(yè)主流。目前，就我院花卉學(xué)實(shí)驗(yàn)而言，實(shí)踐課程的內(nèi)容和體系與最先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)存在一定程度的脫節(jié)，學(xué)生在校學(xué)習(xí)的部分知識(shí)在實(shí)習(xí)和工作中已經(jīng)落伍。為此，我們引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過建設(shè)智慧園藝花卉標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)實(shí)踐項(xiàng)目來輔助提升我院花卉學(xué)乃至園藝學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。

2 虛擬仿真技術(shù)在該課程中的應(yīng)用

花卉學(xué)實(shí)驗(yàn)課程目前多采用傳統(tǒng)教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合的普通混合教學(xué)模式。基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)課都是沿用多年的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，所學(xué)內(nèi)容較單一，且與產(chǎn)業(yè)實(shí)際結(jié)合不夠緊密、關(guān)聯(lián)度不夠高，因而影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，致使學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)新意識(shí)。因此，要實(shí)現(xiàn)學(xué)生全面自由發(fā)展的目標(biāo)，最行之有效的切入點(diǎn)應(yīng)是從思想和實(shí)踐著手，嘗試改變當(dāng)今的教學(xué)模式，努力探索符合新農(nóng)科背景下培養(yǎng)全面發(fā)展人才要求的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。為此，我們通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的引入，將容錯(cuò)探究式和任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法綜合運(yùn)用于基礎(chǔ)認(rèn)知、綜合分析以及探索創(chuàng)新3 個(gè)層面的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操練的過程中，循序漸進(jìn)地完成“基本原理學(xué)習(xí)→綜合能力訓(xùn)練→創(chuàng)新能力培養(yǎng)”的進(jìn)階任務(wù)。

2.1 先進(jìn)的教學(xué)方法與課程設(shè)計(jì)

智慧園藝花卉標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)了預(yù)設(shè)問題，要求學(xué)生進(jìn)入虛擬環(huán)境進(jìn)行調(diào)查研究。通過包含有預(yù)設(shè)知識(shí)點(diǎn)的問題，啟發(fā)學(xué)生在接近真實(shí)應(yīng)用的場景中進(jìn)行學(xué)習(xí)。學(xué)生則通過查閱文獻(xiàn)，搜索網(wǎng)絡(luò)，或者咨詢老師以及相互之間開展討論等各種渠道和方式獲取知識(shí)，從而對(duì)問題進(jìn)行主動(dòng)地分析和思考，然后設(shè)計(jì)出解決方案，最后再回到虛擬現(xiàn)實(shí)的情景中進(jìn)行實(shí)踐探索。

這種將情景式教學(xué)與PBL 教學(xué)結(jié)合到一起的教學(xué)方式有如下優(yōu)勢：①讓學(xué)生真正接觸到今后可能進(jìn)入的實(shí)際工作環(huán)境，不僅能極大地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效培養(yǎng)學(xué)生搜集和處理知識(shí)的能力、研判和解決問題的能力，以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作與溝通能力等，還能讓學(xué)生提前進(jìn)行思考，及時(shí)地對(duì)自身學(xué)習(xí)目標(biāo)和方法進(jìn)行調(diào)整，從而更加全面自由地發(fā)展；②促使教師密切跟蹤本專業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)和發(fā)展需要，根據(jù)社會(huì)和行業(yè)需求，不斷改進(jìn)和完善實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法，及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容，以滿足實(shí)踐教學(xué)應(yīng)緊貼新農(nóng)科建設(shè)與發(fā)展需要這一基本要求[4]。

2.1.1 基礎(chǔ)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)（實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備）

本環(huán)節(jié)著眼于提升學(xué)生對(duì)《園藝植物栽培學(xué)（花卉各論）》和《花卉學(xué)》課程知識(shí)點(diǎn)和基本理論的掌握程度，適當(dāng)覆蓋《植物學(xué)》、《植物生理生化》、《植物病理學(xué)》、《設(shè)施園藝學(xué)》、《園藝植物昆蟲學(xué)》等課程，以“實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)—實(shí)驗(yàn)子環(huán)節(jié)—實(shí)驗(yàn)步驟”逐級(jí)細(xì)化的結(jié)構(gòu)來組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程。每一個(gè)實(shí)驗(yàn)場景都對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的知識(shí)點(diǎn)，以子環(huán)節(jié)為單位組織體驗(yàn)式實(shí)驗(yàn)過程，實(shí)驗(yàn)過程與知識(shí)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容貫穿于步驟之中。學(xué)生通過交互式操作和多角度、全方位的深入觀察，可有效建立對(duì)花卉的水肥管理、花期調(diào)控、病蟲害防治等知識(shí)的全面認(rèn)知和理解。

2.1.2 交互體驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)（智慧園藝系統(tǒng)硬件設(shè)備及軟件操作、生產(chǎn)栽培技術(shù)）

本環(huán)節(jié)包括智慧園藝系統(tǒng)硬件設(shè)備、園藝設(shè)備操作和花卉生產(chǎn)栽培技術(shù)3 個(gè)實(shí)驗(yàn)子環(huán)節(jié)。通過讓學(xué)生親身參與規(guī)劃設(shè)計(jì)花卉生產(chǎn)基地、建設(shè)生產(chǎn)基地、配置軟硬件設(shè)備，栽培管理花卉的實(shí)驗(yàn)過程，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)，分析、處理問題的能力。同一種花卉在不同的溫度、濕度、光照等環(huán)境條件下，使用不同的基質(zhì)配比，其在整個(gè)發(fā)育過程中會(huì)呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)，最終的成品質(zhì)量會(huì)有很大差別，而學(xué)生可以對(duì)此展開動(dòng)態(tài)的觀察分析工作。本環(huán)節(jié)有效解決了實(shí)物教學(xué)實(shí)驗(yàn)成本高、學(xué)生受眾面小、實(shí)驗(yàn)操作難度大、重復(fù)性差、極端實(shí)驗(yàn)情況危險(xiǎn)性大、操作失誤不可逆以及某些實(shí)驗(yàn)環(huán)境不可達(dá)等難題，達(dá)成了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的基本目標(biāo)。

2.1.3 容錯(cuò)探究教學(xué)環(huán)節(jié)（生產(chǎn)栽培技術(shù)）

本環(huán)節(jié)要求學(xué)生掌握花卉標(biāo)準(zhǔn)化栽培技術(shù)的基本方法。學(xué)生可以根據(jù)實(shí)際情況反復(fù)調(diào)整實(shí)驗(yàn)方案，優(yōu)化溫度、濕度、培養(yǎng)時(shí)間等關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)參數(shù)，觀察不同參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，獲得自主的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。學(xué)生對(duì)問題的描述，結(jié)果的形成原因，改進(jìn)措施等方面進(jìn)行深入分析，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。本環(huán)節(jié)中，設(shè)置了容錯(cuò)探索型實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)，不再強(qiáng)調(diào)唯一正確的參數(shù)和結(jié)果，而是促進(jìn)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)不同參數(shù)，從而得出不同的結(jié)果。該設(shè)計(jì)賦予了每位同學(xué)不同的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，最后生產(chǎn)出多種顏色、多種品級(jí)的花卉，充分體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，見圖1。

圖1 花卉容器苗標(biāo)準(zhǔn)化栽培實(shí)踐教學(xué)流程

2.2 大品種、小模塊的模塊化內(nèi)容設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用的虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái)基于荷蘭福納瑞和全國多家花卉生產(chǎn)企業(yè)多年生產(chǎn)的數(shù)據(jù)。學(xué)生可以自由設(shè)置溫度、濕度以及栽培基質(zhì)等控制參數(shù)，100 名學(xué)生可以得到多種結(jié)果。讓學(xué)生在項(xiàng)目中進(jìn)行反復(fù)試錯(cuò)，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和能力。將網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)加以深度融合，利用仿真建模、人機(jī)交互、多媒體以及內(nèi)嵌算法等技術(shù)，使學(xué)生身臨其境。在虛擬實(shí)驗(yàn)場景中，我們還構(gòu)建了智慧園藝花卉標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)系統(tǒng)，包括氣象監(jiān)測系統(tǒng)、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、土壤墑情系統(tǒng)、蟲情測報(bào)系統(tǒng)、噴淋灌溉系統(tǒng)、苗情監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、水監(jiān)測系統(tǒng)等。利用物聯(lián)網(wǎng)的科技手段，結(jié)合大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)手段，解決傳統(tǒng)農(nóng)場中的痛點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)花卉標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的智能化，生長過程要素?cái)?shù)據(jù)化測量。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)有兩種常見花卉，分別是蝴蝶蘭與繡球花，總共包含8 個(gè)知識(shí)點(diǎn)，18 個(gè)操作步驟。在教學(xué)中，教師可以在課堂上集中講解，學(xué)生也可以利用課后碎片化的時(shí)間，獨(dú)立學(xué)習(xí)和演練。特別值得一提的是，學(xué)生還可以針對(duì)自己的薄弱環(huán)節(jié)，在項(xiàng)目中對(duì)不同的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)地練習(xí)和鞏固，見表1。

表1 花卉容器苗標(biāo)準(zhǔn)化栽培項(xiàng)目知識(shí)點(diǎn)

2.3 課程的思政教育內(nèi)涵

園藝屬于涉農(nóng)專業(yè)，受學(xué)科專業(yè)認(rèn)知度和社會(huì)認(rèn)可度的影響，常被誤認(rèn)為是科學(xué)技術(shù)含量少、就業(yè)層次低、沒有前途的專業(yè)，這導(dǎo)致園藝專業(yè)的學(xué)生對(duì)所學(xué)專業(yè)缺乏自信；同時(shí)部分學(xué)生對(duì)專業(yè)特點(diǎn)、優(yōu)勢、發(fā)展前景等缺乏深層次的認(rèn)識(shí)，甚至嫌棄園藝專業(yè)[5]。這種專業(yè)不自信與嫌棄專業(yè)的態(tài)度不僅使學(xué)生失去專業(yè)學(xué)習(xí)興趣、缺乏專業(yè)學(xué)習(xí)動(dòng)力，而且導(dǎo)致對(duì)口行業(yè)就業(yè)率低，造成教育資源的巨大浪費(fèi)。

本項(xiàng)目讓學(xué)生了解現(xiàn)代園藝從業(yè)者不再是“面朝黃土背朝天，風(fēng)吹日曬滿身土”的經(jīng)驗(yàn)式、高勞作的園藝生產(chǎn)和經(jīng)營模式，而是可以插上智慧生產(chǎn)的翅膀，實(shí)現(xiàn)園藝生產(chǎn)的高度規(guī)模化、集約化、工廠化。幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到現(xiàn)代科技在本專業(yè)中的強(qiáng)大作用，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神與愛國情懷，切實(shí)提高專業(yè)自信。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 目前使用情況

本平臺(tái)于2019 年3 月正式投入使用，截至2022年3 月，2 年時(shí)間內(nèi)共有4300 多人次的使用記錄。該平臺(tái)同時(shí)還向兄弟院校進(jìn)行共享開放，外校的使用也達(dá)到一定人次，充分切合了教育部對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)開放共享的要求。

3.2 不足與展望

現(xiàn)階段，由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)建設(shè)并運(yùn)行的智慧園藝花卉標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)實(shí)踐項(xiàng)目的教學(xué)重點(diǎn)是花卉容器苗的栽培技術(shù)。通過該項(xiàng)目的引入，有效提升了《花卉栽培管理》課程的教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但是，《花卉栽培管理》實(shí)踐教學(xué)不僅只有容器苗的花卉栽培，還涉及組培苗生產(chǎn)技術(shù)等重要內(nèi)容。這些內(nèi)容在現(xiàn)有的實(shí)踐教學(xué)體系內(nèi)很難有效實(shí)現(xiàn)，但同樣可以通過虛擬仿真技術(shù)予以解決。因此，未來在教學(xué)內(nèi)容上還可進(jìn)一步延伸與拓展。此外，目前運(yùn)行的網(wǎng)頁版虛擬教學(xué)軟件是利用unity3D 技術(shù)開發(fā)而成的。隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)以及擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)的成熟與元宇宙概念的提出，未來可運(yùn)用更先進(jìn)的開發(fā)引擎，升級(jí)現(xiàn)有技術(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化項(xiàng)目，提升用戶體驗(yàn)，增強(qiáng)項(xiàng)目的沉浸感。