基于虛擬仿真技術的農業生產類課程教學模式構建與實踐

摘" 要：虛擬仿真技術可模擬農業生產真實環境，可有效解決農業類課程教學過程中時間跨度長、空間需求大或資源消耗高等痛點問題，在農業種植類課程中展現出顯著效果。為進一步發揮虛擬仿真技術在農業類課程教學中的應用效果，通過合理構建基于虛擬仿真技術的農業種植類課程教學模式，強調“虛實”結合的原則，設計“吸引、探究、解析和反思”4個關鍵教學環節，建立基于虛擬仿真技術的農業生產類課程教學模式，并以虛擬仿真技術在蔬菜生長管理、無土栽培等方面的應用優勢為例提出與之匹配的考核機制、考核內容和方式等，提升農業類課程的實驗教學質量和水平。

關鍵詞：農業生產類課程；虛擬仿真技術；教學模式；構建；實踐應用

中圖分類號：G640" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2025）07-0029-05

Abstract： Virtual simulation technology can simulate the real environment of agricultural production and effectively address the pain points in agricultural course teaching， such as long time span， large space requirements， or high resource consumption. It has shown significant effects in agricultural planting courses. To further enhance the application effectiveness of virtual simulation technology in agricultural course teaching， this paper constructs a teaching model for agricultural planting courses based on virtual simulation technology， emphasizing the principle of \"virtual-reality integration\". It designs four key teaching stages： \"engagement， exploration， analysis， and reflection\"， and establishes a teaching model for agricultural production courses based on virtual simulation technology. Taking the application advantages of virtual simulation technology in vegetable growth management and soil-free cultivation as examples， this paper proposes corresponding assessment mechanisms， content， and methods to improve the quality and level of experimental teaching in agricultural courses.

虛擬仿真技術在教學領域的應用是教育創新的重要方向，突破了傳統教學方法在實驗條件、設備成本和安全風險等方面的限制，為學生提供了豐富的實踐機會。虛擬仿真技術改變傳統教學環境，滿足學生學習需求，同時實現師生“雙向式”交互學習，充分發揮學生主觀能動性，轉變“填鴨式”傳統教學模式，極大地提高學生的學習興趣，增強教學效果[1]。通過虛擬和現實的混合式教學，為高等職業教育提供了全新的教學方式，有效提高課程的教學效果。虛擬仿真技術通過減少實驗材料的消耗和降低實驗成本，提高了教學資源的利用效率，虛擬仿真技術在教學中的應用不僅提升了教學質量，推動了教育創新，還實現了教育資源的優化配置，對教育現代化具有重要的推動作用。

1" 課程教學引入虛擬仿真技術的必要性

虛擬仿真技術作為一種教學工具，可模擬真實的實驗環境和操作過程，為學生提供更多實踐機會，虛擬仿真技術能夠提高學生的學習興趣，培養實踐能力和解決問題的能力。傅松橋等[2]通過在動力電池類課程中引入虛擬仿真技術，在工程教育中，虛擬仿真技術用于模擬復雜的工程操作，提高學生的實踐操作能力和問題解決能力。在醫學教育中，虛擬仿真技術被用來模擬手術操作和臨床診斷過程，提高學生的臨床思維和操作技能。王穎等[1]的研究顯示，虛擬仿真技術聯合雨課堂在腸造口護理實踐教學中的應用，顯著提高了學生的護理操作技能。在思政課和跨文化交際等人文社科課程中，虛擬仿真技術通過模擬真實情境，增強了教學互動性和學生的參與感[3]，虛擬仿真技術在思政課實踐教學中的應用，提高了學生的參與度和教學效果[4]。

虛擬仿真技術在教學中的應用維度廣泛，涵蓋從自然科學到社會科學的多個領域。在化學、物理等實驗性較強的自然科學領域，虛擬仿真技術能夠提供安全的實驗環境，降低實驗成本，同時增加實驗的可操作性。虛擬仿真技術靈活性大、功能強及成本低，教師合理地應用虛擬仿真技術到課程設計、教學方法當中，能夠有效提高教學效率及教學質量[5]。在思政課中的應用研究顯示，通過模擬真實情境，虛擬仿真技術能夠提供更加直觀和互動的學習體驗，激發學生的學習興趣，增強學習體驗[6]。在物理化學實驗教學中的應用提高教學效率[7]。在跨文化交際課程中的應用虛擬仿真技術使得教師能夠更有效地組織和實施教學活動，提高教學的效率和質量，為學生提供了實踐操作的平臺，有助于培養其實踐能力和創新能力，促進學生能力培養[8]。

虛擬仿真技術為資源匱乏地區的學生提供了更多的學習機會，有助于縮小教育差距，擴展了學生的學習資源[9]。虛擬仿真技術的應用推動了教學方法的改革，使得教學更加注重學生的主動參與和實踐操作[10]，學生在不造成實際損失的情況下進行嘗試和犯錯；它允許多次訪問，不受地理位置和氣候條件的限制，增加了學習的靈活性。

2" 虛擬仿真技術在農業種植類課程教學中的應用效果

虛擬仿真在農業類實訓教學中有效地解決“三高三難”即“高投入、高難度、高風險，難實施、難觀摩、難再現”等痛點和難點問題。施祝斌[11]強調在虛擬仿真資源建設中的重要性。虛擬仿真技術提供了一個安全、可控的環境，學生可以通過交互式的模擬操作，如虛擬的農業機械操作、作物種植和病蟲害管理等，來提高他們的實踐技能。這種學習方式不僅增加了學習的互動性和趣味性，而且允許學生在沒有風險的情況下犯錯并從中學習。例如，通過智慧農業虛擬仿真技術，學生可以實時監控作物狀況、優化資源利用和自動化任務，使他們能夠做出數據驅動的決策。華南農業大學校級虛擬仿真實驗教學管理平臺通過虛擬仿真實驗教學課程建設與共享應用規范，推動建立虛擬仿真實驗教學項目在內容建設、教學實踐與效果、服務質量等方面的技術評價體系。西北農林科技大學開發的“蔬菜水培種植仿真綜合實驗”通過虛擬仿真技術模擬了水培這一無土栽培方法的全過程，包括水培設施的選擇與組裝、營養液的配制與管理、水培蔬菜的植株調整管理等，學生通過虛擬平臺進行實驗，解決實際種植周期長和實驗場地要求高的難題，同時培養學生的觀察和分析問題的能力。遼寧農業職業技術學院現代牧業職業教育示范性虛擬仿真實訓基地中，通過“一平臺四中心”的格局與真實實訓室有效融合，打造了虛實結合的虛擬仿真實訓基地，充分發揮了虛擬仿真技術應用的示范引領作用。虛擬仿真環境允許學生和教師重復進行實驗和操作，直到他們完全掌握技能。虛擬環境可以被設置成不同的條件和場景，使得教學內容可以被靈活地再現。在農業機械類的實訓教學中，虛擬仿真技術可以模擬各種農業機械的操作，如拖拉機、收割機等，讓學生在沒有風險的情況下掌握操作技能，這種訓練方式不僅提高安全性，還允許學生在不同的虛擬環境中練習，提高其適應性和技能水平；通過機械操作虛擬仿真，學生可以學習如何操作各種農業機械，如駕駛拖拉機進行耕作、使用收割機收割作物等，可以通過應急操作訓練模擬緊急情況如農業機械故障或田間突發事件，來學習如何應對和解決這些問題。在農業生產的實訓教學中，虛擬仿真技術模擬農業生產的全過程包括耕種、施肥、灌溉、病蟲害防治等，幫助學生理解農業生產的各個環節，幫助學生在沒有實際操作的情況下，掌握農業生產的關鍵技術和管理方法。通過模擬農業生產的全過程，學生可以了解每個環節的重要性和相互之間的關系，如播種、施肥、灌溉和收獲的時間和方法。同時，通過虛擬仿真環境進行如作物輪作規劃、水資源管理等農業管理決策的制定并立即看到決策的結果，從而提高決策能力。

3" 基于虛擬仿真技術的農業種植類課程教學模式構建與實踐應用

3.1" 教學模式的構建

將虛擬現實技術和傳統的教學模式結合起來，實現虛擬和真實的混合式教學，可為高職院校的專業核心課程提供一種全新的教學方式，但是要堅持以“能實不虛、虛實結合、以虛促實、以實補虛”為原則構建虛擬仿真實驗教學模式。以農業生產類課程為例，農業生產中，許多實訓涉及作物生長、土壤養分分析、病蟲害診斷等關鍵領域，虛擬仿真技術能夠模擬出高度精確的實驗環境，確保學生在不受外界干擾的情況下，獲取到準確的實驗結果，某些如大規模農田灌溉模擬、長時間作物生長周期觀察等，由于時間跨度長、空間需求大或資源消耗高，難以在實際教學環境中開展。通過虛擬仿真技術，可以突破這些限制，讓學生在虛擬環境中進行實驗操作，既節省了時間和資源，又保證了實驗的可行性和安全性。農業生產中的許多生理機制和生化過程，如光合作用、營養吸收與轉運等，都是抽象且復雜的。虛擬仿真技術可以通過三維模型、動畫演示等方式，直觀地展示這些過程，幫助學生更好地理解和掌握實驗原理。虛擬仿真技術在農業生產類課程中的應用，能夠解決大多數農業生產項目實驗精度要求高、實際實驗條件限制、實驗原理抽象復雜理解困難等問題。

基于虛擬仿真技術的農業種植類課程教學模式構建，通過設計吸引環節（問題導入）、探究環節（操作教學）、解析環節（自評互評）和反思環節4個關鍵環節，形成了較為全面、系統的教學體系?；谔摂M仿真技術可以構建遞進式的實驗教學體系，借助動畫技術，能夠精準模擬和展示實訓過程中的各種變化，使學生在虛擬環境中學習并掌握相關知識[12]。最終達成培養學生“團隊協作與創新實踐能力”“觀察和分析問題的能力”。在實施虛擬仿真學習過程中，我們可先通過介紹仿真環境、分配學習資源、設定學習任務做好教學前準備，通過組織談論交流、提供實施反饋、監控學習進度，具體如圖1所示。

3.2" 教學模式的實踐應用

以蔬菜生產技術課程教學為例，設計“虛擬仿真技術應用于蔬菜生長管理”任務時，通過實時圖像與視頻監控，反映蔬菜生產的實時狀態，既可直觀反映蔬菜的動態生長長勢，也可以側面反映蔬菜生長的整體狀態及營養水平。課前定義學習目標時，可設計通過模擬不同的環境條件如氣候和土壤，來觀察這些因素對蔬菜生長的影響；通過設計病蟲害進行模擬防治，以評估不同措施的效果；記錄和分析生長數據，以便更好地理解作物生長的規律；通過軟件提供的優化建議調整種植策略；虛擬仿真技術可以創建一個模擬的農業環境，讓學生能夠進行各種實驗而無需擔心材料的浪費或環境的破壞，利用軟件內置的培訓資源進行學習，有效地利用虛擬仿真技術進行蔬菜生長管理。通過分配不同的學習任務，學生可以在虛擬環境中對作物種植、土壤分析、病蟲害管理、數據記錄和決策等蔬菜的生長長勢進行動態管理，通過三維建模和虛擬現實技術，學生還可以探索不同的農業生態環境，如不同的土壤類型、氣候條件等，有效解決農業生產過程中實訓資源不足、種植周期長的問題，同時通過模擬不同種植場景，有效提高學生的農業種植與管理的技能能力。通過這種方式，學生可以在沒有風險的情況下犯錯并從中學習，同時節約了成本和資源。

虛擬仿真技術在蔬菜生長管理中應用的優勢是提供一個安全、可控的學習環境，讓學生或農業生產從業者能夠在沒有風險的情況下進行實踐操作；通過模擬提高操作的效率和準確性，降低實際種植中的風險和成本；虛擬仿真技術提供實時監控和反饋機制有助于及時調整管理策略；通過數據記錄和分析，為科學決策、個性化學習和跨地域的學習體驗提供支持，使學習更加靈活和深入，使得虛擬仿真技術成為農業教育和生產中不可或缺的工具。

以蔬菜生產技術課程教學為例，設計“虛擬仿真技術應用于蔬菜無土栽培”任務的優勢在于提供了一個安全且成本效益高的實踐平臺，通過重復實驗和即時反饋，加深了學生對無土栽培技術的理解；軟件的交互式學習環境提高了學生的參與度和興趣；詳細的數據分析幫助學生和教育工作者評估不同的栽培策略，提升教學質量和學習效果。在蔬菜生長無土栽培的虛擬仿真軟件中，應用技巧主要包括：利用軟件進行環境條件模擬如調整光照、溫度和濕度，以研究這些因素對蔬菜生長的影響；進行營養液的配制和管理，通過調整營養液的成分和濃度來滿足不同蔬菜的生長需求；模擬植株管理操作如修剪和整形，以優化作物生長；實踐病蟲害的識別和防治策略，提高對作物保護的理解和技能；記錄和分析生長數據，使用軟件內的工具來追蹤蔬菜生長趨勢和環境變化。

3.3" 教學考核機制

如何評價虛擬仿真技術的教學效果，是教育研究者和實踐者需要關注的問題。傳統課程考核成績根據學生上課學習紀律、參與課堂討論、回答問題、完成作業、實驗實訓、實驗實訓報告和期末考核等進行綜合評定。研究表明，虛擬仿真技術能夠提高學生的理論和操作考核成績，提高學生的學習成效[1]。以蔬菜生產技術課程教學“蔬菜嫁接技術水平”任務為例，基于虛擬仿真平臺創新評估各項考核的得分，由系統或專業裁判根據學生在虛擬仿真平臺上的表現進行打分或計算，評估標準通常包括嫁接速度、工具消毒、砧木處理、接穗處理、接合固定和工位整理等。通過這些方法和標準，可以全面、客觀地評估學生的嫁接技術水平等，學生考核的總分計算是由各項考核得分相加得出，在虛擬仿真平臺中，系統可自動計算并顯示學生的總分數，以便進行快速反饋和評估。對于“虛實”結合的實驗，根據學生的實操熟練程度給予分數評定。

3.4" 考核方式與考核內容

3.4.1" 理論知識

考核學生對嫁接技術理論知識的掌握程度，包括嫁接的定義、目的、方法、嫁接成功的條件、嫁接后的管理等，考核表單見表1。

3.4.2" 虛擬操作技能考核

評估學生在實際操作中的表現，包括嫁接前的準備工作、嫁接過程中的技術操作、嫁接后管理等。具體可以通過模擬嫁接比賽現場，按照規定的時間內完成嫁接任務，并由專業裁判進行評分，考核表見表2。

3.4.3" 虛擬嫁接速度與效率考核

在規定的時間內完成嫁接操作的速度和效率，包括嫁接的準備、操作和清理工作，考核表見表3。

3.4.4" 虛擬嫁接效果評估

嫁接后植株的成活率是評估嫁接技術的重要指標，可以通過一段時間的觀察和統計得出。評估學生創新能力，在嫁接過程中是否有創新的方法或技術，以及是否能夠解決實際問題，考核表見表4。

3.4.5" 安全意識與規范操作考核

在操作過程中是否遵循安全規程，是否正確使用工具和材料，考核表見表5。

4" 結束語

虛擬仿真技術在農業類課程教學中的應用具有廣闊的前景和重要的意義?！疤撆c實”的結合能夠突破傳統農業類課程教學過程中的不足，豐富傳統農業類課程教學形式，激發學生學習的興趣，提高教師教學效率和學生的學習效果；同時通過虛擬仿真的資源共享，促進教育資源的與時俱進與創新，推進教師教學方法的改革。但是為了讓虛擬仿真技術的應用更好服務農業類課程，還需要不斷加強提升教師的數字素養，解決技術融合、資源建設和教學效果評估等挑戰，進一步探索這些問題的解決方案，以促進虛擬仿真技術在農業類課程教學中的廣泛應用，為培養信息化時代背景下高素質高技能的農業人才奠定堅實基礎。

參考文獻：

[1] 王穎，田建麗，焦亞輝，等.虛擬仿真技術聯合雨課堂在腸造口護理實踐教學中的應用[J].護理學雜志，2024，39（2）：83-86.

[2] 傅松橋，常建娥.虛擬仿真技術在動力電池類課程教學中的應用[J].電池，2024，54（3）：435-437.

[3] 曹青云，部凡.虛擬仿真技術賦能思政課教學的實踐進路[J].貴州師范大學學報（社會科學版），2023（5）：43-53.

[4] 楊敬輝，徐紅.虛擬仿真技術在高校思政課實踐教學中的應用[J].中學政治教學參考，2022（48）：63-66.

[5] 周珊.Multisim10仿真在電力電子技術課程實驗教學中的應用[J].黑龍江科技信息，2013（12）：45.

[6] 蘇淼，李琦，馮留建.虛擬仿真技術在高校思想政治理論課教學中的應用[J].學校黨建與思想教育，2022（21）：57-59，91.

[7] 姜文鳳，張永策，紀敏，等.小晶粒ZSM-5分子篩虛擬仿真實驗在物理化學實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2020，37（11）：139-142.

[8] 李哲.新文科背景下虛擬現實技術（VR）在跨文化交際課程實驗教學中的應用[J].實驗室研究與探索，2022，41（4）：240-245.

[9] 張劍葳，吳煜楠.虛擬仿真技術在文物建筑教學中的應用探索[J].中國大學教學，2019（11）：66-69.

[10] 陳銘.虛擬仿真在化工試驗教學中的應用研究——評《大學化學化工類專業教育教學實踐研究》[J].塑料工業，2020，48（2）：187.

[11] 施祝斌.虛擬仿真技術在高職教學中的應用[J].中國職業技術教育，2013（20）：78-80.

[12] 李雨昕，羅珊，楊茜.基于虛擬仿真技術的翻轉課堂在護理學基礎實驗教學中的應用[J].衛生職業教育，2017，35（8）：103-104.

基金項目：廣西教育科學“十四五”規劃2022年度1+X證書制度試點建設研究專項課題（2022JY2260）；廣西“雙高計劃”高水平專業群（作物生產與品質改良專業群）建設項目（桂教職成[2023]57號）；2024年廣西壯族自治區職業教育教師教學創新團隊（作物生產與品質改良專業）建設項目（桂教教師〔2024〕72號）；廣西教育科學“十四五”規劃2025年度課題（A類）（2025A040）；廣西農業職業技術大學2023年度教學改革研究與實踐課題（XJG2316）

第一作者簡介：余江敏（1983-），男，碩士，講師。研究方向為職業教育教學資源開發與利用。

*通信作者：齊秀玲（1974-），女，碩士，副教授。研究方向為蔬菜高效栽培及無公害蔬菜生產。