動物生產學虛擬仿真教學系統建設研究

摘"要：推動信息技術與高等教育深度融合，創新人才培養模式，成為現代教育事業發展的全新趨勢。為提高學生培養質量，基于動物科學專業及動物生產學教學的特點，將虛擬仿真教學技術引入動物生產學理論與實驗教學，構建動物生產學虛擬仿真教學系統：理論教學采用“互聯網+”智慧課堂模式；實驗教學采用“互聯網+”VR虛擬仿真模式，建立“實景+虛擬仿真”創新教學資源平臺；實習引入“互聯網+”產教融合模式。將有助于改善教學模式，促進“高等教育內涵式發展”，實現“以學生為中心”的教學理念。

關鍵詞：虛擬仿真技術；動物生產學；虛擬仿真教學系統；教學模式；人才培養

中圖分類號：G640"""文獻標志碼：A"""""文章編號：2096-000X（2025）01-0120-04

Abstract：Promotingthedeepintegrationofinformationtechnologyandhighereducation，innovatingtalentcultivationmodelshasbecomeanewtrendinthedevelopmentofmoderneducation.Inordertoimprovethequalityofstudenttraining，basedonthecharacteristicsofanimalscienceandtheteachingofanimalproductionscience，virtualsimulationteachingtechnologyisintroducedintothetheoreticalandexperimentalteachingofanimalproductionscience.Andavirtualsimulationteachingsystemofanimalproductionisconstructed：thetheoreticalteachingadoptsthe\"Internet+\"smartclassroommode;Theexperimentalteachingadoptsthe\"Internet+\"VRvirtualsimulationmode，andestablishesthe\"live+virtualsimulation\"innovativeteachingresourceplatform;Thepracticeintroducesthe\"Internet+\"integrationmodeofproductionandteaching.Thestudywillhelpimprovetheteachingmode，promotethe\"connotationbaseddevelopmentofhighereducation\"，andachievetheteachingconceptof\"student-centered\".

Keywords：virtualsimulationtechnology;animalproductionscience;virtualsimulationteachingsystem;teachingmode;talentcultivation

習近平總書記指出，必須把教育事業放在優先位置。其中，重點要放在教育方法、手段和模式的創新上，信息技術為現代教育跨越式發展帶來了新機遇。目前已基本實現“三全兩高一大”的發展目標：教學應用覆蓋全體教師、學習應用覆蓋全體適齡學生、數字校園建設覆蓋全體學校。在智慧教學改革研究方面，鼓勵學校試點建設一批虛擬教研室，以加強跨專業、跨學校、跨地域的教研交流，提升教師在信息化條件下的教學研究意識。

動物生產學包括牛羊生產學、禽生產學、豬生產學等，均為動物科學專業的核心課，要求掌握相關基本知識、操作技能，實驗課具有很強的實踐性和應用性，是培養學生動手能力、創新能力和良好素質的有力手段[1]。而目前國內院校動物生產學教學得不到足夠重視，教學現狀基本是重理論、輕實踐、“滿堂灌”的教學模式[2]，同時，由于實驗動物、教學場地的缺失，動物生產實驗教學內容和教學手段相對落后，知識體系連貫性差；考核方式死板、學生積極性不高。針對這種現狀，將虛擬仿真技術應用于動物生產學教學與實踐，建立課程虛擬仿真教學資源對人才培養意義深遠。

一"虛擬仿真技術加快動物生產學課程體系升級

推動信息技術與高等教育深度融合，創新人才培養模式，促進高校教學信息化的創建成為目前教育事業發展的全新趨勢[3]。教學信息化能夠有效實現教學資源管理工作信息化，以此為高校教學工作提供了更加方便的工作平臺。隨著現代科技的迅猛發展、計算機多媒體技術的推廣和普及以及教學理念和方法的更新，不斷涌現出各種新的教學手段，虛擬仿真技術作為一種全新的教學媒體開始出現在教育教學領域。

2013年教育部發布了《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》[4]，指出提高實驗教學水平，深化教學知識體系融合，突破實驗教學中成本高、周期長、時空局限等因素的限制。虛擬仿真技術可提高學生思維的跳躍性，培養學生自主學習及實踐能力。虛擬仿真技術教學綜合運用虛擬現實、人機交互等多種信息技術，通過虛擬技術模擬構建一個可視化的實驗操作環境，形成了一個優于傳統教學方法的實驗教學平臺，使學生能在虛擬、自主的實驗環境中開展高效、安全的實驗，實現了在真實實驗情況下不具備或難于達到的教學效果[5-8]。

虛擬仿真具有沉浸性、交互性、虛幻性及逼真性，正在發展成為人類認識、改造和創造客觀世界的一項通用性技術[9]，為我們帶來了全新的教學理念和教學模式，使教學和實驗、實訓手段產生了革命性的變化[10]。虛擬仿真技術在信息化教學中的應用，創新了信息化教學模式——虛擬化教學模式。學生可自主探究、發現學習，學生在接近真實的環境中發現、解決問題，能夠有效培養學生的發散性、創新性思維。3D虛擬仿真技術在信息化教學模式中的應用，使得現代信息技術教學模式更加豐富，在信息化教學中發揮重要的作用。教師將3D虛擬仿真技術融合于信息化教學中，可以利用3D虛擬仿真技術來構建一個虛擬空間，讓學生于生產場區漫游，掌握實踐生產流程，提高其認知能力，幫助學生探索新知、感受未知，提升其學習興趣，有效促進信息化教學的效果[11-13]。

此外，虛擬仿真技術創新了信息化教學模式，轉變了傳統課堂的教學模式。特別是微課、微視頻等現代信息技術、資源的運用，促進了課堂教學模式的發展。而虛擬仿真技術在信息化教學中的應用，可結合具體的知識點建設微視頻資源，就一個復雜知識點進行模擬分析，將其利用于課堂教學模式中。不僅能刺激學生的求知欲，更可增強學生的學習興趣，突破學生技能學習在時間與空間上的限制，達到信息化教學改革的目標，促進學生的全面、全方位發展。虛擬仿真技術的應用對于營造創新型人才培養環境，激發學生學習動力等方面意義重大，將有效提高學生的實驗技能，使抽象枯燥的課堂理論教學結合生動的實際生產過程，讓學生在快樂中學習知識，開拓視野，增強教學效果，提高學生的素質，培養有知識、重實踐的社會主義現代化建設新型人才，同時使學科得到發展。同時，將為高校提供低成本、高效率的教學實驗手段，為本科教育帶來了全新的教學理念和教學模式。

在教育與技術飛躍發展的今天，傳統的教學方法已不能滿足當代教育的需求，在課堂講授過程中合理地運用實驗教學方法能很好地彌補傳統教學方法的不足。動物生產學作為農業大學動物科學專業學生必修課，是動物科學專業的核心課程，教學大綱要求掌握相關基本知識、操作技能以及新的養殖技術，尤其是實驗課具有很強的實踐性和應用性，是課程體系的重要組成部分。作為培養學生動手能力、創新能力和良好素質的有力手段，對教學內容和教學方法有很高的要求，對將來從事畜牧業生產的學生來說是實踐性很強的課程。

目前，動物科學專業本科“3+1”人才培養模式在各個院校廣泛應用，加大了實驗基地的建設力度，但仍存在以下問題：首先，教材知識滯后、理論教學與實際生產脫節，并沒有真正接觸生產實踐，對生產實際的認識只是停留在課本的概念上，難以多維度、全方位對真正的動物生產形成完整的概念，影響了教學效果，也阻礙了學生的就業和事業的發展。其次，目前動物科學專業教材較多偏重理論知識，實踐內容較少，且教材更新速度較慢，最新的研究成果、方法技術和實際案例并未及時體現在教材中，導致學生理論知識較多而實踐應用能力不足，不能滿足現代畜牧業對掌握前沿技術和生產的高級人才的迫切需求。

虛擬現實仿真平臺，具有強大的實時功能，能夠真實模擬生產過程，提供多種交互手段。將3D虛擬仿真技術引入動物生產學教學，運用實驗手段提高課堂教學的有效性，為理論教學帶來仿真手段和技術實現水平的革命性進步。必將提高教學實踐效果，調動學生學習的積極性，在學生科學素養和能力培養中起到了積極作用。對于全面貫徹落實黨的教育方針，發展素質教育，培養適應社會發展需要的動物科學高素質專業人才，也是大勢所趨。

3D虛擬仿真技術引入動物生產學的教學，創新了信息化教學模式。運用實驗手段提高課堂理論教學的有效性，創新教學方法，建立了理論聯系實際的新型教學模式。課堂理論教學的同時加入企業的實際案例分析，把枯燥的理論變為鮮活影像，加快理解和吸收；該體系運用了虛擬化教學模式。通過虛擬技術平臺，增加信息輸入渠道和方式，把抽象的理論結合形象化的信息，增強理解和記憶。納入現代通信的技術，通過3D虛擬技術平臺，把生產實際應用于課堂教學，將大大增加形象性和說服力，增強教學效果，提高本科教學水平。

二"動物生產學虛擬仿真技術教學體系構建

通過3D虛擬仿真技術等現代科技手段構建教學新系統，構建新的學習評價系統，從而改善課堂教學模式，豐富教學內容，改進教學效果，以提高教育現代化水平，培養高素質的專業人才，促進“高等教育內涵式發展”。

以高校動物生產學教學需求為導向，聚焦高等教育高質量發展的迫切需要，深入探索“動物生產學科領域知識圖譜的自適應學習研究型”智慧化教育教學改革，現就動物生產學3D虛擬仿真教學體系的總結如下。

（一）"理論教學采用“互聯網+”智慧課堂模式

動物生產學借助“一平三端智慧教學系統”可以實施線上線下教學，進而開展翻轉課堂，形成混合式教學模式，由此彌補傳統線下課堂教學的不足。其中，“一平三端”指“互聯網云平臺”“移動端、教室端和管理端”。“一平三端智慧教學系統”是一個貫穿教學各環節，教學數據整體融會貫通的全過程教學系統。

教師可在“云平臺”備課，學生則在“云平臺”進行學習；教師利用“移動端”課堂備課，學生可在“移動端”拓展知識、交流共享；在“教室端”，教師在講解動物生產理論課時，遇到不易描述的細節內容，可通過互聯網調出動物生產企業生產和管理的視頻信息，有針對性地形象解釋其結構、功能、運行等具體細節。使遠程和近程“合體”，理論和實踐“結合”，抽象與具體“相融”，構建“全息”教學系統，加快學生的理解，增強課堂教學效果。最后所有數據匯集到“管理端”，管理者通過多終端實現監控、聽評課、診改，所有的教、學、診等數據傳輸給網絡平臺進行分析，形成大數據，最終構建成為智慧教學系統，為教學質量和人才培養的質量提升提供保障。

課程組與現代化養殖企業：河南花花牛畜牧科技有限公司、洛陽龍須坡農牧有限公司等建立信息共享，構建動物生產學教學共享新系統；通過互聯網調入企業生產視頻信息，結合實際案例分析，服務教學。通過合理的協調、統籌和管理，使某一個區域內的實驗室及其所屬資源得到最優化的利用。在“互聯網+”背景下，牧原、正大、花花牛等企業的生產場房均安裝了監控視頻，這些視頻可以使企業的管理者實時掌握生產一線的動態信息，隨時觀察動物的采食、活動和生產狀況，保證動物健康和產品質量安全。以保持企業生產的規范性、穩定性和可追溯性，提高管理效率。合作企業有各種生產監控設備和數據交換機，具備共享的條件，項目組通過共享其IP地址，可獲取其視頻資料，為高校教學服務。“教室端”老師在講授動物生產學課程時引入企業生產一線視頻。較高的參與度和鮮活的生產場面，使學生對畜舍結構、飼料配制、機械上料、飼養管理和清糞處理等生產管理一目了然，同時對養殖業的認識有很大的改觀，增加了學習的維度，擺脫了枯燥乏味的理論講授方式，結合生產實際，印象深刻。通過該方法既學了知識，又激發了學生們的創造性思維，提升了教學效果，提高了動物科學專業學生的專業認可度。

（二）"實驗教學采用“互聯網+”VR虛擬仿真模式

將3D虛擬仿真技術引入動物生產學的教學，創新信息化教學模式——虛擬化教學模式。運用實驗手段提高課堂理論教學的有效性，創新教學方法，建立了理論聯系實際的新型教學模式。利用物聯網、大數據、云計算等信息技術，建立“實景+虛擬仿真”創新教學資源平臺，包括實景系統、虛擬仿真系統和教學培訓系統。采用1+N+M，1就是建設一個校級動物生產學虛擬仿真實驗教學項目展示平臺，N代表N個動物科學專業課程開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺軟件，M指學院建設M個制作精良、功能豐富的高品質虛擬仿真實驗教學項目。

虛擬仿真實驗教學新模式圍繞著畜禽現代化大規模健康養殖構建智慧牧場虛擬仿真平臺，圍繞現代化牧場設計、生產過程管理、糞污處理與監測、選種選配和生產性能測定等指標、項目展開，同時配套牛場、雞場等養殖場遠程視頻教學平臺。涉及動物生產學理論課程及其相關的實驗實習項目，建立從書本理論知識學習到農事訓練實踐、基礎驗證實驗到專業技能、模擬的仿真實驗到創新的專業仿真綜合實訓三個實驗層次，形成金字塔型虛擬仿真實驗教學體系，涵蓋了動物科學專業學科和實踐領域，解決了現場實驗不具備或難于完成的教學內容，使成本高、消耗高的項目得以可靠、安全的開展。

對家畜繁殖育種、生產管理、營養代謝等具有一定規模、復雜的實驗；概率較低、偶然接觸到的內容；復雜事物的變化過程，構建以虛擬仿真技術為主的生物仿真引擎、3D仿真數據庫、虛擬環境界面和網絡化平臺等幾部分組成的動物生產學虛擬實驗室，應用于動物生產學實驗教學，包括：①建立動物生產企業虛擬環境界面，讓學生對養殖場整個生產過程、操作過程有詳盡的學習，開展場區設計、群體周轉計劃制訂、生產成本核算等綜合實驗。②構建動物生產仿真數據庫，完成整個生產期的周轉計劃。③建立生物仿真引擎，開展動物的發情鑒定、人工授精、胚胎發育等仿真實驗。④構建動物生產的營養攝入、生理指標及生產性能等仿真數據庫，綜合分析，完成生產的預警系統及營養診斷。

通過該虛擬仿真實驗教學模式，很好地實現了校內外、本地區及更廣范圍內的實驗教學資源共享，滿足動物科學專業虛擬仿真實驗教學的需求。從實驗項目信息維護、實驗指導教師設置，到實驗收費、實驗智能指導，涵蓋實驗項目開放共享使用的全過程，能夠為實驗項目提供全面共享環境和平臺，提高學校、專業、學科知名度。

（三）"本科實習引入“互聯網+”產教融合模式

建立起資源可以共享、優勢相互補充的校企合作智慧型畜牧業產教融合的人才培訓體系，加強學生在智能設備應用方面的實踐能力培養。組織學生到配備有智能化養殖設備的養殖企業進行實驗、參觀學習，了解其環境監測系統如何監測圈舍環境，包括空氣濕度、溫度、有害氣體含量等指標，智能聯動系統如何實現自動調整圈舍中畜禽生長環境，疫病監測預警系統如何實現對動物疫病進行監測預警和治療，如何根據畜禽生長情況進行自動飼喂等實際養殖生產過程。通過多樣化、綜合化的智慧養殖設備用戶體驗，讓學生置身其中、實際體驗智能設備是如何在養殖生產過程中應用與操作的，進而激發學生對智慧養殖的求知欲與積極性。通過感知體驗與動手實踐相結合，既可增進學生對智能化設備的認知，又能提高其綜合操作能力，為他們今后實際從事智慧畜牧養殖工作奠定良好的基礎。

綜上，動物生產學虛擬仿真教學體系從“可視化”“動態化”的角度，利用先進的計算機虛擬技術和仿真軟件、虛擬現實、仿真教具等現代化信息技術手段，彌補了傳統實驗的缺陷，擴展了實驗教學內容，提高了教學效果。促進動物科學專業課程教學體系在“互聯網+”高等教育背景下的智慧教學改革，積極探索線上教學和線下教學相結合的智能化、個性化的理論教學和實驗教學新模式，形成專業布局合理、教學效果優良的以“動物生產學科領域知識圖譜的自適應學習研究型”為主線的新型智慧教學體系。

三"虛擬仿真教學研究進一步發展方向

雖智慧課堂教學實施已久，但真正在本科課堂實施，除虛擬仿真教學資源建設外，尚需校、院及教師等多方努力：首先，教學單位升級改造智慧教室，引入多元化、動態化、綜合化的教學效果評價體系，包括開展智慧教學研究和組織學術活動，師資隊伍的培養提高等，全面推進智慧教學落地落細。其次，授課教師在教學設計、教學實施及教學評價中體現智慧教學的理念，不斷提高智慧教學水平、改進智慧教學手段和能力。

四"結束語

虛擬現實技術可將動物生產中長期、復雜或微觀的場景進行虛擬展示和虛擬復原，實現資源共享。隨著虛實結合教學手段的有機結合、智慧教學硬件升級及智慧教學體系的升級完善，授課教師信息化教學意識及智慧教學研究水平的提升，可達到知識、能力及素養的有機融合，培養學生解決復雜實際問題的綜合能力和高級思維的總體目標。實現虛擬仿真實驗的高階性、創新性與挑戰度，緊扣建設高質量教育體系，有效助力“四新”建設。

參考文獻：

[1]劉安芳，肖文川，王飛，等.論四階段教學法在《動物生產學》中的應用[J].四川畜牧獸醫學院學報，2006，16（2）：73-76.

[2]李淑紅，王京仁，成鋼，等.專題式教學結合網絡多媒體在《動物生產學》教學中的應用[J].家畜生態學報，2013，34（3）：94-96.

[3]教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）[EB/OL]．（2012-03-13）．http：//www．moe．gov．cn/ewebeditor/uploadfile/2012/03/29/20120329140800968．doc．

[4]關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知（教高司函〔2013〕94號）[EB/OL]．（2013-08-13）.http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/201308/t20130821_156121.html.

[5]李平，毛昌杰，徐進．開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設，提高高校實驗教學信息化水平[J]．實驗室研究與探索，2013，32（11）：5-8．

[6]王芳，李濱，郭興啟．農業生物學實驗教學中心網絡信息化平臺系統的構建[J]．高等農業教育，2008（4）：57-59．

[7]王衛國．虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J]．實驗室研究與探索，2013（12）：5-8．

[8]鄭小東，溫海深，黃六一，等.“雙一流”背景下的水產科學虛擬仿真實驗教學資源建設[J].高等農業教育，2019（5）：60-64.

[9]許麗，王鴻鵬，劉覺曉，等．面向虛擬仿真實驗教學的高校公共實驗室研究[J]．實驗技術與管理，2019（11）：262-265，269．

[10]仵光宇．基于RTDS的微網數字仿真平臺研究[D]．天津：天津大學，2013．

[11]田曙堅，王巖，徐金榮．實驗教學中心信息化建設的認識與探索[J]．實驗室研究與探索，2010（9）：92-94．

[12]魯立．網絡虛擬仿真實驗平臺的構建[J]．電腦知識與技術，2012（27）：6530-6533．

[13]夏爽，李松峰，黃娜．3D解剖結構教學模型在人體解剖實驗教學中的研究[J]．中國繼續醫學教育，2016（8）：16-17．

基金項目：教育部產學合作協同育人項目“新農科背景下動物生產學課程群虛擬現實課程體系構建與發展應用”（220502331041414）；河南省本科高校課程思政樣板課程“《牛生產學》”（教高〔2022〕400號）；河南農業大學一流課程“《牛生產學》課程思政示范課”（22XM0199）

第一作者簡介：廉紅霞（1977-），女，漢族，河南焦作人，博士，副教授，碩士研究生導師。研究方向為草食動物營養。

*通信作者：孫宇（1977-），男，漢族，河南尉氏人，博士，正高級實驗師。研究方向為動物生產。