基于“新農科”的動物科學類虛擬仿真實驗教學效果評價初探

馮 健,張 源,李官浩,金 鑫

(1.延邊大學農學院 吉林,延吉 133002; 2.東北寒區肉牛科技創新教育部工程研究中心 吉林,延吉 133002; 3.延邊大學醫學院 吉林,延吉 133002; 4.延邊大學實驗動物中心 吉林,延吉 133002)

進入新世紀以來,教育部針對新農業、新鄉村、新農民、新生態的特點,提出了加快新農科建設,為農業農村現代化提供強有力的人才和科技支撐。2019年6月,在教育部新農科建設組主辦的會議上,全國五十多所涉農高校共同發出了“安吉共識”,為新農科建設提出了新的發展理念和建設思路。之后,為了進一步深化高等農林教育改革,相關高校又提出了“北大倉行動”。2019年底新農科建設北京指南工作研討會召開,推動了高校新農科建設落地生根,發芽開花[1]。在新農科建設體系中,動物科學類相關專業是重要的組成部分。因此,在新農科背景下,探索課程體系建設、人才培養模式、教學效果提升等方面的新發展路徑和方法,是教學改革的重點內容。

在新農科背景下,動物科學類實驗課程在動物科學相關專業教學和人才培養過程中具有重要地位。隨著新農科對人才培養要求的不斷提高和評價標準的不斷細化,培養具有綜合素質和實踐能力的復合型、應用型人才以及加強產學研相結合的課程教學是當前動物科學本科教學的關鍵性因素[2]。動物科學專業的課程體系和應用前景決定了在新農科建設過程中,培養動物科學人才的實踐能力、創新能力等的重要意義。實驗教學是動物科學類課程中有效提升實踐應用能力、提高人才培養質量的關鍵[3]。當前部分高校動物科學專業教育實驗教學改革和發展過程中發現了許多問題,同時也遇到了一些“卡脖子”的瓶頸,影響了教學效果和人才培養。特別是傳統的動物科學專業實驗教學課程需要使用大量的實驗動物開展教學活動。然而受到經費、安全、實驗動物準備與管理、不能大量重復操作等因素的制約,教學效果受到了很大的影響[4]。

虛擬仿真技術作為目前課程教學改革的熱點,可通過計算機技術和網絡技術開發虛擬實驗組件,模擬和再現真實的實驗場景和過程實施教學[5]。在動物科學實驗教學中,通過虛擬現實與仿真領域(VR)、增強現實(AR)、混合現實(MR)、人工智能(AI)以及物聯網技術的綜合應用,可以推進現代信息技術與新農科教育實驗教學的深度融合,模擬呈現動物科學類實驗所需的設備、實驗工具及實驗動物等,3D顯示操作流程。在這一過程中,學生可以更好地了解并掌握實驗實訓中需要完成的任務,對課程的主要內容也能夠有更深層次的“感同身受”。特別是在以往一些實驗教學課程的開展過程中,學生對實踐操作有一定的陌生感,影響了實驗教學的成效。通過虛擬仿真技術平臺,學生可以先了解實驗操作的流程,理解實驗原理,熟悉實驗方法。這樣將來在具體工作實踐中,或者在實習見習過程中,就能夠做到理論與實踐的良好結合,避免了“眼高手低”的窘境。

作為國家第一批卓越農林人才教育培養計劃改革試點專業,延邊大學動物科學專業發揮自身特色優勢,積極致力于新農科背景下應用虛擬仿真技術實現動物科學類實驗教育教學改革發展。本研究以延邊的大學動物科學專業開設的動物科學類虛擬仿真實驗平臺教學為例,探究虛擬仿真技術在提升實驗教學效果方面的有益經驗,為培養復合型應用型創新農科人才提供借鑒依據。

1 新農科背景下動物科學類實驗教學的現狀

新時代高等教育發展要求產、學、研相結合,而實驗教學是三者結合中發展的橋梁和紐帶[6]。動物科學類實驗教學是培養學生實踐操作能力、創新思維能力、知識應用能力的有效手段。實驗教學中涉及的知識點多、重點難點多,一般需要學生通過反復實踐操作才能夠完全掌握相關內容。在以往的動物科學專業相關實驗教學中,為了讓更多的同學有機會親手實踐,需要準備大量的實驗動物,消耗大量的實驗試劑和耗材。許多高校在實驗教學過程中很難保障充足的實驗教學經費,同時近年來實驗動物價格日益增高、實驗試劑成本逐漸提升等,都制約了動物科學類實驗教學發展,也限制了學生的創新思維能力和動手操作能力的提升。在新農科背景下,動物科學專業教育改革對實驗教學提出了新的要求,但按照傳統模式進行動物科學類實驗教學,很難實現培養目標。雖然近年來一些企業和高校開發出一些實體仿真教具,但大多數仿真教具存在單價較高、訓練功能單一、實踐效果較差等問題。

2 虛擬仿真實驗教學體系優勢

2.1 虛擬仿真教學體系拓展教學空間

虛擬仿真技術應用于動物科學類實驗教學中,能夠進一步將傳統的教學空間從現實中拓印到網絡空間,從而避免了現實空間的束縛和條件的限制。特別是對于場地空間環境有限以及日常實驗教學經費緊缺的高校來說,通過虛擬仿真教學體系的建設,可以實現教學空間的擴大、教學內容的豐富、教學成本的降低、教學場景的多元、教學形式的創新等多重利好,值得推廣普及。同時,虛擬仿真實驗教學體系可以實現同一實驗的多次重復操作,為學生提供了更多更好的實驗訓練,克服了以往受經費所限,而不能多次重復練習的問題[7]。延邊大學動物科學專業在動物科學類實驗教學中使用虛擬仿真實驗平臺,采用三維仿真技術,所有的三維場景和動作均可以被操作者介入進行交互式操作,將傳統動物實驗無法展現的一些視角盲點,使用計算機圖形模擬技術通過軟件進行直觀呈現。虛擬仿真實驗教學系統支持VR端和PC端,既能降低學校的硬件成本,又能保證每個學生都有實訓操作的機會。學生進行虛擬動物實驗時無需消耗真實的實驗動物,虛擬仿真技術可將符合教學實踐要求的新的實驗設備“搬”進虛擬空間中,創造出先進的實驗條件,有利于學生開展探究性實驗,并通過多次反復練習來加深技能訓練成效。同時,虛擬仿真實驗教學可以不完全依賴于課程體系中的教學課時,在課余時間也可以向學生開發,同時也不需要專職教師或實驗技術人員在課余時間進行實驗工作準備和實驗后的整理工作,從而大大減輕了一線教師和實驗技術人員的工作負擔,為獲得良好的教學效果提供了保障。

2.2 虛擬仿真教學體系實現虛實交融

在傳統的教學模式中,班級是教學授課的基本形式。在同一班級的教學過程中,由于需要同時上課、同時結束,如果教學進度加快,可能導致部分后進同學有可能跟不上隊伍,而放慢教學進度,則會使部分先進同學感覺“吃不飽”。同時,傳統的課堂教學形式,主要是老師教授知識和進行實驗示范操作,學生只能先聽講再練習。這樣在具體操作的過程中,可能會遺忘一些關鍵步驟,導致實驗失敗或者未能獲取理想的實驗結果,進而導致實驗教學效果大打折扣。雖然教材和實驗指導書中對實驗步驟和過程都有詳細的描述,但是在具體操作過程中,學生對于生動的實驗演示的理解和領會程度是高于書面演示。所以,通過虛擬仿真實驗教學體系,學生可以在操作的過程中,隨時觀摩教學和演示,通過動態的畫面更好的記憶實驗過程與步驟,其效果遠超靜態的書面演示和一次性課堂教學演示。同時,對于比較復雜的實驗操作,學生可以反復觀摩、練習,這些都是傳統實驗教學方式無法實現的。而教師還可以通過實驗平臺的數據統計,了解學生對各部分知識與操作的掌握情況,從而更好的幫助學生解決難題,打通理論學習與實踐操作的壁壘,取得教與學雙贏的良好效果。

2.3 虛擬仿真教學體系強化應用能力

虛擬仿真實驗教學通過將虛擬現實、智能交互操作系統、大數據收集和數據庫整理分析等,將原來單一的實驗教學形式進行了極大的豐富和擴容。在具體的教學實踐過程中,以往受場地、設備、實驗耗材、實驗動物等限制,學生往往只能進行模仿性實驗或驗證性實驗,很難有機會進行創新性實驗和探索性實驗,這在很大程度上限制了實驗教學的效果。而通過虛擬仿真實驗教學平臺,將實驗場景、實驗設備等通過技術手段呈現在學生面前,學生在學習和掌握課程內的實驗技術操作以后,還可以進行探索性的實驗設計,并通過虛擬平臺模擬可能的實驗結果,大大激發了學生的學習熱情,提高了學生的學習興趣,更增強了學生的應用能力[8]。

3 虛擬仿真實驗教學成效探析

3.1 以虛補實,提升興趣

本研究對延邊大學農學院動物科學專業2019級學生進行了虛擬仿真實驗教學的課后調查,150名學生中90%贊同虛擬仿真實驗教學可以有效提升學習興趣(見表1)。虛擬仿真實驗教學能夠有效地將抽象的、不易直接觀察到的實驗場景真實的展現在學生的面前,較少學生對實驗學習的畏難情緒和對動手操作的抵觸情緒,提升學生對實驗學習的興趣。

表1 畜牧、獸醫類實驗虛擬仿真教學效果調查

3.2 虛實相生,強化能力

本研究的調查還發現,150名學生中認為虛擬仿真實驗教學能夠有效提升創新能力和思維的占絕大多數(93.33%,見表1),反映了虛擬仿真實驗在能力強化提升上的優勢。在實踐教學過程中,熟能生巧是一項重要的方式。傳統的教學方式很難實現每位學生都能親自上手實踐,而采用虛擬仿真實驗平臺以后,每位學生都可以親身實踐,并且可以多次、重復實踐,大大提升了動手操作能力。

3.3 教學相長,共同提高

虛擬仿真實驗教學不僅對學生有益,對于教師也有很大幫助。傳統的實驗教學需要教師做大量的實驗準備工作,在教學過程中還要時刻觀察學生的操作是否妥當,避免學生受到傷害。在教學成果檢查中往往只能通過現場操作觀察和實驗報告書寫等方式進行。通過虛擬仿真實驗,使教師從繁重的實驗準備過程中解脫出來,有更多的精力投入到教學過程中。同時教師通過虛擬仿真實驗教學平臺還可以更好的對學生的知識和能力掌握情況進行分析評價,教學相長,使教育教學更符合新農科發展的要求。

4 結語

作為落實新農科建設和教育教學改革的重要抓手和有效助力,虛擬仿真實驗在動物科學專業人才培養過程中發揮著關鍵作用[9]。動物科學類虛擬仿真實驗具有實時交互、全真模擬、反復實踐、多重評價等功能,對新農科背景下的動物科學專業教育教學改革發展和培養質量提升有著很好的促進作用[10]。然而在具體運用中,不能僅僅寄希望于虛擬仿真實驗可以“一招鮮,吃遍天[11,12]”,而是應當綜合應用教學方法、實踐理論和先進技術,統籌提升教學成效。