新農科背景下基于VR技術的新型農學類實驗教學模式設計與探索

侯文峰　高強　李翠蘭　王寅　馮國忠

［摘 要］實驗教學是農科專業培養高素質復合型人才的一個重要環節。虛擬現實（VR）技術的快速發展，使其在諸多方面得到了廣泛應用。針對傳統農學類實驗教學存在的諸如成本高、耗時長、效率低等一系列問題，研究并設計新農科背景下基于VR技術的新型農學類實驗教學模式勢在必行。此外，實現VR實驗教學也是推動高等農業院校涉農專業教育信息化建設的重要內容。基于VR技術的新型農學類實驗教學模式的應用將極大地降低辦學成本、節省教學時間、提高教學效率。

［關鍵詞］新農科；信息化；虛擬現實技術；實驗教學

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）14-0066-05

高等農業院校是培養高水平、高素質農科新型專業人才的搖籃，而理論與實踐相結合則是人才培養的一項重要舉措。但在實際的實驗教學中，農業院校有兩個問題需要正視：其一，高校農科類相關實驗教學活動，尤其是室外實驗教學活動常常受到季節性、地域性等不可抗因素的限制[1]，導致某些實驗有時候無法實施或按期完成；其二，目前的農學類實驗多是獨立性、驗證性和示范性的教學實驗，缺乏系統性、創新性和綜合性的自主探索型實驗，教師是整個實驗教學活動過程中的核心，學生的科研思維能力和動手實踐能力得不到有效鍛煉與培養[2]。全國新農科建設工作推進會于2021年10月19日在吉林農業大學成功召開，教育部副部長鐘登華同志在會上明確指出，要抓好耕讀教育，補齊實踐教學短板；要抓好農林緊缺人才培養，培養多類型卓越農林人才[3]。高等農業院校在致力于培養新型農業科技人才的同時，如果仍然沿用以前老舊的實驗教學模式，那么這樣培養出來的畢業生在走上工作崗位后顯然不能夠滿足我國的農業現代化建設與生產需求。

近年來，隨著計算機技術、信息技術、自動化技術等的快速發展，許多充滿現代要素的新興技術已頻繁在農業生產中出現并得到了推廣和應用。如何結合新興技術培養出符合我國農業現代化建設和生產需求的高水平、高素質新型農科專業人才，已成為新農科背景下全國高等農業院校所面臨的巨大挑戰。

一、VR實驗教學模式的設計意義

虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術，是美國VPL Research公司的創始人Jaron Lanier在1989年最先提出的，又稱為靈境技術或虛擬仿真技術。VR技術具有突出的立體動態直觀教學優勢，除此之外還具有交互性、沉浸性、想象性和多感知性四大特點，因此在教育領域備受重視[4]。2016年，中共中央、國務院印發了《國家創新驅動發展戰略綱要》，明確強調要將虛擬現實技術作為戰略任務來部署。2017年，教育部辦公廳印發了《2017年教育信息化工作要點》，明確指出要推動VR的實驗實訓平臺建設，建成互聯網+智慧教育示范基地。2018年，教育部等五部委頒布了《教師教育振興行動計劃（2018—2022年）》，明確指出要充分利用云計算、大數據、VR、人工智能等新興技術手段推動教師教育信息化教學服務平臺的建設和應用。同年，教育部又相繼發布了《教育信息化2.0行動計劃》和《教育部關于實施卓越教師培養計劃2.0的意見》，兩份文件都明確指出要通過創新機制，實現多元投入，結合“互聯網+”、大數據、云計算、信息惠民、“寬帶中國”、數字經濟、人工智能使等多項工作齊頭并進，推動新技術與高校課程的多維度融合，并在此基礎上利用VR、增強現實和混合現實等多種信息技術，建設一批具有交互性、情境化的新型課程資源。由此可見，VR技術在教育領域中的發展及應用前景十分廣闊。

在高等教育中引入新穎的VR技術輔助教學，開拓了新的教學方法和授課方式，學生也更愿意去學習和接受這種時代科技的新生產物，有利于提高學生的學習興趣和教學效果。然而，調查研究發現，目前VR技術在高等院校更多的是應用于景觀設計、動物醫學、化學工程、電氣工程等領域，真正在農學類田間實驗場景上的應用相對較少[5-8]。

傳統農業生產普遍受到地域性差異、經驗性差異和環境不可控等多種因素的影響。此外，吉林農業大學農業資源與環境專業涉及的實驗內容多（耕、種、管、收、儲）、實驗周期長（5月份至10月份）、實驗時間緊（東北地區一年一季，5月初至10月初為田間實驗有效時間）、實驗對象雜（涉及土壤、水分、溫度、種子、化肥、病害、蟲害、草害、農藥、農機、農時、籽粒、葉片、秸稈等）。盡管吉林農業大學農業資源與環境專業已對專業實驗課進行了統籌安排與合理規劃，設計了匹配作物生長全程的農學類實驗模塊化教學模式（如圖1所示），通過了為期兩年的試點教學且取得了較滿意的實踐教學效果[9-10]，但是在實際操作中仍然困難重重。實驗模塊化教學模式在應用過程中受時節、天氣等自然因素及實驗場地與配套設備等硬件條件限制較大。VR技術采用信息技術手段實現研究對象與環境因素之間的交互作用，較傳統農業相比，小到植物葉片形態，大到區域農田全景，均可以利用傳感器、攝像機等設備采集基礎數據后進行可視化精準建模，然后通過VR技術的高仿真性實現對現實場景的真實還原，并將數據生成場景反饋給使用者，讓學生可以更加直觀地理解植物對不同影響因子的響應。此外，VR技術還可以將之前數月甚至數年的植物生長周期縮短至幾小時甚至幾分鐘呈現出來，同時可以供學生反復觀看和使用。由此可見，VR技術可以極大地降低辦學成本、節省教學時間、提高教學效率。

當代大學生就讀期間絕大部分是在校園中度過的，缺乏對農業、農村和農民的深入了解。此外，一年級學生主要進行公共基礎課的學習，接觸專業知識、專業教師和專業訓練的機會較少，對專業認知較差，普遍缺乏專業歸屬感和認同感，更談不上專業興趣和專業愛好。VR技術可以為學生提供自主學習、探究學習和合作學習的空間，幫助學生盡早建立起對本專業的學習興趣。而等到專業實驗課開課時，學生已在前期對VR實驗教學有了一定的了解，不會產生陌生感，在實際應用過程中，能借助虛擬環境更好地掌握基礎知識、實驗原理及相關實驗技能，最終達到實驗課的教學目的。

二、VR實驗教學模式的設計思路

農學類專業是基礎性、應用性、綜合性非常強的專業。針對當前農學類實驗普遍受限于時節、天氣等自然因素及實驗場地與配套設備等硬件條件的突出問題，結合新農科背景下國家對新型農業人才的新需求，本研究在結合專業人才培養需求及整合前期匹配作物生長全程的農學類實驗模塊化教學模式研究的基礎上設計了基于VR技術的新型農學類實驗教學模式（如圖2所示）。

（一）一個理念

教育部于2018年頒布了我國第一個高等教育教學質量國家標準——《普通高等學校本科專業類教學質量國家標準》。在該標準制定的過程中，國家始終把握世界高等教育發展的最先進理念，主要突出了三大原則，即是“學生中心、產出導向、持續改進”。因此，在基于VR技術的新型實驗教學模式設計與探索過程中，本研究也基于三大原則進行了探索。

1.突出學生中心。注重激發學生的學習興趣和自身潛能，提高學生的專業認可度，創新授課形式，改革教學教法，強化動手實踐，推動實驗教學從“教得好”向“學得好”轉變、從“看明白”向“做明白”轉變。

2.突出產出導向。主動匹配我國農業生產的最新發展需求，科學合理設定課程目標，更新實驗教學內容，切實提高學習目標達成度、社會適應度、條件保障度、質保有效度和結果滿意度。

3.突出持續改進。強調要做好教學工作的基礎就要建立科學的學習成效評價體系，對基于VR技術的新型農學類實驗教學模式進行及時評價、及時反饋并持續改進，推動農學類實驗教學質量不斷提升。

（二）二個步驟

1.基于前期匹配作物生長全程的農學類實驗模塊化教學模式的研究，將農學類實驗課程按照作物生育期和實驗內容進行模塊化劃分，即劃分為基礎土壤樣品采集與測試模塊、田間耕作與栽培施肥模塊、苗期生長監測與營養診斷模塊、中期病蟲草害防治模塊、收獲測產與品質分析模塊、環境效應分析模塊。

2.利用VR技術對各個實驗模塊進行虛擬仿真并進行關聯，使學生對各個實驗模塊既能獨立操作，又能根據課程需要相互組合、關聯操作，充分發揮實驗模塊化教學與VR技術高效融合的優勢。

（三）三個應用

1.展示應用。應用場景一：微觀結構展示，主要應用于植物學、植物生理學、微生物學等相關課程。利用VR設備進行微觀視角的觀察，實現植物組織、土壤微生物等微觀結構的形態展示，很好地彌補了傳統二維圖像不夠直觀及三維模型無交互功能的缺陷，使原本抽象的知識點變得更加形象直觀、趣味性強、便于記憶。應用場景二：地形地貌展示，主要應用于土壤學、地質地貌學等相關課程。利用VR設備實現各種地形結構的展示，如東北黑土地土壤坡耕地、侵蝕溝發育等，也可展示宏觀或微觀的土層垂直結構，該應用打破了空間限制，具有形象直觀的優點。

2.體驗應用。應用場景一：操作性實驗體驗，主要應用于農業資源與環境綜合分析技術實驗、土壤資源調查與評價、肥料工藝學等相關課程。使用VR設備模擬現實強酸、強堿、高溫等高危操作步驟及實驗室不具備的肥料生產環境，如反應釜加工原料、高塔造粒等，具有操作性強、可無限重復、安全環保等特點。應用場景二：虛擬農場實驗體檢，主要應用于作物施肥原理與技術等相關課程。利用VR技術來模擬作物的生長，讓學生可以從任意角度觀察作物的發芽、展葉、開花、結果等整個生命進程及耕地、播種、澆水、施肥、除草、收獲等農事管理過程，同時還可以通過改變栽培措施和生長環境來觀察作物的響應，從而更加靈活地調控作物的生長發育。此外，利用VR技術在虛擬農場中還可以實現田間管理等一系列農事操作，使學生快速掌握農業生產技術，在提高專業教學效果的同時，讓學生了解當前世界農業生產現狀及存在的問題。

3.互動應用。利用聯機，VR客戶端可以提供一個能夠人機交互、操作安全、效果理想的訓練環境，實現學生、教師與虛擬設備、虛擬環境之間的互動與反饋。例如應用在實踐教學、實驗教學、畢業生產實習等環節，既可以規避實習與實驗過程中的危險性，又能夠使教師實時掌握和指導學生的實習、實驗等，進而實現安全訓練和高度交互，有效提高教學效率和教學效果。

（四）四個要素

基于VR技術的新型農學類實驗教學模式主要包含四個要素，即一條主線、二個周期、三大領域、六組模塊。一條主線，即以農作物生長發育全過程為主線，通過農時和農事的匹配對應，結合培養方案，合理設置實驗模塊和具體實驗內容。二個周期，即兩年（四個學期，大二下學期至大四上學期）的模塊化實驗教學周期，通過將實驗內容與農時、農事相融合，重新整合形成了農學類實驗模塊，實現了實驗環節的整體規劃和實驗模塊的有機銜接。三大領域，即實驗內容依據培養方案涵蓋了土壤、作物和環境三大研究領域。六組模塊，即根據課程安排和實驗需求將農作物生長發育全過程劃分成了6個部分：基礎土壤樣品采集與測試模塊、田間耕作與栽培施肥模塊、苗期生長監測與營養診斷模塊、中期病蟲草害防治模塊、收獲測產與品質分析模塊、環境效應分析模塊。

（五）五個創新

1.創新實驗教學管理。現代化的實驗教學體系必須具備先進的實驗教學管理機制，才能滿足實驗教學科學化、規范化、制度化管理的新需求。

2.創新實驗教材選擇。教材反映的實驗教學改革和研究成果既要體現出專業的基礎性又要體現出學科發展的先進性；既要體現出學科的內涵與實驗內容的更新，又要展示出現代實驗的新技術和新方法。

3.創新實驗教學內容。實驗內容除了強調專業基礎知識外，還需要不斷充實和及時更新，以便能夠真實反映生產問題和學科發展前沿。

4.創新實驗教學方法。實驗教學要實現基礎與前沿、經典與現代的高度融合，通過VR技術的應用設計以學生自主學習為中心、自我訓練為主導的新型農學類實驗教學模式。

5.創新實驗教學考核方式。傳統的學分制考核方式已不適應實驗教學需求，而將課堂表現、隨堂作業、理論考試、動手實操相結合，可以徹底改變“一考定分”的現狀，多維度考查課程教學效果。考核方式的改革能使學生從“要我學”轉變為“我要學”。

三、VR實驗教學模式的保障機制

（一）建立管理組織，加強VR實驗教學監督

為確保基于VR技術的新型農學類實驗教學模式的順利組織、實施及可持續性發展，吉林農業大學資源與環境學院成立了以分管教學副院長為組長，各學科帶頭人、專業帶頭人和系主任為副組長的VR實驗教學工作領導小組，全面負責對VR實驗教學的領導和監督。

（二）精選師資隊伍，強化VR實驗教學指導

為了保障VR實驗教學的教學效果，吉林農業大學資源與環境學院對VR實驗指導教師的遴選提出了嚴格要求，既要有中級以上職稱，還要有豐富的實驗教學經驗和較強的動手實踐能力。此外，考慮到資深教師專業基礎扎實、知識面廣及青年教師充滿激情、學習能力強的特點，課程師資設置實現老中青搭配、優勢互補。

（三）健全規章制度，規范VR實驗教學管理

俗話說無規矩不成方圓，制度就是管理的基礎與依據。學校結合學生培養方案，組織專業任課教師撰寫不同課程的VR實驗教學大綱，對實驗教學目標、實驗內容、過程要求、實驗報告和成績評定等環節予以充分研討并做出明確規定。

（四）加強投入支持，改善VR實驗教學條件

吉林農業大學資源與環境學院在農學類實驗教學改革和教改立項前期開展了大量工作，在教改課題、教學成果及教改論文方面均取得了長足進步。2019年，作物施肥原理與技術成功獲批國家級一流本科課程。2021年，“農作物和土壤放射性同位素示蹤實驗虛擬仿真平臺V1.0”項目順利通過專家組驗收并獲批軟件著作權1項。此外，學校在虛擬仿真實驗室的建設上也提供了重要支撐與保障，包括條件支持、經費支持和政策支持等。在具體建設和實施過程方面，依托高等教育出版社提供的整體建設方案及后續運行維護等相關服務，可以保障VR實驗教學的順利開展與可持續應用。

（五）促進區域聯合，提高VR實驗教學效率

為實現虛擬實驗室的跨區域應用，吉林農業大學資源與環境學院集合吉林省4所涉農高校的相關專業，實現專業優勢互補和教學資源共享，進而實現VR實驗教學資源利用效率的最大化。

四、結語

基于VR技術的新型農學類實驗教學模式的設計、建設及應用，將為農學類實驗教學的改革提供有利條件，能打破傳統農學類實驗受天氣、農時、農機、場地等因素的限制，為創新人才培養體系的建成提供強力支撐，為學生綜合素質的提高提供有效保障，可全面提升新農科背景下農業人才的培養質量，有效提升學生的學習興趣，同時可降低教學成本、節省教學時間、提高教學效率。VR技術是一項復雜的綜合技術集成，由于自身涉及的硬件模塊、軟件系統和開發工具等較復雜，目前仍缺乏相對統一的行業標準，不同系統之間的兼容性等問題還有待進一步優化完善，這也是當前VR技術在發展中所面臨的實際問題。但是，隨著VR技術的快速發展，以及基于VR技術的新型農學類實驗教學模式的積極探索，我們有理由相信，在不遠的將來，基于VR技術的新型農學類實驗教學模式將會迎來更廣闊的發展空間。

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［責任編輯：鐘 嵐］