林 菲， 袁 腾， 吴瀚翔， 张志祥， 徐汉虹

（华南农业大学a.植物保护学院；b.材料与能源学院，广州 510642）

0 引 言

培养具有创新精神和实践能力，符合社会需要的高等农业专门人才，是高等农业院校的首要任务［1］。传统农科专业实践教学一定程度上存在内容陈旧、教学手段方法落后的问题。农科类教学实践基地也存在地段偏远、季节场地受限、资金投入不足等客观因素，导致农科类教学实践难以提供与真实农事操作现场一致的场景，影响学生对课程的获得感［2-4］。2020年以来，疫情持续肆虐，充分利用互联网开展线上教学也成了当前教育的新常态。改革创新现有的农科专业实践教学体系，加强学生自我思考和实践动手能力的培养，将线上线下、虚拟和真实等教学手段有机结合，成为提高学生的实践与创新能力、实现学生从科学知识型向科学知识实用技能型转化的必要前提［5-6］。实验实习课程作为教学的重要组成部分和手段，对于提高学生的理论体系掌握程度、科技论述指标提升和创新意识培养等都有着举足轻重的意义［7-8］。虚拟仿真技术能够模拟真实现场条件，允许学生经过虚拟仿真软件上机操作学习，为理论知识学习与现场操作之间搭建柔性过渡［9］。本文以随水精准施药防控重大害虫关键技术为背景，将所研究随水施药的关键问题——农药在植物体内的输导和转运成果，转换为植物化学保护实验实习虚实结合模式的教学资源，系统地分析了项目建设的背景和目的、建设过程和建设成效，以期为新农科人才培养提供理论和实脉依据。

1 实验背景

我国有害生物发生频率高、为害重，农药是不可或缺的农业投入品，但农药施用过量，有效利用率低，严重威胁环境和食品安全。喷施的农药仅有0.1%作用于病虫害靶标，农药对靶传递性能差是制约农药减量增效的关键问题。近年来化学农药减量增效已成为促进农业绿色发展的必然要求，许多新兴的技术措施正在逐步推广。滴灌施药是在滴水灌溉的基础上发展起来的一种施药技术，不仅能减少农药使用中人工和燃油等的投入成本，并且能实现药剂的定向输送，减少对非靶标生物的影响。经历10多年的研究，我校科研团队在随水施药法防控重要农作物害虫方面取得了一系列重要创新成果，达到国际领先水平。将农药减量增效最新研究成果融入本科教学，采用虚实结合教学模式，能够有效地帮助学生增强自主创新意识，从而形成科研教学相互促进、良性发展的循环模式［6］。

2 实验教学设计

教学设计基于实际科研成果案例，把所要讲授的基础知识和基本技能设计成多层次、多项目的教学实验（见图1），加强学生制定问题、研究问题以及处理问题的能力，最后让学生在老师的帮助下快速地解决问题。在实际的问题顺序以及设计标准之上，要遵循循序渐进的规律、照顾学生学习的强度、关注关键细节从而应对任务。因此，从背景、问题、实施和目标层面进行实验教学设计，能够使学生充分认识理解并运用该技术。

图1 滴灌施药实验的设计思路

教学背景主要源于滴灌施药的特点与优势，利用滴灌系统在根部定向施药，使药剂随水进入根系，作物吸收农药后向被有害生物为害的部位靶向积累，形成从地下到地上，从作物内到作物外的立体防控体系。我国滴灌技术成熟，成套设备完善齐全，已大面积推广应用。借助滴灌的随水施药技术满足了集约化、高效化和轻简化耕作的需求，适应了我国农村城镇化和农村劳动力快速转移的现状，具有提高农药利用率，用药简单、安全环保、保护有益生物、减少药剂流失、降低土壤农药残留等优点。我国现有农药施用主要存在农药与害虫为害部位不吻合、施药方式靶向性差和功效低、农药与作物互作潜能未能被充分挖掘等问题，故需进一步引导学生将问题具体化并提出其背后隐藏的科学问题，制定具体的实验计划，明确目标。项目分为多个实验，学生根据自己的未来职业规划和兴趣进行自主选题。本实验有利于学生巩固专业知识、拓展应用知识、体验创新和设计过程，为其他课程的学习、研究型项目的开展和毕业设计等起到促进作用，并为后续的科研深造或就业奠定良好基础。

3 实验教学的实施

整个实验的实施包括：①课前通过MOOC平台，推送预习资料；②线下课堂进行翻转，实验室分组实操；③线上虚拟仿真滴灌施药导向控制害虫实验；④线下田间实地观摩；⑤课后总结归纳，引导学有余力的学生继续探索机理。

3.1 MOOC平台预习资料推送

课程授课对象是已经修完普通植物病理学、农业病理学、普通昆虫学和农业昆虫学等专业前导课程，对于病虫害的诊断和发生规律有一定的认知，并已经了解药剂的性能和植物保护理念的大三学生。因此，在预习环节，充分发挥MOOC平台对重要知识点提纲挈领的优势，推送发布预习通知和资料，主要包括：根据有害生物特征和危害症状正确识别害虫种类；回顾理论课程知识，阅读农药标签，了解药剂的种类、作用靶标、防治对象，施用剂量和理化性质，结合农药使用手册，选定随水施药适用的农药品种；了解滴灌设备的组成，以及各部分的功能等。

3.2 分组实操

本部分由教师选定的具有内吸性的农药品种噻虫嗪，学生分组根据自己的知识储备设计实验方案对噻虫嗪在被玉米根系吸收后的输导性进行室内测定，明确农药的传导规律。

3.2.1 植物材料准备与根部吸收噻虫嗪

实验设置10、20、40、60和120μmol/L共5种浓度，并将学生进行分组，每个小组负责1种浓度实验（重复5次）。将噻虫嗪原粉用DMSO溶解配制成40 mmol/L的母液，储存于4℃备用；挑取生长3～4周、植株健壮、长势均匀的玉米幼苗，小心冲洗干净根部营养液，用于药液吸收实验。用0.5 mmol/L氯化钙缓冲溶液将噻虫嗪母液分别稀释至所需浓度，调节pH=5.8后，加入50 mL离心管中，每管40 mL，将5株幼苗转入其中，并用定植杯固定，保证茎部接触液面，静置于人工气候培养箱培养。24 h后收集植株并用刀片植株分为根、茎叶两部分，分别称重记录后，在研钵中加液氮磨碎，加入10 mL色谱级乙腈萃取，超声30 min，相对离心力（RCF）14 000×g离心10 min，吸取上清液1 mL，用0.22μm针头微孔滤膜除去杂质，装入液相瓶中，样品置于-80℃低温保存待检测。

3.2.2 植株噻虫嗪含量的检测

教师提前摸索检测条件，现场进行液相检测操作示范。用Agilent 1290超高效液相色谱检测噻虫胺的含量。ZORBAXSB-C18反相色谱柱，流动相为乙腈∶水=20∶80（V/V），检测波长为254 nm，流速为1.0 mL/min，进样量为10μL，柱温为30℃。

3.3 虚拟仿真实验进行田间施药操作

虚拟仿真技术具有投资少、安全性高和拓展性强等优点，不受时间和空间限制［4］。由于滴灌施药实验场地离校园遥远，实验周期长，实验耗费大等因素制约，目前无法带领本科学生到田间进行实验操作。因此，为让学生接触最新科研成果，解决在教学中缺失的实践环节，通过虚拟仿真实验，真实展现田间场景，使学生认识到农药减量增效技术对我国农业可持续发展的重要意义，进而增强学生的责任感，深入解析课程之中的关键细节。

3.3.1 实验材料选择与参数设置

虚拟实验项目根据真实的田间场景，制作高仿真的玉米、棉花和柑橘等植物3D模型，每个场景设置两个田块，分别为处理田块与对照田块［见图2（a）］。针对玉米、棉花和柑橘3种作物，分别设定有害生物为草地贪夜蛾、棉花蚜虫和柑橘木虱［见图2（b）］。制作了草地贪夜蛾5龄幼虫、棉花蚜虫和柑橘木虱成虫的3D模型。根据特定害虫，选定了氟啶虫胺腈、噻虫嗪和氯虫苯甲酰胺等3种相对应的防治药剂，制作了其商品化的包装模型［见图2（c）］。每种药剂均列出农药标签，包含防治对象、作用机理和推荐剂量等信息。滴灌装置包括4大部分：流速与压力控制系统、阀门系统、输水设备和滴水装置。利用上述装置制作了滴灌系统的高仿真3D模型。

图2 田间施药实验材料

3.3.2 虚拟施药操作

学生登录虚拟仿真实验教学平台后开始虚拟仿真实验，点击主界面实验操作，选择不同的防治对象进入田间场景并根据弹框图片识别正确的害虫种类，阅读不同药剂的标签，了解药剂的作用方式，防治对象以及使用剂量，从中正确选择本次实验的防治药剂。根据标签中的有效成分含量，计算本次实验中有效成分施药浓度值（见图3）。

图3 防治对象选择和用药说明

确定防治对象以及正确选择防治药剂后，进入滴灌系统，准备开始施药，观看滴灌装置的组成动画。移动鼠标，选择药剂需要投放的位置，并转动相应的阀门，使药剂与水混合后进入滴灌管道。调节滴灌系统的压力和流速，使设备正常运行（见图4）。观察药剂在滴灌系统中的流动动画，了解药剂被传递的过程。观察药剂被植物吸收以及在体内传递的动画，选择药剂传递的途径（见图5）。施药结束后，记录调查数据，进行后续统计分析并撰写报告。学生根据调查数据（原始数据）和统计分析方法，处理数据并提交实验报告（见图6）。

图4 滴灌装置

图5 药剂传递可视化

图6 实验结果处理

3.4 线下田间实地观摩

农林专业学生来自于城市的占比逐年增大，即使来自农村的学生对农事知识也知之甚少。在线上线下了解随水施药的基本知识之后，田间测试也成为了学生进行农事实践的重要环节，可以让学生更加深入地对其过程进行了解［10］。因此，在条件允许的情况下，依托技术推广示范项目、教学科研实习基地，带领学生到田间地头进行观摩和实操。这一环节的实施要点在于教学内容要新颖、丰富，课程计划要周密。通过分组包干和现场技能比赛，在生动的实践课堂中，让学生能够在掌握相关技术的同时，享受到自主创造价值的快乐［13］。

3.5 结果分析，提升总结

完成了线上、线下及田间的一系列学习与实践之后，学生对滴灌施药技术的基本原理、操作和应用价值有了全面的了解。在此阶段，及时引导学生创新思考问题，从新的角度启发学生，利用植物固有营养物质转运蛋白基因，来实现农药的智能定向积累。利用品种评价筛选和遗传改良手段，挖掘农药高效利用种质和基因资源，分子设计选育农药高效利用作物，精准主动传递农药到达害虫为害部位，突破依靠药剂理化性质提高传导性的局限，挖掘作物潜能，形成农药减量增效新模式。联合可视化质谱成像和生物活性测定技术，建立农药高效利用品种评价体系；设计和运用农药转运蛋白基因分子探针，结合抗虫抗病及养分利用指标，评价随水靶向传递农药的作物性状，为农药减量增效新途径提供理论基础与技术支撑。

4 课程建设成果

滴灌施药导向控制害虫虚拟仿真实验获得了国家一流课程的认定，“植物化学保护学”获得广东省一流课程认定，成为省级在线开放课程和植物保护国家一流专业的建设课程。课程教学改革经验极大地提升了学科在全国农药学领域的影响力，多次在全国农药学科科研教学研讨会上做大会特邀报告，向全国40多所农林高校分享介绍改革创新成果。国家级虚拟仿真实验课积极与各大农林院校开展共享，已与长江大学、广西大学、湖南农业大学等学校签订教学资源共享协议。通过该教学模式改革，进一步激发了学生的自主创新意识，显著提高了学生的综合素养，使学生对滴灌施药的理论基础——导向农药理念产生了浓厚的研究兴趣，近年植物保护丁颖创新班的学生继续深造攻读硕士博士研究生的比例达100%，为国家的新农科建设源源不断地培养与输送后备人才［11-12］。

5 结 语

滴灌施药创新性实验将前沿的科研成果转化为本科生实验教学资源，通过线上线下虚实结合，有效地解决了农科类教学实验实习课程场地、季节和资金受限的问题，满足了当前疫情防控常态化需求。更为重要的是，锻炼了本科学生自主思想的形成，增强了独立处理问题、分析问题以及动手实验的能力，全面提高了学生学习的效率和兴趣，充分提升学生的获得感［13-15］。课程理论与实践机制相融合、以生产问题为导向设计教学内容，加入国际发展动态，与时俱进挖掘融入思政元素，培养学生的三农情怀，实现三全育人［16］。