土壤-生態綜合實驗課程虛擬仿真教學體系構建與實踐

摘 "要：農藝措施修復重金屬污染耕地對于生態農業建設和農產品安全具有重要的作用。針對農藝措施在實驗教學過程中難以解決時間跨度大、田間重金屬污染模擬不易開展、缺乏先進儀器操作等教學資源問題，該文結合農業院校中新農科建設要求和環境科學與工程、生態學專業人才培養必須與時俱進地響應國家鄉村振興發展的需求，科教銜接、產教導向、虛實融合對土壤-生態綜合實驗中高原特色農產品產地環境重金屬污染農藝措施修復建設虛擬仿真實驗教學平臺，從教學理念、內容、方法及思政元素方面重構仿真教學體系，學生利用現代信息技術模擬完成從“實驗室—田間—實驗室田間的設計—種植—測試分析—職業選擇”的過程，打破實驗教學受時間、空間、地點和儀器限制無法觸及復雜操作的困局，提高學生設計合作創新能力，培養具有愛農情懷意識的鄉村振興踐行者。

關鍵詞：虛擬仿真；綜合實驗；科教融合；思政教育；實踐教學

中圖分類號：S15 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2096-9902（2023）05-0099-04

Abstract： Agronomic measures are used to restore cultivated land contaminated by heavy metals， thus playing an important role in ecological agriculture construction and agricultural product safety. However， it is difficult to solve the problems of experimental teaching resources， such as long time span， difficulty in carrying out field heavy metal pollution simulation experiments， and lack of advanced instrument operation in the experimental teaching process of agronomic measures. In this paper， professional personnel training must meet the requirements of the national rural revitalization and development， which is combined with the requirements of the construction of new agricultural development in agricultural universities and the cultivation of professionals in environmental science and engineering as well as ecology. The virtual simulation experiment teaching platform is composed of integration of science and education， production and teaching， and virtual and reality. The platform would focus on agronomic measures to remediate soil contaminated by heavy metal for plateau specialty agricultural products in course of soil-eclogical comprehensive experiment. The simulation teaching system from teaching idea， contents， method and ideological and political elements would be reconstructed. Students use modern information technology to simulate the process from laboratory-field-laboratory， field design-plant-test and analysis-career choice， to break the complex operations that are inaccessible to experimental teaching due to limitations of time， space， location and instruments. Therefore， we are supposed to improve students' ability of design cooperation and innovation， and cultivate practitioners of rural revitalization with a sense of love for agriculture.

Key words： virtual simulation; comprehensive experiment; integration of science and education; ideological and political education; practical teaching

土壤-生態綜合實驗課程實踐教學是農業院校中環境科學與工程、生態學專業培養服務鄉村振興農業環保人才十分重要的教學環節之一，對學生的動手能力、組織協調能力、設計科學創新思維及擇業理念起到決定性作用。實驗內容廣泛應用和服務農林業生態綠色發展、污染環境生態治理、資源保護與利用等各項農業環保工作，是關系到國計民生的專業實驗課程。2016年根據“雙一流”建設課程和創新人才培養需要，云南農業大學資源與環境學院（以下簡稱“我校”）將環境土壤學和環境生態學課帶實驗進行改革，將兩門課程的實驗獨立出來形成土壤-生態綜合實驗，積極將科研成果轉化為實驗教學案例，更新傳統的獨立實驗內容為綜合性實驗，增加前沿性、適用性和創新性。

2020年新冠感染疫情爆發以后農業院校實踐教學面臨學生脫離實驗室、離開田間“紙上談兵”的雙重學習模式[1]，急需推動線上立體化教學方法，虛擬仿真實驗教學把現代信息技術與農業院校實踐教學深度有效融合，不僅體現了新時代國家高等教育 “金課”的“兩性一度”（高階性、創新性與挑戰度）改革新方向[2]，也是教師對“智能+教育”在實踐教學領域的探索[3]，堅持“以本為本”實現“四個回歸”的有效途徑[4]。仿真實驗教學理念、技術水平、教學內容、教學方法都側重與時俱進的應用，在專業人才培養、科教融合、學科建設和產學研合作方面具有不可替代的優勢[5]。虛擬仿真實驗教學摒棄目前土壤-生態綜合實驗課程傳統教學過程中存在的問題。

1 "傳統土壤-生態綜合實驗教學過程中存在的問題

1.1 "教學內容與學生就業意向脫節

近幾年土壤-生態綜合實驗開展多為驗證性實驗，探索性實驗較少，在一定程度上影響著學生的就業意向。農業院校的學生大多數來自農村，上大學就是為了脫離農村到城市找工作，而土壤-生態綜合實驗這門課程的教學內容與農業息息相關。學生從心理上存在抵觸情緒。教學內容如何讓學生消除心理障礙，首先從思政元素入手，為了滿足新農業、新農村發展對人才培養的需求，依托我校農業學科優勢，結合環境科學與工程領域取得的教學科研成果，通過現代虛擬仿真實驗教學項目把抽象深奧的科研成果用于鄉村振興產業發展的實踐教學。拓展教學內容的廣度和深度，延伸學生思維空間，有效推進教學內容與學生就業方向的適合度，實現學習與社會需求的有效銜接。

1.2 "教學方式不能激發學生的學習興趣

土壤-生態綜合實驗課程的教學時間32學時，每個實驗安排3學時在固定的實驗室完成，任課教師難以系統性安排指導完整的綜合實驗教學技術流程，同時學生也缺乏對綜合實驗體系的系統性認識和掌握。在實際操作過程中難度較大，如重金屬脅迫下超富集植物與作物間作實驗，超富集植物生長時效性受季節影響較大，種植過程周期長達3～6個月，需要占用學生較多課余時間；重金屬污染實驗設計安全隱患大、生態破壞性強[6]，種植過程時效性導致學生不能親自動手操作，不利于學生掌握關鍵技術環節的工作原理，課堂講授無法演示大田環境，學生的理解度不高。虛擬仿真實驗突破時間、空間的限制，以生態、安全、可重復等優勢讓學生隨時隨地了解實驗內容，激發學生的學習興趣。

1.3 "實驗教學技術與社會發展脫節

隨著現代測試技術的迅猛發展，實驗室儀器無法滿足社會實踐需求，如做重金屬需要的原子吸收分光光度計，資源與環境學院生態環境系實驗室只有1臺，每天運行負荷較高，如遇到消解不完全遺留殘渣堵塞毛細管，學生測試結果成果率難以保證，課時和儀器所限難以安排每個學生上機操作、多次重復實驗；另外比較昂貴的儀器都是由老師操作演示給學生看，幾乎沒有機會接觸，這樣的傳統教學影響學生的教學質量和效果。針對污染元素在植物體內的遷移轉化，以往的實驗過程采用收集樣品，分部位（根、莖、葉、籽粒）測定，而目前都采用比較先進的非損傷微測技術，實驗室不可能進行這項技術，而利用虛擬仿真學生就能人機交互熟悉該項技術，開闊學生眼界，培養對社會技術發展的創新探索能力。

1.4 "實驗教學缺乏思政育人途徑

傳統的固定實驗教學過程幾乎不能踐行思政育人途徑。2016年12月7日，習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上的講話，好的思想政治工作應該像鹽，但不能光吃鹽，最好的方式是將鹽溶解到各種食物中自然而然吸收。土壤-生態綜合實驗這門課程培養“大國三農”情懷，培養知農愛農創新人才。任課教師如何探準課程中真善美思政實踐案例、深度挖掘生動有效的育人元素，然后春風化雨，潤物無聲把這種元素無縫銜接融入到課堂內容中，讓枯燥的實驗操作成為有情有義、有溫度、知農愛農的思政教育過程。

2 "虛擬仿真實驗教學內容的設計構建

目前，土壤-生態綜合實驗課程的虛擬仿真教學資源在國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺（http：//www.ilab-x.com/list）涉及32門，但共享資源具有一定的局限性，導致這些優質資源在普通農業院校出現“水土不服”的現象[7]。針對云南農業大學土壤-生態綜合實驗課程存在的問題，本虛擬仿真教學內容設計主要從知識目標、能力目標和素質目標的角度出發，知識目標是學生在掌握土壤學、生態學實驗基本知識點的層級目標基礎上，能夠系統設計中輕度重金屬污染土壤農藝措施修復的綜合目標；能力目標是利用科教銜接方式，圍繞團隊科研項目，讓學生掌握重金屬中輕度污染農田的現狀、農藝措施修復的機理，能夠根據污染狀況設計適合的農藝措施，應用先進儀器分析數據的能力。通過虛擬仿真實驗培養學生將已知的環境生態學規律運用于土壤污染修復實際問題的意識；素質目標為以虛實融合的教學模式培養學生綜合運用生態文明思想理論知識，用農藝措施解決中輕度重金屬污染農田問題，保證高原特色農產品質量安全，激發學生探索農業生產中未知規律的熱情，成為鄉村振興的踐行者。

虛擬仿真實驗體系構建主要包括實驗學時安排、實驗原理、實驗材料、實驗操作等主要模塊，引導學生從預習內容“要做什么、為什么做、怎么做”，到“操作過程、撰寫實驗報告”展開。學生可以隨時進入網站自主進行線上虛擬仿真實驗，反復操作先進儀器的測定過程。

2.1 "虛擬仿真實驗教學學時安排

土壤-生態綜合實驗是一門交叉學科，本實驗涉及到農學、環境保護、土壤污染治理、食品安全等學科的知識。為了提高虛擬仿真實驗項目的網絡共享能力，方便其他高校學生自學并向社會提供教學服務，本虛擬仿真實驗從32學時中提煉出線下難完成技術較高的內容構建，基于科研項目研究的理性務實，反復探究成果提出高原特色農產品產地環境重金屬污染農藝措施修復12學時虛擬仿真實驗項目，線上除實驗模式外，還設計自學模式、實驗報告、互評等平臺。在自學模式中講授實驗原理和進行課程思政，讓學員先學習，再實驗，從而消除知識壁壘，零起點即可開始實驗。

2.2 "實驗原理

高原特色農產品產地環境重金屬污染農藝措施修復是土壤-生態綜合實驗課程中重要的綜合實驗之一。但該實驗時間跨度較大，很難在本科生實驗學時內完成；測定過程中儀器等實驗設備昂貴，無法讓每位學生都獲得足夠的實際操作時數。開展虛擬仿真實驗則能較好地解決這一問題，學生在實驗室內即可完成仿真樣地選取、間作種植、土地理化性質測定、植物樣品測定分析等工作，還能多次重復實驗增加訓練時數。實驗中的虛擬數據全部來自課程組老師多年教學和科研工作中田間收集的真實數據，與實際情況一般無二。通過虛擬實驗，不但能夠讓學生學習污染土壤植物修復技能，還能用虛擬實驗中產生的數據及其分析來印證課堂理論知識，讓學生融會貫通，加深對理論教學知識點的理解和掌握，達到傳統實驗難以企及的教學水平。

本項目針對云南發展高原特色農產品產地環境重金屬超標的瓶頸問題，提出利用間套作技術進行邊生產邊修復的農藝措施。項目以團隊近20年的科研成果數據為依托，以中輕度污染農田土壤生態修復為主線，設計不同的植物進行間套作。把研究問題導入、實驗操作教學、種植模式設計和篩選最佳模式4個教學環節在虛擬仿真實驗中呈現。學生在虛擬環節中，直觀掌握土壤重金屬污染、作物與作物、作物與超富集植物間作的基本知識和種植模式。

2.3 "虛擬仿真核心步驟

本實驗針對重金屬脅迫下間套作植物種植修復土壤的實驗場景、采集樣品測定、分析實驗結果及實驗流程等核心要素進行仿真。

2.3.1 "基于真實農田間套作種植和室內操作設施采樣分析測定的場景仿真

通過3D建模在虛擬環境中再現完整的農用地種植修復重金屬污染現場，設置與真實場景一致室內測定場景。如，虛擬重金屬污染修復不同的農藝措施分場景中包括農作物與農作物間套作、農作物與超富集植物間作等。室內樣品重金屬消解、原子吸收分光光度法測定、根系分泌物、根系形態等測定場景及涉及的各類實驗設備、材料等均與真實實驗完全一致。

2.3.2 "重金屬在土壤-植物體內遷移轉化速率的微觀場景仿真

通過非損傷微測技術對重金屬在土壤-植物體內遷移要素進行仿真，在非損傷微測技術的微觀場景中再現重金屬在植物根系細胞-莖葉細胞-籽粒中的遷移轉化過程。

2.3.3 "基于真實科學研究數據的數值仿真

整個實驗基于重金屬在植物體內的富集特征真實科研數據建模開發，如種植模式不同的探究實驗中，學生選擇重金屬類型不同、改變種植模式等參數，將觀察到不同的累積效果，保證了仿真實驗結果的真實準確性。

2.3.4 "基于重金屬修復程序的流程仿真

根據超富集植物和低累積作物判斷特征規范化流程，借助虛擬仿真技術，再現真實的修復流程。即先仔細觀察不同重金屬脅迫下，選擇不同種植模式，施肥管理一段時間后，采集樣品。樣品帶回實驗室，測定分析過程仿真度高度一致。

2.4 "挖掘思政元素融入虛擬仿真實驗

課程思政是一種全新的課程觀念，主要強調教育教學和思想政治工作的有機融合，主張在各種課程教學過程中增加思想政治教育內容，在形成全新的道德教育協同效應的情況下，使思想政治理論課程和學科課程教學能夠保持同向發展，并通過潛移默化的教學和循序漸進的引導實現立德樹人的目的。高原特色農產品產地環境重金屬污染農藝措施修復虛擬仿真實驗的教學模式中包含了習總書記提出的“讓人民吃得放心”。通過間作邊生產邊修復治理為其控制的關鍵因子，實現土壤風險分類管控措施。

3 "土壤-生態綜合實驗虛擬仿真實驗教學過程

土壤-生態綜合實驗教學設計的合理性，實驗教學過程設置了4部分，滿足學生課前預習、課中熟練操作、課后鞏固學習，全過程考核評價環節。

3.1 "課前自主預習環境

提供重金屬污染元素在土壤-植物系統中遷移轉化的相關理論知識、實驗原理、操作步驟、相關儀器介紹和注意事項等，提供了虛擬實驗室的環境，學習者隨時可以進入真實的實驗環境中進行實驗操作，以達到掌握基本技能操作的目的。另外還為學習者提供了豐富的網絡學習資源，幫助學習者理解課程內容，也讓學習者能夠獲得更多的知識。

3.2 "課中操作實驗教學

同學進行交互設計。實驗的設計為學習者提供了良好的交互環境。學習者在進行實驗前，可以先觀看操作演示部分，該部分列舉了每一步驟的操作過程，并有語音提示，掌握一定知識后則進入自己動手實驗，如果操作過程中出現錯誤則不能進入下一環節，但可通過提示的幫助來完成實驗。

3.3 "課后設置交流平臺

虛擬仿真實驗操作設置線上知識回顧和操作鞏固，撰寫線上實驗總結報告，教師提供在線交流、學習論壇，學習者可以通過不同的交互形式積極參與、主動探索、發現問題，從而實現知識建構。在交流環境中學生與教師之間、學生與學生之間進行問題探討、思想交流以達到對學習內容比較深刻的理解和掌握，既發揮了教師的主導作用，又體現了學生的主體地位。

3.4 "全過程操作學習評價

本綜合實驗的考核實現全過程操作學習評價，回避線下傳統實驗報告結果考核的單一性，是從預習實驗原理、實驗思政內容、實驗設計思路、虛擬操作過程、實體課堂中對于相關專業問題的解答與思考角度，以及課后合理實驗結果分析、實驗報告撰寫完整性、小組互評的客觀總結和反思等全方位綜合進行的。教師的評價重點為線上教學后臺的一系列大數據分析，實驗操作的時長、種植模式搭配重復次數、使用儀器測定的失誤率、分析報告中對操作過程提出的建議和評價等都是考核的因素。

4 "結束語

高原特色農產品產地環境重金屬污染農藝措施修復虛擬仿真實驗采用科教銜接、產教導向、虛實融合構建內容，虛擬實踐技術結合信息化、思政元素化、智能化、多樣化等，實驗步驟通過虛擬大田種植、重金屬污染植物修復、先進儀器測定原理技術實景展現了污染物從土壤到植物累積的教學過程，突破了傳統實驗室教學無法完成田間種植、大型先進儀器測試的局限性，能夠進行全方位無死角的線上教學[8]。在教學過程中學生自主選擇污染元素、污染濃度、確定種植模式、施肥管理、采集樣品監測等過程，并通過不同視角、聽覺及觸覺等多種通道與虛擬實驗過程進行自然交互[9]，獲取測定數據后對農產品進行健康安全評價，然后完成小組互評及實驗報告。這一虛擬仿真實驗有助于加深對鄉村振興中農產品安全產地環境重要性的認識和理解，能夠增強學生應用已有知識指導社會實踐能力，對培養學生“大國三農”情懷和創新創業思維具有積極作用。

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