李玉祥 蒋桂英 刘扬 罗宏海 樊华

【摘要】虚拟仿真是一项新的教育方法。本文结合课程组前期工作基础，从作物栽培学实验虚拟仿真建设的意义、设计思路、实施效果及发展方面，对虚拟仿真实验建设进行了分析总结，希望促進虚拟仿真实验的可持续、高质量发展。

【关键词】虚拟仿真  实验教学  教育信息化

【基金项目】石河子大学2020年虚拟仿真一流课程、线下一流课程和2021年课程思政示范课程。

【中图分类号】TP391.9;S31-4  【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2021）42-0166-03

一、建设意义

《作物栽培学》是作物学一级学科下作物栽培学与耕作学二级学科的重要组成部分之一，是面向农学专业开设的专业核心课程之一。随着现代农业与信息技术的发展，新疆农业规模化与机械化、生产现代化水平显著提升。本实验针对目前农业高校新农科建设和发展的需求，以实践为导向，坚持以教学、科研为中心，以人才培养质量为生命线，按照“知识-能力-素质”协调统一的人才培养模式和培养目标，以掌握主要农作物生产农事操作基本技能和技术要点为基础，选取影响新疆主要作物产量形成的关键环节，采用3D建模、动画和人机交互等技术开发虚拟仿真实验，为解决我国农业专业实践型人才培养过程当中凸显的资源缺乏、时间不可逆、实验经费高、生产实践安全等方面问题，实现国家培养创新人才和卓越人才的伟大战略目标具有重要意义。

二、设计思路

（一）实现“长时程实验的短时化”

通过虚拟仿真实验技术的应用，可以系统模拟各种作物的生长状况和田间栽培管理措施，能够有效地代替长时程的大田作物田间栽培管理，使作物完整的一个生长周期压缩至几个课时内完成。此外，虚拟仿真系统不会受到外界环境因子影响（如季节、气候等），任何时间都可以在虚拟仿真系统中开展实验，学习完成作物播前土地整理、种子准备、种植、病虫草害防治、水肥管理、收获、储藏、加工等一系列农事操作，这在目前真实实验中是无法实现的[1]。

（二）实现“危险性实验的安全化”

作物大田管理中会涉及有毒性的农药，如果操作不当会对学生的身体造成危害，并且会污染环境。采用虚拟仿真实验教学系统，学生可以在不接触类似有毒及其他有害物质的同时，通过虚拟仿真技术，在线操作学习不同实验条件下可能会出现的实验结果，大大减少或避免真实试验有可能带来的危害。

（三）实现“理论知识二维空间的三维化”

作物栽培学虚拟仿真实验教学，可以打破时间和空间的限制，较大程度地缩短现实教学实验周期、节约实验教学投入，使实验理论知识教学从相对枯乏、单调的二维空间向丰富、绚丽的三维世界转变，试验空间从相对封闭的物理空间向开放的虚拟空间扩展，更加高效、充分的利用飞速的网络、先进的计算机与信息技术，为农科类高校专业课程实验教学提供先进的教学手段，拓宽学生的视野与思维空间，有效提升学生的实践能力与创新能力。

（四）与科研成果相融合，深化课堂实验教学

虚拟仿真实验平台能够开发建立交互性能优良的实验环境，一方面，学生可以不受时间、空间、环境、作物生育周期等的限制，对虚拟仿真实验平台内各虚拟实验设备及对象进行操作、学习，达到课堂实验教学的目的。另一方面，虚拟仿真实验可以将理论教学中的相关知识点和内容进行拓展和延伸，更加真实的将理论与实践相结合，能够有效地丰富并深化实验教学内容。

（五）虚实互补，以虚促实

作物栽培学虚拟仿真实验教学设计主要是模拟农作物的生长发育及相关栽培管理措施，进而代替长时程、复杂的大田作物栽培管理，使作物整个生长发育周期压缩至几个学时，使学生能够在相对短时间内学习了解作物整个生长发育过程和对应的栽培管理措施。但作物生长关键时期仍要实地调查学习，虚拟仿真是手段而非目的，最终的目的都是为了让学生能够更加全面深刻的认识作物生长发育动态和特征。

（六）注重引导和探索，完善考核体系

在实际建设过程中，虚拟仿真实验脚本的设计应更多地注重对学生学习的引导和探索，而不是简单的观看、验证。同时在虚拟仿真实验学习过程中，系统应根据学生在虚拟系统画面上的互动过程及结果，对仿真操作进程和最终结果进行实时记录与评价，准确地统计和掌握学生每一步操作学习的深度及所犯的错误，老师通过查看学生对具体知识点的熟练度和掌握程度，可以据此科学、合理地给出成绩，并对出现的问题进行有针对性的讲解和辅导。

三、实施效果

（一）学生层面

1.激发学生学习兴趣

在虚拟的环境中，学生可以直接观察作物不同生育阶段的状态，通过分析测定相关参数，能够使学生深入细致地了解不同作物生长状况、生长类型并采取相应的田间管理措施。这种直观、实时和互动的特点不仅激发了学生了解和管理棉田的兴趣，也有助于学生进行学习迁移。

2.提升学生学习能力

虚拟仿真实验解决了真实田间实验不可逆、长时程的问题。在虚拟环境中，学生及其他操作者可以针对不同生长类型的虚拟作物进行反复练习操作，一方面能深化和巩固对已有理论知识的进一步理解，又能获得作物生长特征辨析和适宜性管理的能力;学生也可选择练习模式，这种相对灵活的学习模式既能够激发调动学生，培养学习主动学习知识和反思的习惯，又能引导和推动学生将所学理论知识更好地与实践相结合。

3.提高学生学习效率

虚拟仿真实验为学生提供了泛在化的在线网络虚拟实验室和“空中课堂”，使学生及其他操作者可以不受时间和空间的限制，学生能够随时随地进行实验，沉浸其中学习相关知识，大大缩短了常规实验教学周期;同时，系统的自动评分功能能够使学生得到及时反馈，进而发现问题并及时解决，学生学习效率也因此大幅度提高。

（二）学校层面

1.提高人才培养质量

虚拟仿真实验的开展有效地解决了常规实验受时间和空间的等因素的限制，学生可自行安排，随时随地进行实验学习。同时，系统针对问题设有纠错和提示功能，学生可以结合自生学习状况反复练习、领会。虚拟实验环境里大量的对实验对象、过程及步骤的“试误”，也能让学生切身体验不同操作步骤（栽培管理措施等）对作物生长多带来的不同影响，也能够练就学生的保教能力。

2.极大的提升了教学效率

虚拟仿真实验拟建构一个类真实环境，解决现实作物栽培管理中不能接收高频次、长时程、大批量的学生参与实验及实践的难题;也能够解决学生在常规实验中不能用实体作物进行反复练习及现实栽培中实现不同长势长相辨析与周期长的问题。在虚拟仿真实验中，学生与虚拟作物、栽培管理措施进行互动，不仅能把常规线下课堂中所学的理论知识应用于线上虚拟实验中，而且能够激发学生对本专业的兴趣和热情，较大程度地提升了实践教学效率。

3.显著降低了教学成本

虚拟仿真实验使学生足不出校就能体验和观摩作物生长发育及生产管理过程，节省了学生往返实验场地、实习实践单位的时间和交通成本。同时，学生通过虚拟实验系统与实验对象和实验操作进行互动，大大节省了实验设备与材料的购置费用，并降低了部分有毒试剂对于学生的潜在危害。

4.教学资源共享程度明显提高

虚拟仿真实验项目可通过互联网在线访问使用，为开展大范围班级实验提供了便利，同时能够更好的向社会相关行业人员开放。

5.服务社会效果明显

虚拟仿真实验项目在培养专业化农业人才上也具有显著优势，通过与农业信息技术培训机构合作，吸引更多社会上本行业相干人员接受虚拟仿真实验项目的培训，大大提升农业信息技术从业人员的专业化水平。

四、虚拟仿真实验进一步发展思考

（一）顶层设计

虚拟仿真实验自身具有影响面大、受益人群多、参与人知识水平层次不齐等特点，因此在开始前要做好顶层设计和规划。必须立足于人才培养计划，制定合理完善的实验教学体系，落实每个专业使用虚拟仿真平台进行教学的具体课程;制定合理的实验引导步骤，鼓励不同专业不同人群协同创新、驱动发展，建设综合性虚拟仿真实验室;最终实现“共建共享共创”的虚拟仿真实验室管理和运行模式[2]。

（二）平台共享

传统实验室及生产实践课程由于经常受限于场地、时间、天气的制约，无法实现丰富的教学资源共享和周期性持续性学习，而虚拟仿真实验能够打破场地、时间、空间、天气等因子的限制，学习者能够随时、多次、反复访问学习虚拟仿真实验教学资源。因此，虚拟仿真实验平台的建设，其中一个重要的工作是相关实验教学资源的高效共享，这就需要相关单位在建成优质虚拟仿真实验教学平台之后，同时建立一个合理可行高效的运行机制，广泛宣传、扩大应用面，引导学生及本行业广大用户选择使用，拓展使用范围，提升虚拟仿真平台的价值。

（三）保障机制

人才、经费及管理服务是制约虚拟仿真实验教学开展的重要因素。目前，在虚拟仿真实验建设中出现的问题是，虚拟仿真实验的建设主要是个别对虚拟仿真有兴趣且有改革意愿的教师“自下而上”开展工作，申请教师既是设计者，也是管理者，工作难度和工作量较大，现有人员专业能力很难满足要求。另一方面，经费没有稳定保障，致使后期的运行、更新、完善受到影响，将极大地限制了虚拟仿真实验的可持续发展。因此，需成立一支由不同专业教师、实验师及虚拟仿真公司技术人员等一起组成的研发建设团队，为虚拟仿真项目建设质量提供基础保障;同時完善对教师的激励、培训和考核机制。

参考文献：

[1]李震彪. 本科教学虚拟仿真实验之思考[J]. 实验技术与管理， 2019， 36： 5-7.

[2]王慧. 应用型地方高校综合型虚拟仿真实验教学中心建设的思考[J]. 江苏科技信息， 2019， 13： 75-80.

作者简介：

李玉祥（1988年-），男，汉族，甘肃武威人，副教授，博士，研究方向为作物栽培学与耕作学。