《飼料質量檢測》課程中虛擬仿真實驗教學內容改革初探

趙靜雯，林 淼，詹 康，經語佳，吳慧光，王夢芝

（1.揚州大學動物科學與技術學院，江蘇揚州 225009；2.揚州大學獸醫學院，江蘇揚州 225009）

虛擬仿真實驗項目是教育部建設的五大類型“金課”之一，是國家積極推進現代信息技術融入實驗教學項目、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措。從2013 年至今虛擬仿真教學經歷了快速發展的3 個階段，分別是虛擬仿真實驗教學中心建設階段（2013—2016 年）、虛擬仿真教學資源建設階段（2017—2019 年）和虛擬仿真教學平臺化發展階段（2020 年至今），同時伴隨著教育數字化戰略不斷深化，平臺化建設成為實現虛擬仿真教學的關鍵[1]。教育部印發《關于推進教育新型基礎設施建設構建高質量教育支撐體系的指導意見》，提出要完善智慧教學設施，部署學科專用教室、教學實驗室，依托感知交互、仿真實驗等裝備，打造生動直觀形象的新課堂[2]。

高校課程虛擬仿真教學環境的設計和建設還處于初步探索期，沒有既定的方案，導致許多學校在設計和建設虛擬仿真教學環境時無章可循，單純追求易見成效的硬件終端建設，而忽視了教學應用。《飼料質量檢測》課程是全國涉農高校動物科學專業的核心課程，也是一門實踐性和操作性非常強的課程，對保證飼料原料和各種飼料產品質量安全尤為重要，可保障養殖業的健康發展和人民群眾的飲食安全。本文以揚州大學動物科學與技術學院動物科學專業《飼料質量檢測》課程開設虛擬仿真實踐教學內容為例，簡要介紹該課程開設虛擬仿真實驗內容的必要性、建設性和難點問題，以期為全國農業高校該課程的建設提供理論和實踐依據。

1 虛擬仿真實驗教學建設的必要性

1.1 國家鄉村全面振興戰略對涉農專業人才培養的新需求

以中國現代化推進中華民族偉大復興，重點在農業、農村，關鍵在科技、在人才[3]。如何培養更多知農、愛農的新型人才，確保國家飼料質量安全，促進飼料資源合理利用，推進鄉村全面振興是我們涉農專業當前面臨的重要問題[4,5]。開展虛擬仿真實驗教學建設有利于堅定涉農專業大學生愛農、學農，投身“三農”的信心和決心，有助于傳承先輩“堅苦自立”的奮斗精神和科學精神，有益于提升大學生綜合運用涉農知識和專業技能解決實際問題的能力，為涉農專業大學生投身到脫貧攻堅和鄉村振興的偉大事業中從事農業生產的勞動者提供有力的科技支撐。

1.2 搭建科普教育平臺，擴展高校職能的需要

科普教育是高等學校的三大職能（教書育人、科學研究和社會服務）的延伸和內涵擴展。基于互聯網和虛擬仿真技術開發的開放式實驗教學項目，不僅可為科普教育提供充足、優質的教育資源，還可以不受時空限制的提供科普教育場所[6]。虛擬現實技術呈現一種動態、開放環境，學生可以從任意有價值的角度觀察虛擬世界的元素，進行交互性操作，從而獲得虛實結合的體驗[7]。同時，借助虛擬現實技術帶領學生進入飼料質量檢測，滿足高校動物科學本科生開展相關實驗的需求，對培養新農科一流畜牧人才具有推動作用。

1.3 體現“兩性一度”標準需求

虛擬仿真實驗課程拓展實驗教學內容，創新實驗教學呈現方式，延伸實驗教學時空，激發學生探索新知識的興趣，全面提高人才培養質量，助力一流本科專業建設[8]。虛擬仿真實驗課程應注重培養學生解決復雜實際問題的綜合能力和高階思維，即體現“高階性”。利用虛擬仿真實驗，易于實現課程內容與學科理論發展前沿以及產業科技發展前沿保持一致，即體現“創新性”。虛擬仿真實驗課程應具有綜合性、靈活性等特點，能建設綜合學科的設計性或創新性的課程內容，實現“挑戰度”的標準。采用線上虛擬仿真和線下實驗教學相結合、基礎實驗和創新實驗相結合、單一學科實驗和交叉學科實驗相結合等形式，教學內容反映前沿性和時代性，教學形式體現先進性和互動性，使學習結果具有探究性和個性化，以期培養學生解決復雜問題的綜合能力，訓練學生的創造、評價和分析的高級思維[9-11]。

2 《飼料質量檢測》課程實驗教學的難點

飼料營養成分測定是揚州大學動物科學、水產養殖和草業科學專業本科生課程《飼料質量檢測》的重點內容，雖有對應的本科實驗教學課程，但往往只檢測一種或幾種飼料資源且不能評價該飼料資源在動物體內營養物質的吸收利用，使得飼料營養系統評定效果無法進行整體體現。為更好的貫徹國務院國發 〔2020〕 31 號文關于“促進畜牧業高質量發展的意見”的精神，以培養高素質農業人才為目的，通過牛飼料營養配比及其生產性能測定虛擬仿真試驗，可以克服實物試驗難開展的3 個難點：①大型綜合訓練難度大。肉牛或奶牛飼養過程復雜，受飼養階段、牛頭數和各營養指標含量限制，且飼養過程中涉及牛只價格高，裝備較多，同時實物實驗也具有一定危險性。②試驗操作不可逆。營養成分含量、飼喂階段、牛管理方式等類型復雜，實驗難度大；操作或管理不當引起肉牛肉質和奶牛產奶量變化大，實驗操作不可逆。③實物試驗成本高昂。泌乳奶牛價格高，場地需求大且用時長（歷時10 個月左右），操作成本高，運行困難，飼料攪拌機械種類多，人工費用高，場地建設費用高等。

3 《飼料質量檢測》課程虛擬仿真教學內容建設的必要性

根據教育部《教育信息化十年發展規劃（2011—2020 年）》的總體部署，以及《教育部辦公廳關于2017—2020 年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》的精神，通過虛擬仿真、融媒體、大數據等方式，可以使學生體驗科學研究的過程，激發學習興趣，強化科學探究意識，促進學習方式轉變，培養學生創新精神和實踐能力[12]，有利于學生適應現代農業和前沿發展的需要，著眼于提高新農科學子的科學素養[13]，構建“知識與技能”、“過程與方法”、“情感、態度、價值觀”相融合的課程目標體系。主要體現在：

（1）項目與理論課程的結合度高，緊貼農業生產前沿

牛飼料營養配比及其生產性能測定是《動物營養學》和《飼料學》的重要教學內容，項目實施將解決傳統實驗手段無法開展和有機銜接的教學問題。牛飼料營養配比及其生產性能測定虛擬仿真實驗有利于更深層次挖掘飼料資源，為畜禽日糧科學搭配提供可靠的依據，對提高畜牧養殖效率，實現養殖生產現代化、科學化具有舉足輕重的作用。

（2）在有限的資源與時間內，實現學生在虛擬環境下直面農業一線的實踐+實戰訓練，提高學生的實踐能力

通過虛擬仿真實訓方式，學生不必離開學校，無需額外的空間場地即能實現實訓教學。課程建設可以有效減少教學成本，提高學生學習效率，開拓學生視野，增強學生對現代農業畜牧業生產前沿認知。在理論教學中虛擬仿真實驗利用教學設計合理性通過仿真可全方位立體的角度向學生展示日常生活中難以接觸，無法還原和實現的內容。隨著現代信息技術的飛速發展，“互聯網+”和5G 時代的來臨，慕課、實景教學、3D虛擬仿真等教學方法應運而生[14-16]。

（3）教學與產業深度融合，項目基于科研教學模型，可用于產業指導

本項目的建設與應用可以讓更多含有動物科學專業的學校學生和從事農業生產的勞動者了解飼料營養配比等方面的基礎知識和實驗技能，普及畜牧知識，提高生產效率，推進精準扶貧工作的全方位落實。采用實景教學和虛擬仿真教學結合的方法，充分發揮學生的主觀能動性，提高學生的實踐動手能力和創新創業能力，使人才培養模式更利于滿足社會的現實需求，大學生畢業就業后能迅速融入和適應養殖業的實際生產，迅速成長為行業的中堅力量[17]。

4 《飼料質量檢測》課程虛擬仿真教學內容建設的目的性

牛飼料營養配比及其生產性能測定虛擬仿真實驗教學項目依托《飼料質量檢測》課程，利用已掌握《動物營養學》《飼料學》等知識，為學生專業必修課《飼料配方設計》提供實踐支撐。動物養分與飼料科學應用適應畜牧業和飼料工業發展的需要，重點是要加強飼料化學成分的分析，研究如何系統提高飼料養分和飼料資源（特別是能量和蛋白飼料）的利用率以及各成分間相互作用。本虛擬仿真實驗項目擬通過牛飼養流程中的關鍵營養指相關知識點、操作步驟及其相互作用等，使學生能夠系統了解牛飼養全過程飼料營養成分的變化，熟悉規模化牛飼養中營養指標的概念和操作流程，掌握關鍵營養指標的原理、檢測方法及其應用效果。使人才培養模式更利于滿足社會的現實需求，大學生畢業就業后能迅速融入和適應養殖業的實際生產，迅速成長為行業的中堅力量。實驗目的如下：①理解牛飼料各營養指標的檢測技術及其對生產性能變化影響，學生學習其基本概念、工作原理和工作流程。②掌握應用牛飼養過程中蛋白質指標、能量指標和纖維指標，學生學習牛飼養過程涉及飼料工作原理和操作方法。③促進學生對牛飼料營養需求的全過程理解，以及各個環節的作業目的和實施方法，提升崗位任職能力。

5 《飼料質量檢測》課程虛擬仿真教學內容建設的基本原理

在滿足虛擬仿真實訓系統使用要求的情況下，充分考慮系統的可用性、穩定性、可靠性，同時兼顧系統的先進性、兼容性、可擴展性。實驗的總體設計圍繞著3 個階段，分別是課程思政、奶牛飼料營養配比及測定和實驗報告及討論，其中主要部分是“認知、操作、探索”三個模塊。采用“通關式”的方法進行構建，即每一個模塊均需達到合格后方可進入下一個環節（圖1）。認知模塊是試驗前期所需要建設的重要環節，學生在認知模塊可以提前了解牛飼料重要營養指標的理論知識和操作規范。認知模塊通過視頻和圖文的形式演示牛飼料重要營養指標所涉及的實驗儀器和實驗操作，為后續的實驗打下理論基礎。操作模塊是牛飼料重要營養指標虛擬仿真的主體環節，也是項目交互體驗的主要環節。通過unity3D 軟件開發，將模型資源和動畫資源整合，學生按要求操作牛飼料重要營養指標作業流程，包括原料選擇、添加量、營養物質含量、生產性能測定、質量檢查與調節等，在試驗過程中軟件會給出提示引導學生正確操作，幫助學生順利完成試驗。探索模塊是試驗最終的考核環節，學生需要在牛場中選擇不同營養指標含量作業要求及相關性能參數，軟件根據數據推導，得出牛產奶量、乳蛋白、乳脂肪、凈能等實驗模擬數據，從而判斷學生對牛飼料營養作業的熟練度是否達標，以此作為實驗的考核與評價標準。

圖1 技術路線

6 《飼料質量檢測》課程虛擬仿真教學內容建設的創新性

6.1 先進性

飼料營養含量多樣、形態復雜，采用虛擬仿真技術能夠實現飼料樣品立體展示、動態展現，有助于學生的直觀、高效、全面的觀察，大幅提升教學效果，大量節約教學時間和成本。通過三維仿真技術，系統化的飼料營養評定虛擬仿真項目的建設，引領學生系統分析飼料原料各因素之間的區別與聯系，領悟真實背景下牛營養與飼養的關系，再現多種飼料原料配比營養成分不同對動物飼養影響的真實場景，彌補《飼料質量檢測》課程實踐教學各營養指標之間獨立分析的不足，具有開創動物飼料營養與規模化工廠飼養水平之間虛擬仿真實踐的先進意義。

6.2 示范性

牛飼料營養配比及其生產性能測定是動物成產中最為復雜、最難觀測的部分。通過本項目的成功實施，能夠為其他畜種的虛擬仿真實驗提供思路和技術借鑒。對參加實驗的學生全過程進行記錄，并隨時進行實驗指導，對于學生預習效果、實驗步驟以及實驗成績評價都具備完善的評價標準，提高評價的公正性。本平臺建立完善的反饋機制，對參加實驗學生各方面的建議、評價與反饋信息，進行全面系統的統計分析，為指導教師改進和完善實驗提供參考，提高教學效果。傳統教學模式只能面向在校的學生，社會上有需求的人士幾乎不可能接受到相關知識教育，因此采用虛擬仿真實驗教學方式，可全面向社會推廣示范，使企業受益。以前企業需要派送人員到學校里來學習，給企業和學校帶來諸多不便。該虛擬仿真實驗項目建設好后，可向社會相關企業進行推廣，企業可通過網絡在家或在企業就可以開展牛飼料營養配比及其生產性能測定檢測虛擬仿真實驗，為后期真實的養殖過程打下堅實的基礎[18]。

6.3 創新性

牛飼料營養配比及其生產性能測定虛擬仿真實驗實現了學生在操作過程中詳細學習飼料營養特點和形態特征、營養成分含量、動物飼養標準與動物飼養的同伸關系，能夠鞏固理論知識點甚至部分代替理論教學；學習評價單元實現了學生通過觀察飼料原料形態和單一飼料測定動物生產性能的能力，并對不同形態特征飼料營養配比進行診斷以判斷其影響動物發育的因素，并提出調控方法，能夠理論聯系實際，提升了發現問題、解決問題的實踐能力，培養學生的創新精神。

7 《飼料質量檢測》課程虛擬仿真教學內容建設的平臺化

揚州大學虛擬仿真教學管理平臺已具備管理與服務門戶、公共基礎數據管理、虛擬仿真教學資源管理、虛擬仿真教學裝備管理、虛擬仿真教學基礎條件管理、教學與教務管理、數據統計與可視化等功能模塊。通過該虛擬仿真教學管理平臺，教師能夠進行虛擬仿真教學過程的設計和實施；管理人員可對虛擬仿真教學資源的建設情況、學生在線學習情況進行監管、查詢和統計；學習者可完成虛擬仿真課程的學習過程，實現“教、管、學、考、評”一體化，為開展虛擬仿真教學提供保障[19]。借助人工智能、大數據技術、學習分析技術等，虛擬仿真教學管理平臺還可以提供實時智能答疑和互動，對學習數據進行分析，評定學習者的學習情況和學習難點，幫助教師提供更加精準的教學指導[20]，為培養復合型“新農科”人才提供有效途徑。

8 小結

《飼料質量檢測》課程增加虛擬仿真實驗教學內容，將彌補現有課程體系的不足，通過融合現代信息技術與教育技術，開展多學科知識體系交叉，優化教學內容和課程體系，創新現代教學模式，實現現階段高校專業人才培養的特點和能力素質要求。