动物类学科虚拟仿真教学的发展探究

2022-05-17李紫聪曾芳

安徽农业科学 2022年9期

关键词：虚拟仿真教学

李紫聪曾芳

摘要虚拟仿真教学近年来在我国得到了较快的发展。以动物类学科为例，介绍了我国该学科虚拟仿真教学的发展历程和现状，分析其优点以及目前教学中存在的问题，并对该学科未来的虚拟仿真教学建设提出了一些建议。

关键词动物类学科;虚拟仿真;教学

中图分类号 S-01 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2022）09-0266-02

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.09.068

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research on the Development of Virtual Simulation Teaching in Animal Subjects

LI Zi-cong1， ZENG Fang2

（1. College of Animal Science， South China Agricultural University， Guangzhou， Guangdong 510642; 2. College of Marine Sciences， South China Agricultural University， Guangzhou， Guangdong 510642）

Abstract Virtual simulation teaching has developed rapidly in China in recent years. Taking animal subjects as an example， this paper introduced the development history and current situation of virtual simulation teaching in this subject in China， analyzed its advantages and the existing problems in current teaching， and put forward some suggestions for the future construction of virtual simulation teaching in this subject.

Key words Animal subjects;Virtual simulation;Teaching

1965年，美国科学家Ivan Sutherland在他发表的论文《终极显示》中首次提出了虚拟仿真的概念[1]。虚拟仿真利用计算机系统对现实世界进行视觉、听觉、触觉、嗅觉等感官的模拟，生成一种虚拟现实环境，为用户提供身临其境的沉浸式体验，并能在虚拟环境中与人、物等环境对象进行互动。

随着计算机科学、互联网技术的快速发展以及教育教学方式的大胆革新，为了适应新时代人才培养的需求，越来越多的高校将虚拟仿真技术运用到教学中。虚拟仿真教学以计算机技术为核心，以互联网技术为依托，利用虚拟仿真程序建模，结合实物实践场景以及理论知识创建二维或三维的虚拟环境，来实现学生在线学习的功能，具有不受时空限制、形象生动、效果直观等优点[2]。

笔者以动物类学科为例，介绍了我国该学科虚拟仿真教学的发展历程和现状，分析其优点以及目前教学中存在的问题，并对该学科未来的虚拟仿真教学建设提出了一些建议。

1 我国动物类学科虚拟仿真教学的发展历程和现状

我国虚拟仿真教学相较于国外起步较晚。根据教育部《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》（教技〔2012〕5号）的精神，教育部2013年印发了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》（教高司函〔2013〕94号），这标志着虚拟仿真实验教学中心建设工作正式启动[3-6]。从2013年开始，我国连续3年共批准建设了100个国家级虚拟仿真实验教学中心[3]，具体名单见《教育部办公厅关于批准北京大学考古虚拟仿真实验教学中心等100个国家级虚拟仿真实验教学中心的通知》（教高厅函〔2016〕6号），其中与动物类学科相关的有湖南农业大学的畜禽安全生产虚拟仿真实验教学中心、东北农业大学的乳品工程虚拟仿真实验教学中心等。国家级虚拟仿真实验教学中心的建设有效推动了高校实验教学改革和创新工作。

为了快速实现优质实验教学资源的开放共享和高效集约应用，以全面提高我国高等教育教学质量，我国在加强虚拟仿真实验教学平台建设的同时，开展了虚拟仿真实验教学项目的建设工作[7-8]。2017年，教育部在印发的《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》（教高厅〔2017〕4 号）中提出，我国到2020年将认定约1 000項示范性虚拟仿真实验教学项目，目的是以高质量实验教学助推教学质量的提高，助力高等教育强国建设[3]。根据国家虚拟仿真实验教学课程共享平台（http：//www.ilab-x.com）的统计，2017—2019年我国已建设示范性虚拟仿真实验教学项目2 079项，已经通过国家认定的项目有728项;已建设动物类示范性虚拟仿真实验教学课程56项，其中通过国家认定的项目有29项。在已建设的56项动物类示范性虚拟仿真实验教学课程中，动物科学23项、动物医学19项、水产养殖8项、其他6项。这56项课程主要涉及猪、鸡、牛、鱼等动物的生理、解剖、繁育、疾病防控等内容，大部分由农业类高校建设。

此外，动物类学科虚拟仿真教学的发展历程还可以通过相关的文献检索数据来反映。在中国知网学术文献总库（http：//www.cnki.net）高级搜索页面上，以论文“篇名”中含“虚拟仿真”且“篇关摘”（篇名关键词摘要）中含“动物”，分别以2013年1月1日至2021年7月5日和2001年1月1日至2021年7月5日为时间区间进行检索，分别检索到53和54篇相关的论文，即后一个检索时间区间比前一个检索时间区间只多1篇动物类学科虚拟仿真相关的论文。这说明在2013年教育部开始在全国布局建设国家级虚拟仿真实验教学中心之前的13年内，即2001—2013年我国动物类学科虚拟仿真教学还没开始发展，2013年以后才开始快速发展。这也说明虚拟仿真教学的发展与国家有关政策和规划息息相关。304FBA33-FCC3-4956-86F7-FC36DF3D6D58

2 动物类学科虚拟仿真教学的优点

动物类学科的实用性较强，具有重实验、重实践的特点，要求学生理论联系生产实际，掌握一定的实验和实践操作技能。可提供动物类学科实验和实践的养殖场大多在偏远地区，养殖场一般都有严格的防疫要求，不允许随意进出。此外，动物类学科的实验和实践课程涉及猪、牛、羊等动物，成本较高，且其生长、繁殖等周期较长，所以该学科实验和实践教学存在难度大、成本高、周期长、具有疫病传播风险等问题。因此，很难在短时间内进行大规模的现场实验和实践教学，这不利于培养学生的实验和实践操作技能。虚拟仿真技术的出现为解决上述问题提供了新思路。通过虚拟仿真实验和实践教学资源，学生可以随时、随地在虚拟环境中开展实验和实践活动，有利于提高学生的自主学习能力和实践操作能力。这种新型的辅助教学方式有利于克服动物类学科实验和实践教学原有的不足，激发学生的学习兴趣，提升教学质量[9-12]。

動物类学科虚拟仿真教学的优点主要体现在以下方面：①突破了地域和空间的限制。动物类学科的现场实验和实践通常在远离大城市高校数百公里的养殖场，这不利于运送学生去进行现场实验和实践。同时，养殖场可提供的教学和演示空间也有限，难以满足较大规模学生的现场实验和实践需要。通过虚拟仿真牧场可以打破地域和空间的限制，让学生在牧场之外有身临其境的体验，并且不受空间限制地开展类似现场的学习。②突破了时间和周期的限制。生产实践或实习是动物类学科学生的必修环节。学生在该环节需要了解或掌握猪、牛、羊、家禽等的整个生产过程，而这个生产过程较长，一般需要数月甚至数年。实际上，学生不可能有足够的时间全程参与、跟踪整个生产过程。通过虚拟仿真可以将畜禽生产过程的重要环节进行提炼和浓缩后再展示给学生。这样可以打破畜禽生产周期的限制，可在较短的时间内获得良好的教学效果，显著提高教学效率。③突破了教学成本和资源的限制。动物类学科中的动物解剖学、动物生理学等实验课程通常需要屠宰、解剖一定数量的猪、牛、马、羊等大动物进行教学展示。这些大动物的成本较高，很难保证有足够数量的动物让学生能够近距离、反复观察和进行实验操作。因此，利用虚拟仿真实验让学生在正式实验操作前进行充分模拟和仿真，这种模式对于学生把握整个实验内容以及提高整个实验的完成质量具有积极的意义。虚拟仿真实验在提高教学效果的同时，有利于减少动物实验教学所需屠宰、解剖的动物数量，降低成本，减少动物福利问题。④突破了动物疫病传播风险的限制。大量学生现场参与动物生产实验和实践课程，容易给养殖场带来动物传染性疾病防疫问题。例如，在近年来我国暴发非洲猪瘟的情况下，太多的学生到养猪场参与动物生产实验和实践课程会给养猪场带来较高的疾病传播风险。此外，学生在教学过程中过多地接触动物，还会有感染人畜共患病的风险，如布氏杆菌病等。因此，通过虚拟仿真教学有利于减少学生到养殖场进行现场学习的机会，减少学生与动物直接接触所带来的疾病传播和感染风险。

3 目前动物类学科虚拟仿真教学中存在的问题

虽然动物类学科虚拟仿真教学有很多优点，且近年来其发展也取得了长足的进步，但目前教学中还存在一些问题：①课程数量偏少，内容不成体系。迄今为止，我国已建设一定数量的国家级、省部级和地方级别的动物类示范性虚拟仿真实验教学课程，但其数量对于我国庞大的学生规模而言仍然偏少。此外，这些课程内容比较分散，涉及的动物种类较多，导致课程内容无法形成一个比较完整的体系。②场景仿真不足。由于动物实验和实践场景的环境因素较为复杂且多变，目前动物类学科虚拟仿真课程的虚拟系统还难以在视觉、听觉、触觉、嗅觉、三维空间结构和比例等方面与真实系统相比。③人机交互不足。在真实的场景或系统中人与动物或场景可以进行多种方式、近距离、深度、频繁的互动，因而具有生动的趣味性。然而，目前的虚拟仿真课程存在单调、呆板、枯燥、无法互动或互动少等问题。④评价体系不健全。虚拟仿真是一种新的教学方式。目前对相关课程教学效果的评价体系还不健全，这容易导致难以对相关课程的设置和建设进行正确的指导。⑤资源互补与共享不足。动物类学科虚拟仿真课程目前还存在单打独斗、重复建设的现象，已建设的课程还存在开放和共享不足的问题[3，11，13-14]。

4 建议

针对上述动物类学科虚拟仿真课程教学中目前存在的问题，提出以下建议：①通过充分调研、讨论和征求意见，加强顶层设计和规划，根据动物类学科的特点和教学需求，建设具有完整体系的虚拟仿真课程。②采用最新的虚拟仿真技术，最大限度地逼近真实场景。在虚拟仿真课程系统或平台投入使用前，组织业内专家进行“仿真性”鉴定评价，确保其模拟水平达标。③与计算机技术和网络技术紧密结合，增强学生学习过程中的人机交互性;利用人工智能、大数据等信息技术，增强人机交互的智慧化、智能化，便于学生随时、随地提问和学习，满足教学的需要。④加强信息化教学政策研究、理论研究、运行机制和关键技术研究等方面的工作，持续改进相关教学评价机制，加强督导考核，不断健全并完善虚拟仿真教学的综合评价体系。⑤采用合作互补、强强联合等方式开展课程建设，通过网络平台等加强课程的开放共享，进一步完善运行平台的兼容性，降低对硬件配置的要求，以便于教学资源的开放共享。

参考文献

[1] 高东锋.信息化时代高校实验教学改革的要求、思路与路径[J].中国高教研究，2018（4）：93-96.

[2] 杨颖，肖潭，南景富，等.高校虚拟仿真实验教学发展趋势的文献计量分析[J].实验技术与管理，2020，37（12）：24-28，32.

[3] 王晓敏，高志强，闫晋文.国内高校材料学科虚拟仿真实验教学的发展探究[J].中国大学教学，2021（3）：78-85.

[4] 贠冰，孙建林，熊小涛，等.材料虚拟仿真实验中心建设及共享的思考与实践[J].实验技术与管理，2018，35（10）：197-199.

[5] 刘秀清，葛文庆，焦学健，等.国家级虚拟仿真实验教学中心建设与管理[J].实验技术与管理，2018，35（11）：225-228，233.

[6] 卢艳丽，董文强，王永欣，等.材料类专业虚拟仿真实验教学中心的建设与实践[J].实验室研究与探索，2018，37（11）：153-157.

[7] 王卫国，胡今鸿，刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索，2015，34（5）：214-219.

[8] 王士凡，堵锡华，董黎明，等.高分子材料与工程专业虚拟仿真实验教学的探索[J].教育现代化，2019（42）：132-133.

[9] 李静，张艳丽.动物科学专业虚拟仿真实验教学的建设与实践[J].教育教学论坛，2020（24）：354-356.

[10] 刘娜，王步钰，安晓萍，等.基于“实景+虚拟仿真”创新教学资源平台的动物科学专业人才培养模式探索[J].畜牧与饲料科学，2021，42（1）：114-119.

[11] 龚思颖，陈晓婷，张金菊，等.生物类虚拟仿真实验教学资源的建设与发展[J].实验技术与管理，2019，36（9）：176-180.