基于多課程融合的虛擬仿真實驗的設(shè)計與教學(xué)實現(xiàn)
——以玫瑰設(shè)施栽培虛擬仿真實驗為例

吳琴香 李志強 孫敏紅 唐 麗

(中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院，長沙 410004)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真以其形象生動、效果直觀、安全性高[1]等優(yōu)點越來越廣泛地應(yīng)用于高校實驗教學(xué)之中。有別于傳統(tǒng)實踐教學(xué)，虛擬仿真實驗教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實踐學(xué)習(xí)，借助互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)，充分滿足了實踐學(xué)習(xí)需求和教師的教學(xué)需求，打破了傳統(tǒng)實踐教學(xué)的局限性，最大可能地滿足了教學(xué)內(nèi)容的實踐要求，提升了實踐教學(xué)效果[2]。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實踐教學(xué)，是高校實踐教學(xué)改革的重點。

一、園藝專業(yè)實踐教學(xué)面臨的問題

(一)植物栽培周期長，實踐教學(xué)學(xué)時有限

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法落后，學(xué)生難以感知植物繁育栽培全過程，影響其實踐認知體系的形成。以往受園藝植物生長時間長、實驗場地和設(shè)施要求高、實驗教學(xué)學(xué)時有限等因素的限制，很難在短時間內(nèi)完成植物栽培全過程實驗，這也導(dǎo)致學(xué)生只能在有限的課時中進行走馬觀花式的觀摩學(xué)習(xí)或完成個別環(huán)節(jié)的操作，而缺乏對設(shè)施栽培完整過程的認知，且短時間內(nèi)難以生動實際地觀測到設(shè)施栽培環(huán)境調(diào)控的實驗結(jié)果。

(二)實踐教學(xué)硬件條件與教學(xué)需求不匹配

大多高校都存在實踐教學(xué)涉及的教學(xué)實習(xí)基地、實驗室建設(shè)滯后，對實踐教學(xué)的經(jīng)費投入不足等問題，難以完全滿足實踐教學(xué)的要求。中南林業(yè)科技大學(xué)園藝專業(yè)近5年來每年招生人數(shù)近70人，招生人數(shù)增加，實驗室儀器設(shè)備臺套數(shù)受教育經(jīng)費限制，設(shè)備數(shù)量與學(xué)生使用需求不匹配。通過校企合作建設(shè)的教學(xué)實踐基地，以生產(chǎn)功能為主，學(xué)生在教學(xué)基地實習(xí)時以見習(xí)為主，動手操作較少。實踐教學(xué)“硬件”建設(shè)與教學(xué)需求不匹配，導(dǎo)致實踐教學(xué)的次數(shù)與質(zhì)量大幅降低。利用虛擬仿真實驗平臺，可解決儀器設(shè)備少、見習(xí)難動手的問題。

(三)以單一課程為中心組織的實踐教學(xué)效果不佳

園藝專業(yè)是應(yīng)用性較強的專業(yè)，實踐教學(xué)又是專業(yè)人才培養(yǎng)過程中的重要一環(huán)。根據(jù)本科人才培養(yǎng)方案，中南林業(yè)科技大學(xué)園藝專業(yè)從第五學(xué)期開始開設(shè)專業(yè)課，陸續(xù)開設(shè)“園藝植物栽培學(xué)”實驗及實習(xí)、“園藝植物育種學(xué)”實驗及實習(xí)、“設(shè)施園藝學(xué)”實驗及實習(xí)、“園藝產(chǎn)品貯藏加工學(xué)”實驗及實習(xí)、“花卉學(xué)”實驗及實習(xí)、“園藝植物病理學(xué)”實驗、“園藝植物昆蟲學(xué)”實驗、“土壤肥料學(xué)”課程實習(xí)、“園藝植物生物技術(shù)”實驗以及綜合生產(chǎn)實習(xí)等，由該門理論課教師承擔(dān)課程的實驗和實習(xí)教學(xué)任務(wù)。綜合生產(chǎn)實習(xí)為集中時間段實習(xí)，具體組織及實施均由各課程主講老師安排。以課程為中心組織實踐教學(xué)，實踐技能訓(xùn)練時突出某一門課程的訓(xùn)練，但缺乏教學(xué)內(nèi)容上的聯(lián)動與綜合，導(dǎo)致實踐內(nèi)容重復(fù)或相似、教學(xué)效果下降和教學(xué)資源浪費。

二、園藝專業(yè)的“設(shè)施園藝學(xué)”課程和“園藝植物栽培學(xué)”課程的教學(xué)特點

根據(jù)植物生產(chǎn)類教學(xué)質(zhì)量國家標準，“設(shè)施園藝學(xué)”課程主要包含設(shè)施類型與結(jié)構(gòu)、設(shè)施環(huán)境與調(diào)控、設(shè)施規(guī)劃與設(shè)計、園藝植物的設(shè)施栽培等內(nèi)容?！皥@藝植物栽培學(xué)”課程主要講述園藝植物的生長發(fā)育規(guī)律、環(huán)境條件的影響、植物的繁殖、園地選擇與建園、土肥水管理、植物生長發(fā)育的調(diào)控和采收與商品化處理等內(nèi)容，旨在使學(xué)生系統(tǒng)掌握園藝植物生長發(fā)育規(guī)律與技術(shù)調(diào)控、栽培管理等方面的知識和技能。

在園藝專業(yè)本科人才培養(yǎng)方案中，“園藝植物栽培學(xué)”與“設(shè)施園藝學(xué)”為園藝專業(yè)核心課程，分為理論課程和實踐課程兩個部分。在教學(xué)內(nèi)容上，教師應(yīng)與時俱進，將最新的栽培技術(shù)與園藝設(shè)施應(yīng)用到教學(xué)中；在教學(xué)理念與方式上，要強調(diào)學(xué)生參與與互動，以培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力與創(chuàng)新能力；在教學(xué)手段上，需充分利用信息化工具，建設(shè)“開放式”課程。

三、基于多課程融合的虛擬仿真實驗的設(shè)計思路

(一)基于多課程相關(guān)知識的融合設(shè)計實驗

多課程融合的虛擬仿真實驗教學(xué)中，教師以觀賞植物生產(chǎn)為中心，以設(shè)施栽培為載體，將觀賞植物繁育、栽培、管理等植物生產(chǎn)過程串聯(lián)，實現(xiàn)多門課程內(nèi)容有機結(jié)合，強化對學(xué)生實踐技能的培養(yǎng)。玫瑰設(shè)施栽培虛擬仿真實驗主要知識點涉及設(shè)施類型及環(huán)境調(diào)控、玫瑰扦插繁育、玫瑰栽培肥水管理、玫瑰栽培整形、玫瑰早產(chǎn)與豐產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)、病蟲害防治6個知識點，可實現(xiàn)“設(shè)施園藝學(xué)”“園藝植物栽培學(xué)”“花卉學(xué)”“園藝植物病理學(xué)”4門課程相關(guān)知識點的有效銜接，幫助學(xué)生對植物生產(chǎn)全過程形成整體認知。

(二)構(gòu)建模塊化實驗內(nèi)容體系

多課程融合的虛擬仿真實驗教學(xué)中，教師設(shè)計的實驗內(nèi)容安排由淺入深，由簡單到綜合，由基礎(chǔ)到創(chuàng)新[3]，教學(xué)設(shè)計更符合學(xué)生認識規(guī)律和實際水平。實驗教學(xué)模塊由基礎(chǔ)型實驗到綜合型實驗，再到設(shè)計型實驗，難度依次提升。其中設(shè)計型實驗要求學(xué)生自己查閱資料、設(shè)計方案、完成任務(wù)。實驗?zāi)K中還提供必選模塊和可選模塊，必選模塊為學(xué)生必須完成的考核點，可選模塊為選做，促使學(xué)生通過相關(guān)知識的獲取和了解，更深入地了解課程內(nèi)容，同時又可避免因?qū)嶒炄藬?shù)過多，實驗報告趨同的弊端，培養(yǎng)學(xué)生的探索創(chuàng)新意識。

(三)采取“虛實互補”形式呈現(xiàn)實驗過程

實踐教學(xué)中，中南林業(yè)科技大學(xué)與湖南慕她生物科技公司合作建立湖南香料、香精產(chǎn)業(yè)培植校企合作創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育基地，以校內(nèi)的香料植物科研團隊長期積累的研究成果為技術(shù)支撐，教師利用現(xiàn)代化信息技術(shù)，情景再現(xiàn)玫瑰設(shè)施栽培及管理全過程。學(xué)生在線完成玫瑰設(shè)施栽培等操作，全面、直觀地了解玫瑰栽培及加工過程，克服實踐教學(xué)中植物栽培周期過長的難題。在此過程中，學(xué)生還可到校企合作創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育基地，進行關(guān)鍵環(huán)節(jié)的實物操作[4]，形成“虛實互補”的實驗教學(xué)模式。

四、基于多課程融合的虛擬仿真實驗教學(xué)的實現(xiàn)路徑

(一)構(gòu)建虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)

虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)以設(shè)施栽培環(huán)境為原型，依托虛擬仿真技術(shù)還原玫瑰扦插、玫瑰栽培管理、玫瑰豐產(chǎn)技術(shù)的實踐操作。該實驗系統(tǒng)界面有視頻簡介、實驗簡介、仿真實操、在線交流、課后測試5個功能模塊，仿真實操有練習(xí)模式和考核模式2種模式，“練習(xí)模式”為實驗練習(xí)界面，可多次進入，反復(fù)練習(xí)，而“考核模式”則是實驗考核界面。

玫瑰設(shè)施栽培虛擬仿真實驗平臺通過仿真油用玫瑰栽培生產(chǎn)，設(shè)置逼真的實驗場景，使學(xué)生有身臨其境的感受。學(xué)生通過仿真實驗練習(xí)后，能夠掌握玫瑰栽培管理過程工藝流程，熟悉玫瑰栽培的生產(chǎn)過程和操作要領(lǐng)，實驗流程如圖1所示。另外仿真系統(tǒng)中各模塊都具有非常鮮活的模擬現(xiàn)場，學(xué)生進行人機交互操作，可對相關(guān)設(shè)備和參數(shù)進行設(shè)置，及時看到操作效果。

圖1 玫瑰設(shè)施栽培虛擬仿真實驗操作流程圖

實驗中學(xué)生將依次進入“栽培設(shè)施構(gòu)成”“玫瑰扦插繁育”“玫瑰設(shè)施栽培管理”“玫瑰早產(chǎn)、豐產(chǎn)栽培技術(shù)”4個子模塊，根據(jù)植物生長環(huán)境和生長階段依次進行實驗。實驗中按照系統(tǒng)提示完成在線交互操作和答題，系統(tǒng)可自動生成使用者在每個階段的操作參數(shù)列表和對應(yīng)的統(tǒng)計結(jié)果?！霸耘嘣O(shè)施構(gòu)成”模塊的教學(xué)重點是設(shè)施構(gòu)成，“玫瑰扦插繁育”模塊的教學(xué)重點是玫瑰扦插的流程，“玫瑰設(shè)施栽培管理”模塊的重點是玫瑰肥水管理、植株整形修剪、病蟲害防治，“玫瑰早產(chǎn)、豐產(chǎn)栽培技術(shù)”模塊的重點是玫瑰壓條的時間選擇和壓條方法。

(二)采用項目教學(xué)法加強實驗技能和綜合能力培養(yǎng)

玫瑰設(shè)施栽培虛擬仿真實驗的4個子實驗中，有基礎(chǔ)型實驗1個、綜合型實驗2個、設(shè)計型實驗1個，依次對應(yīng)不同的實驗課程及知識點(見表1)。實驗技能培養(yǎng)側(cè)重學(xué)生動手能力及創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。虛擬仿真實驗教學(xué)以油用玫瑰生產(chǎn)為學(xué)習(xí)載體，使學(xué)生直接獲得生產(chǎn)經(jīng)驗，搭建起課程與就業(yè)間的橋梁，同時調(diào)動了學(xué)生實驗操作的自主性，反思實驗設(shè)計和過程，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性思維。項目教學(xué)法是指在課程教師的指導(dǎo)下，從資料收集與查閱、方案設(shè)計到項目的實施與評價，都由學(xué)生自己負責(zé)，最終完成一個獨立的項目，從而使學(xué)生掌握項目中各個環(huán)節(jié)所需的理論知識[5]。玫瑰設(shè)施栽培虛擬仿真實驗注重調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，其中玫瑰設(shè)施栽培管理模塊為設(shè)計型實驗，學(xué)生自主制定玫瑰幼苗定植階段的管理方案，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生輸入的管理方案模擬植物生產(chǎn)狀況。實驗結(jié)束后，學(xué)生就實驗情況制作PPT匯報文件并進行展示，老師對學(xué)生提問判斷學(xué)生掌握情況，以項目驗收的方式檢驗學(xué)生實驗結(jié)果，最后總結(jié)形成項目報告。

表1 玫瑰設(shè)施栽培虛擬仿真實驗教學(xué)知識點分布

(三)實施多元化實驗考核

傳統(tǒng)的實驗考核方式重視實驗報告與實驗結(jié)果，不能客觀反映學(xué)生實際水平，導(dǎo)致“高分低能”現(xiàn)象。采用多元化的科學(xué)考核體系，不僅可以改善實驗教學(xué)效果，還有利于培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的專業(yè)人才[6]。中南林業(yè)大學(xué)玫瑰設(shè)施栽培虛擬仿真實驗的考核成績由課前預(yù)習(xí)(占總成績10%)、在線測試成績(占總成績30%)、項目報告(占總成績40%)和課后測試(占總成績20%)4個部分組成，每項指標分別給予權(quán)重，最終確定綜合評定成績，能夠客觀地反映出學(xué)生的真實水平和學(xué)習(xí)態(tài)度。

五、基于多課程融合的虛擬仿真實驗教學(xué)的實施條件

(一)綜合性教學(xué)團隊

玫瑰設(shè)施栽培虛擬仿真實驗項目的教學(xué)團隊由中南林業(yè)科技大學(xué)園藝專業(yè)9名教師和校企合作企業(yè)的3名高級技術(shù)人員共同組成。其中企業(yè)選派的技術(shù)人員直接參與線上交流和線下實踐基地的生產(chǎn)指導(dǎo)，為虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式提供技術(shù)保障。

這種形式也避免了以往一個教師只承擔(dān)一門專業(yè)課程教學(xué)的弊端。組建大園藝生產(chǎn)類課程實踐教學(xué)團隊，從整體的角度考慮，避免教師只局限于單門課程獨立教學(xué)導(dǎo)致的教學(xué)內(nèi)容重復(fù)或教學(xué)內(nèi)容不全；又可以從專業(yè)的角度，將課程學(xué)習(xí)、實驗平臺有機融合在一起，起到強強結(jié)合、突出技術(shù)優(yōu)勢的作用；還可以開闊教師的視野，從專業(yè)而非課程的角度系統(tǒng)地培養(yǎng)學(xué)生實踐能力，使其學(xué)有所用，學(xué)以致用。

(二)充足的學(xué)時

近年來，園藝專業(yè)實踐教學(xué)越來越受到各高校的重視，中南林業(yè)科技大學(xué)在本科人才培養(yǎng)方案中，加大了實踐課時時長。在不增加學(xué)分的基礎(chǔ)上，把實踐課時16個課時、1個學(xué)分，修改為32個課時、1個學(xué)分，實際加大了實踐課程學(xué)時量。玫瑰設(shè)施栽培虛擬仿真實驗涉及多門課程實踐操作，故將其安排在第六學(xué)期，授課4學(xué)時，并將其作為綜合實習(xí)的組成部分納入教學(xué)大綱，可作為綜合實習(xí)的預(yù)習(xí)，也可作為綜合實習(xí)的檢測實驗。

(三)“教”與“學(xué)”雙向評價

現(xiàn)有的教學(xué)評價機制主要從學(xué)生端進行，以學(xué)生的成績?yōu)橹饕u價依據(jù)，難以調(diào)動學(xué)生深入學(xué)習(xí)的積極性。本項目從“教”與“學(xué)”兩端建立評價機制，促進教師實踐教學(xué)水平提高，培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新。在“教”這一端，主要通過提高教師綜合能力，學(xué)生、教學(xué)督導(dǎo)、行業(yè)專家等及時對教師實踐教學(xué)進行評價，衡量“教”的效果，并將評價結(jié)果及時反饋給教師改進，從而提升教學(xué)水平。在“學(xué)”這一端，從課前預(yù)習(xí)、在線測試成績、項目報告和課后測試4個部分衡量學(xué)生“學(xué)”的效果，重點以項目報告的形式考核學(xué)生實踐技能掌握和素質(zhì)提升情況。

六、基于多課程融合的虛擬仿真實驗教學(xué)的實施效果

(一)實踐教學(xué)內(nèi)容得到整合，形成知識鏈條

以案例為串聯(lián)線索的多課程融合教學(xué)比傳統(tǒng)教學(xué)有明顯的優(yōu)勢：通過案例應(yīng)用引導(dǎo)學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；多課程融合加強了各門相關(guān)課程的學(xué)習(xí)效果，形成完整的知識鏈條。多課程融合教學(xué)也給教師和學(xué)生帶來了更高的要求：教師要對涉及的各門課程相關(guān)知識非常熟悉，能夠?qū)⒂嘘P(guān)知識點聯(lián)系起來進行歸納、總結(jié)、提煉；學(xué)生要具備一定的專業(yè)基礎(chǔ)及學(xué)習(xí)能動性，課程學(xué)習(xí)中要及時查漏補缺，確保學(xué)習(xí)成效。

(二)信息化教學(xué)優(yōu)勢得到發(fā)揮，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)主動性

玫瑰設(shè)施栽培虛擬仿真實驗基于PC端設(shè)計，具有移動性、開放性、交互性等特點，擺脫了傳統(tǒng)教學(xué)過程中實驗教學(xué)時間和空間上的限制。學(xué)生可“隨時隨地”地開展在線實驗設(shè)計和操作，可實時追蹤玫瑰生長發(fā)育全過程，這是傳統(tǒng)實驗所無法完成的。這一實驗方式不僅開拓了學(xué)習(xí)者的知識視野，也顯著地提高了學(xué)習(xí)興趣。另外利用虛擬仿真手段直觀呈現(xiàn)實驗原理和技術(shù)，提高了實驗課的直觀性和新穎性，為學(xué)生學(xué)習(xí)起到了明顯的示范作用。通過虛擬仿真實驗平臺模擬設(shè)施栽培中的調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)，還解決了植物生長期與實驗期不統(tǒng)一的矛盾，大幅縮短實驗觀察期，生動形象地展示實驗結(jié)果。同時，也解決了設(shè)施園藝實驗設(shè)備設(shè)施短缺的問題，大幅節(jié)約了實驗資源。

(三)實踐教學(xué)的滿意度得到提高

玫瑰設(shè)施栽培虛擬仿真實驗項目從2018年開始作為中南林業(yè)科技大學(xué)園藝專業(yè)綜合實習(xí)內(nèi)容，2019年開始應(yīng)用于農(nóng)藝與種業(yè)研究生教學(xué)課題，3年來服務(wù)學(xué)生200余人。作為開放性實驗項目，該項目還適用于農(nóng)學(xué)、林學(xué)、園林植物與觀賞園藝、植物學(xué)等多個專業(yè)。虛擬仿真實驗項目使用后的在線評價結(jié)果，年平均滿意度為90.93%。從虛擬仿真實驗是否達到實驗?zāi)康倪@一條的反饋來看，學(xué)生一致認可。但也存在網(wǎng)速和電腦設(shè)備配置參差不齊，導(dǎo)致實驗時流暢度不佳，影響實驗體驗感的反饋。

(四)產(chǎn)學(xué)研得以緊密結(jié)合，啟發(fā)創(chuàng)新性研究

以玫瑰設(shè)施栽培虛擬仿真實驗項目為紐帶，將虛擬教學(xué)、科學(xué)研究與職業(yè)技能培養(yǎng)相結(jié)合，建設(shè)專業(yè)性、綜合性、開放性為一體的實驗、實訓(xùn)、科研環(huán)境，從而可以啟發(fā)師生開展創(chuàng)新性研究。通過項目訓(xùn)練，激發(fā)了學(xué)生主動進行創(chuàng)新性研究，2018年有園藝專業(yè)學(xué)生在中文核心期刊《經(jīng)濟林研究》上發(fā)表論文《不同激素及基質(zhì)對大馬士革玫瑰扦插生根的影響》，2019年學(xué)生的論文《厚樸新品種‘武林木蘭’的選育》獲得第五屆全國高校植物生產(chǎn)類大學(xué)生實踐創(chuàng)新論壇優(yōu)秀論文，2019年課程教師的“油用玫瑰在長株潭重金屬Cd污染區(qū)的修復(fù)潛力研究”項目獲湖南省林業(yè)廳立項支持。可見，師生的實踐操作能力與創(chuàng)新能力均得到較大提升。

綜上，玫瑰設(shè)施栽培虛擬仿真實驗利用現(xiàn)代信息技術(shù)與實驗教學(xué)的深度融合，豐富了實驗教學(xué)方式和認知方式，解決了當(dāng)前園藝植物栽培、設(shè)施園藝教學(xué)中重課程、輕綜合的問題。實驗內(nèi)容的多課程聯(lián)合，拓展了實驗教學(xué)內(nèi)容的廣度與深度，幫助學(xué)生在知識點學(xué)習(xí)中形成前后融會貫通。線上實驗和線下實驗的結(jié)合，實現(xiàn)了實驗教學(xué)的“虛實結(jié)合、優(yōu)勢互補”的特點，使學(xué)生的動腦與動手能力均得到提升。

資助項目：湖南省教育廳教改項目“基于虛擬仿真的線上線下混合式園藝生產(chǎn)類實踐教學(xué)研究”，項目編號HNJG-2020-0363；湖南省教育廳教改項目“新形勢下農(nóng)林高校園藝專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式探究”，項目編號HNJG-2020-0362；湖南省教育廳教改項目——“雙創(chuàng)”需求下的生態(tài)學(xué)專業(yè)實驗課程教學(xué)優(yōu)化探索，HNJG-2019-0366。