農(nóng)科類虛擬仿真實驗教學中心建設探索與實踐

張永江，劉連濤，李存東

(河北農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院/河北省作物生長調控實驗室，河北 保定 071001)

農(nóng)科類虛擬仿真實驗教學中心建設探索與實踐

張永江，劉連濤，李存東

(河北農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院/河北省作物生長調控實驗室，河北 保定 071001)

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化的組成部分，也是實驗教學示范中心建設工作的重要內(nèi)容。不同于其它學科，農(nóng)科類實驗具有較強的季節(jié)性、地域性和復雜性特點，實現(xiàn)相關實驗的虛擬仿真相當困難。河北農(nóng)業(yè)大學緊跟形勢，依托兩個國家級實驗教學中心和省強勢特色學科優(yōu)勢，開展了“植物生長與病蟲害防治虛擬仿真實驗教學中心”系列建設工作，成效顯著。實踐表明，農(nóng)科類虛擬仿真實驗教學可以打破時間和空間的限制，縮短教學實驗與試驗周期，彌補傳統(tǒng)實驗受生長季節(jié)、多元環(huán)境和時空限制的不足，實現(xiàn)虛實互補。

農(nóng)科；虛擬仿真；實驗教學；信息化

DOI號：10.13320/j.cnki.jauhe.2017.0045

高等教育肩負著培育創(chuàng)新精神和創(chuàng)造型人才的特殊使命。實驗教學作為高級應用型人才培養(yǎng)的關鍵環(huán)節(jié)，對于激發(fā)學生的創(chuàng)新意識，拓展學生的創(chuàng)新思維，增長學生的創(chuàng)新技能具有重要作用，愈加成為整個高等教育創(chuàng)新體系的重要組成部分[1]。以信息技術應用為本質特征的虛擬仿真實驗教學，適應了信息時代高等教育開放辦學、資源共享的變革要求，為學生開展探究性學習、自主實驗和創(chuàng)新實踐提供了先進手段、開放平臺和優(yōu)質資源，在提高人才培養(yǎng)質量的同時，也為實驗教學改革和實驗室建設增添了活力和動力。教育部在《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》中，明確提出虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設的重要內(nèi)容，并從2013年起開展了國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，提出了虛擬仿真實驗教學發(fā)展的指導思想、宗旨、核心和重點，要求各高校要持續(xù)推進實驗教學改革與發(fā)展和實驗教學信息化建設工作[2]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)因其生產(chǎn)條件的復雜性，實現(xiàn)相關實驗的虛擬仿真相當困難。在已公布的國家級虛擬仿真實驗教學中心中，鮮見農(nóng)科類報道。作為地方院校，河北農(nóng)業(yè)大學緊跟形勢，依托兩個國家級實驗教學中心和省強勢特色學科優(yōu)勢，開展了“植物生長與病蟲害防治虛擬仿真實驗教學中心”(以下簡稱“中心”)系列建設工作。現(xiàn)就中心建設的意義、歷程、發(fā)展與思考展開闡述。

一、建設意義和必要性

農(nóng)科類植物生產(chǎn)均具有較強的季節(jié)性、地域性、綜合性、持續(xù)性特點，研究對象為復雜的生物有機體，要求寬廣的實驗時間、空間和復雜多元的實驗條件。而傳統(tǒng)實驗教學的時、空局限性，資源局限性，學科局限性均較大，難以完全滿足長時程、大尺度、復雜性等實驗實踐項目的現(xiàn)實需要，迫切需要利用現(xiàn)代計算機、網(wǎng)絡和信息技術開展相應的虛擬仿真實驗，與實物、實景實驗相互補充、相得益彰，彌補真實實驗教學的不足，改善植物生產(chǎn)類專業(yè)實驗教學效果。

虛擬仿真實驗可以實現(xiàn)農(nóng)學類專業(yè)“長時程實驗的短時化”。由于大田作物、園藝植物生長周期長，受學生課時數(shù)和實驗條件限制，學生的專業(yè)實踐難于在行課期間全面、系統(tǒng)完成。應用虛擬仿真實驗技術模擬農(nóng)作物的生長和栽培管理，代替長時程的實地作物種植管理，使得整個作物生長周期能夠壓縮至幾個課時。同時虛擬仿真實驗不受氣候、季節(jié)限制，周年都可以在仿真系統(tǒng)平臺中實現(xiàn)作物種植、管理與收獲[3]，這是真實實驗不可能實現(xiàn)的。

虛擬仿真實驗可以實現(xiàn)農(nóng)科類專業(yè)“大尺度實驗的微縮化”。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，生態(tài)條件差異造成農(nóng)作物類型、生育規(guī)律、生物環(huán)境等不同，導致不同生態(tài)區(qū)農(nóng)作物的布局和管理策略不同。受生態(tài)區(qū)距離遠、課時少、教學經(jīng)費等影響，學生在校期間不能參與各生態(tài)區(qū)的農(nóng)作物管理及對生態(tài)區(qū)作物生育差異的認知學習；又如昆蟲的生活史包括昆蟲各態(tài)的變化過程，這些實驗尺度大，不易觀察或不能短時間內(nèi)完成。依靠虛擬仿真技術將不同生態(tài)區(qū)作物生產(chǎn)或昆蟲遷飛規(guī)律等在虛擬仿真系統(tǒng)中進行模擬再現(xiàn)，實現(xiàn)“大尺度實驗微縮化”，完成傳統(tǒng)實驗不可能完成的實驗內(nèi)容，使各個教學環(huán)節(jié)得以有機銜接，學生掌握的知識結構與專業(yè)技能更加完整。

虛擬仿真實驗可以實現(xiàn)“危險性實驗的安全化”。農(nóng)藥生產(chǎn)、使用及效果驗證等實驗項目中都會涉及劇毒農(nóng)藥，操作不當會危害學生身體，引起環(huán)境污染。虛擬仿真教學能夠模擬這些實驗，使學生通過虛擬仿真技術與操作了解各種實驗條件下的實驗結果，減少真實試驗的危害。

農(nóng)科類虛擬仿真實驗教學，可以打破時間和空間的限制，縮短教學實驗與試驗周期，節(jié)約教學成本，使理論知識教學從枯乏的二維空間轉向絢麗的三維世界，試驗空間從物理空間向虛擬空間擴展，充分利用現(xiàn)代計算機、網(wǎng)絡與信息技術，為農(nóng)科類專業(yè)課程教學提供先進的教學手段，進而開闊學生的思維空間與視野，有助于提升專業(yè)實踐能力與創(chuàng)新能力。

二、建設歷程

(一)建設背景

中心的建設歷史可以追溯到1995年。當時河北農(nóng)業(yè)大學與澳大利亞墨爾本大學在“作物生產(chǎn)系統(tǒng)計算機模擬”方面開始合作研究。雙方合作的主要內(nèi)容是“華北平原區(qū)小麥-玉米一年兩作生產(chǎn)系統(tǒng)計算機模擬”，該研究采用目前世界上先進的計算機模擬軟件“STELLA”，建立華北平原區(qū)小麥-玉米兩作種植制度的計算機模擬模型。1997年11月，“河北農(nóng)業(yè)大學-墨爾本大學作物模擬實驗室”在河北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院落成并對外開放。此合作引起了國際關注，國際權威刊物NewScientist進行了專文報道。在此平臺基礎上，中心人員一方面利用DSSAT、WOFOST和APSIM等農(nóng)業(yè)模擬模型開展機理研究，一方面順應國家教育信息化的趨勢，針對農(nóng)科專業(yè)實驗教學特點逐步開展模擬仿真實驗室建設。

虛擬仿真實驗教學中心的建設離不開原有常規(guī)實驗教學中心和學科的有力支撐。中心的發(fā)展依托2個國家級實驗教學示范中心(植物科學與技術實驗教學中心和作物學實驗教學中心)，1個國家級人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實驗區(qū)(農(nóng)學類專業(yè)“三位一體”復合型人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實驗區(qū))，1個國家農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新與集成示范基地(張北國家農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新與集成示范基地)，3個河北省強勢特色學科(作物學、園藝學和植物保護學)，2個省級實驗教學示范中心(園藝學實驗教學中心和植物保護實驗教學中心)，以及4個省部級重點實驗室/工程中心。中心擁有豐富的教學資源和卓越的教學團隊，在精品課程建設、師資隊伍建設、實驗教學特色、實驗教學成果和效果、實踐基地建設等方面取得了豐碩的成果。中心由學校統(tǒng)一規(guī)劃部署，面向全校農(nóng)科(農(nóng)學、園藝、植物保護等)專業(yè)，通過虛擬現(xiàn)實技術建立展現(xiàn)大田作物、園藝植物生長與發(fā)育、結構與功能、栽培、育種、病蟲害發(fā)生與防治等教學虛擬仿真系統(tǒng)。2014年植物生長與病蟲害虛擬仿真實驗教學中心被批準為省級虛擬仿真實驗教學中心。

(二)教學體系與平臺

中心的教學理念是“強化基礎、虛實結合、科教融合、開放共享”。堅持學生基礎知識、專業(yè)能力和綜合素質全面協(xié)調發(fā)展；努力培養(yǎng)學生的實踐能力、探索精神和科研創(chuàng)新能力。在中心建設過程中，以實踐教學大綱為依據(jù)，以植物生長和病蟲害演變多方位虛擬仿真模型為主體，以虛擬仿真實驗教學資源建設和平臺建設為重點，以學生實踐能力、創(chuàng)新意識和綜合素質培養(yǎng)為目標，發(fā)揮作物學、園藝學、植物保護學學科方向全、技術手段全、訓練層次全、師資隊伍強的優(yōu)勢，堅持科研成果轉化激勵機制，用高水平科研成果豐富虛擬仿真實驗教學內(nèi)容，真實實驗與虛擬實驗相互補充，完善實踐教學體系。通過現(xiàn)代化信息手段，實現(xiàn)實驗教學資源與虛擬仿真實驗的開放和共享。

植物生長與病蟲害防治虛擬仿真實驗教學體系見圖1。依據(jù)中心內(nèi)各學科、專業(yè)特點，中心設立了作物學虛擬仿真實驗室、植物保護虛擬仿真實驗室、園藝學虛擬仿真實驗室和數(shù)字農(nóng)業(yè)虛擬仿真實驗室等4個分實驗室，形成四大實驗課程模塊，實驗項目分為基礎訓練、綜合訓練和創(chuàng)新訓練3個層次，開展分層分類教學，滿足不同專業(yè)學生對虛擬實驗教學內(nèi)容的需要，實現(xiàn)教學內(nèi)容的開放共享。其中基礎訓練實驗包括作物生長過程動態(tài)虛擬仿真實驗、園藝設施環(huán)境三維虛擬展示實驗、植物病原菌的侵染過程模擬仿真等；綜合訓練實驗包括大田作物生產(chǎn)管理輔助決策實驗、大田作物群體光分布模擬計算、農(nóng)藥安全使用綜合虛擬培訓實驗等；創(chuàng)新訓練實驗包括作物三維形態(tài)交互式設計虛擬仿真、大田作物群體設計與計算分析實驗、日光溫室交互設計虛擬仿真實驗、作物病害發(fā)生過程與環(huán)境因素模擬實驗等。

圖1 植物生長與病蟲害防治虛擬仿真實驗教學中心實驗教學體系

實驗教學與信息化教育技術深度融合，與企業(yè)合作，建立了具有植物生長與病蟲害防治特點的信息化管理共享平臺，實現(xiàn)了仿真實驗的有效管理。平臺提供實驗安排與選課、實驗前的相關知識輔助學習與測試、實驗平臺轉接、實驗過程的答疑與指導、虛擬實驗結果的批改、實驗報告的在線填寫與管理、實驗教學效果評估與分析等。植物生長與病蟲害防治虛擬仿真實驗教學中心平臺登錄界面見圖2。該系統(tǒng)平臺采集學生在實驗過程中的各類行為數(shù)據(jù)，為實驗者提供個性化、針對性更強的知識學習指導和學習評估報告，并通過數(shù)據(jù)分析更豐富、詳實、客觀地展示學生在實驗教學各環(huán)節(jié)的參與情況，該過程為實驗教學成果評價提供了數(shù)據(jù)支持，并有效減輕了實驗管理員及任課教師的負擔。在虛擬仿真實驗方面，中心與北京農(nóng)業(yè)信息技術研究中心聯(lián)合研發(fā)了農(nóng)學、園藝學、植物科學與技術等專業(yè)的《作物栽培學》《植物病理學》《昆蟲學》《園藝學》《設施農(nóng)業(yè)》《信息技術與作物生產(chǎn)》等6門課程共計20個典型實驗。玉米合理密植與群體結構動態(tài)虛擬仿真系統(tǒng)界面見圖3。

圖2 植物生長與病蟲害防治虛擬仿真實驗教學中心平臺登錄界面

圖3 玉米合理密植與群體結構動態(tài)虛擬仿真系統(tǒng)界面

(三)硬件建設

虛擬仿真實驗平臺包括構建虛擬仿真實驗所需的軟硬件，以及教學實驗室學習展示平臺。中心擁有比較系統(tǒng)配套的進行農(nóng)業(yè)生物及其環(huán)境的信息獲取、三維建模、真實感顯示、可視化計算分析、虛擬仿真和互動體驗的專業(yè)化軟硬件設備。硬件設備包括美國三維激光掃描儀Trimble TX 5，美國FastSCAN Cobra手持式可移動掃描儀、美國Artec Eva 3D三維掃描儀、高端圖形工作站，擁有用于建模的專業(yè)數(shù)據(jù)采集儀器，如美國LI 6400光合測定系統(tǒng)、植物根系生長儀CI-600、冠層分析儀SUNSCAN、葉面積儀LI 3000，德國葉綠素熒光儀PAM 2500、自動氣象站ADCON-A753、土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)Pico Trime IMKO等等。中心建有人工氣候室，可以人工控制溫度(-20℃-50℃)、光照(0-50 000 Lux)等條件，能夠模擬不同氣象條件，為不同植物生長參數(shù)的獲取提供基礎平臺。建有自動防雨大棚，能夠人工模擬干旱條件精確控制土壤水分，通過雨量傳感器感知雨水，自動開啟/關閉大棚，為開展節(jié)水、模擬干旱研究提供支撐平臺。軟件包括三維點云處理軟件Geomagic Studio、用于構建植物建模應用系統(tǒng)的Visual Studio、用于進行植物建模交互設計軟件的開發(fā)類庫OpenGL 圖形類庫、用于進行農(nóng)業(yè)虛擬場景的構建以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)虛擬互動交互模擬系統(tǒng)開發(fā)的Unity3D、用于虛擬仿真模型建模的3D StudioMax、Virtools等等。

為完善所開設實驗的虛擬仿真效果，中心建成了高規(guī)格虛擬仿真教學實驗室，專門開展植物生長與病蟲害防治虛擬仿真實驗教學。為讓學生切身體會到虛擬仿真實驗的真實性、沉浸感，實驗室同時建有雙通道立體融合3D立體投影系統(tǒng)，能將三維圖形計算機生成的三維數(shù)字圖像實時地輸出并顯示在一個超大幅面的環(huán)形投影幕墻上，并以立體成像的方式呈現(xiàn)在觀看者的眼前，使觀看者和參與者獲得一種身臨其境的虛擬仿真視覺感受。

(四)成效

中心已成為培養(yǎng)和提高學生實踐創(chuàng)新能力的重要基地。自平臺建成以來，用戶訪問已經(jīng)超過6萬人次。除面向校內(nèi)農(nóng)科類專業(yè)外，還與其它5所院校實現(xiàn)資源共享。教學平臺可網(wǎng)絡運行，高交互操作，實時信息反饋，內(nèi)容豐富。實踐表明，采用“虛實結合”的實驗教學模式拓展了學生的專業(yè)視野，提高了學生的自主學習能力，豐富了教學內(nèi)容，降低了實驗成本和風險，極大提高了學生綜合運用所學專業(yè)知識進行專業(yè)實踐的能力，實現(xiàn)了虛擬仿真平臺和校外實習基地建設相互補充、相互支持[4]。例如：玉米高產(chǎn)栽培管理仿真實驗，從播種到收獲的全部管理措施，涉及到的農(nóng)機具，以及不同區(qū)域的自然環(huán)境均可整合至仿真系統(tǒng)。學生根據(jù)所需知識，結合氣象條件等進行整個玉米生長周期的仿真栽培管理；學生可自主選擇品種、設計密度、進行病蟲害防治、采取收獲措施。通過仿真模擬實驗，學生能夠在幾個學時完成玉米栽培全生長季管理過程，不受實驗場地、季節(jié)、時間的限制，這是傳統(tǒng)實物實驗無法實現(xiàn)的。

中心促進了復合型新型教師隊伍的建設?，F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)對高校教師綜合素質提出了更高的要求。虛擬仿真實驗中心的建設，促進了實驗教學管理體系的改革，培養(yǎng)和帶動了一批既懂農(nóng)業(yè)專業(yè)知識，又懂現(xiàn)代網(wǎng)絡信息技術的中青年教師。這些教師具備了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)教師所不具備的新技能，促進了現(xiàn)代信息技術在農(nóng)學中的應用。他們能幫助提升自主開發(fā)虛擬仿真實驗項目的能力，不斷拓展和豐富虛擬仿真實驗內(nèi)容，提升整體實驗教學效果。

三、發(fā)展與思考

虛擬仿真技術是提升地方高校實驗教學信息化水平的重要舉措，將虛擬仿真技術引入實驗教學成為地方高校實驗教學改革的一個新方向。開展虛擬仿真實驗教學中心建設是新時期高校人才培養(yǎng)中的一個重要任務。植物生長與病蟲害防治虛擬仿真實驗教學中心的建立，是地方院校農(nóng)科類實驗教學改革的一次嘗試。在未來的發(fā)展中，應加強以下幾方面的工作：

1.改變觀念，積極引導。要實現(xiàn)教育信息化，就要使信息技術貫穿于整個教學過程，依托信息技術開展新的教學。目前仍有部分教師認為只有傳統(tǒng)的實驗教學才能培養(yǎng)學生的實踐能力，未能充分發(fā)揮虛擬仿真實驗教學的優(yōu)勢[5]。高校管理者要適時出臺符合自身發(fā)展的政策措施，保障運行經(jīng)費，引導教師進行教育觀念的變革，加強對教師虛擬現(xiàn)實、仿真技術、互聯(lián)網(wǎng)絡等相關信息技術技能的培訓，激勵教師積極進行虛擬仿真實驗課程建設、實驗教學改革和新技術的應用研究。

2.校企合作，互惠雙贏。在植物生長與病蟲害防治虛擬仿真實驗教學中心建設過程中，分別與北京農(nóng)業(yè)信息技術研究中心和北京潤尼爾網(wǎng)絡科技有限公司展開合作，建立協(xié)同實踐育人模式。前者發(fā)揮其在植物虛擬仿真領域雄厚的技術優(yōu)勢[6]，在實驗課程建設方面與河北農(nóng)業(yè)大學各專業(yè)教師反復對接，內(nèi)容得以不斷完善。后者與中心聯(lián)合研發(fā)具有擴展性、兼容性、前瞻性的管理平臺，實現(xiàn)校內(nèi)外實驗教學資源的共享，滿足計算機虛擬仿真實驗教學的需求。今后有望在棉花虛擬仿真、現(xiàn)有課程和平臺完善方面繼續(xù)合作。同時學校也為企業(yè)輸送了專業(yè)扎實、技術過硬、勇于創(chuàng)新的優(yōu)秀畢業(yè)生。通過人才培養(yǎng)這個紐帶，繼續(xù)發(fā)揮學校和企業(yè)各自優(yōu)勢，結成戰(zhàn)略合作伙伴關系，為中心的可持續(xù)發(fā)展提供了強大的技術支撐。

3.突出特色，服務地方。目前，圍繞大田作物開展生長、管理的虛擬仿真教學實驗還不多見，這主要緣于農(nóng)科類實驗模擬的復雜性。作為地方農(nóng)業(yè)院校，河北農(nóng)業(yè)大學雖然在國內(nèi)較早地開展了這方面工作，但是教學體系、實驗內(nèi)容仍有待優(yōu)化。應進一步整合優(yōu)質科研成果和教學資源，突出辦學特色，把實踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)放在首要位置，開發(fā)與生產(chǎn)緊密結合的實驗內(nèi)容，如輕簡化栽培、水肥高效利用、機械化栽培、高效低殘留植保等，提高人才培養(yǎng)質量，更好地為區(qū)域農(nóng)業(yè)和地方經(jīng)濟服務。植物生長與病蟲害防治虛擬仿真實驗中心的建設，對于提升農(nóng)科類專業(yè)的整體實踐教學水平、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才起到了良好的促進作用，同時對于其它院校相似專業(yè)也有借鑒意義。

[1] 鹿曉陽，李明弟，李軼．創(chuàng)新實驗教學體系的研究與實踐——國家虛擬仿真實驗教學中心和國家實驗教學示范中心建設[J]．山東高等教育，2015,16(3)：42-46．

[2] 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．

[3] 張青蓉，王文永，付宏杰，等．虛擬植物的構建及在生物學科教學中的應用[J]．系統(tǒng)仿真學報，2006,18(增2)：964-967．

[4] 李炎鋒，杜修力，紀金豹，等．摘土木類專業(yè)建設虛擬仿真實驗教學中心的探索與實踐[J]．中國大學教學，2014(9)：82-85．

[5] 鞠宏偉．基于虛擬仿真技術的地方高校實驗教學探討[J]．電腦知識與技術，2016，12(25)：113-114，117．

[6] 趙春江，郭新宇，陸聲鏈，等．農(nóng)林植物生長系統(tǒng)虛擬設計與仿真[M]．北京：科學出版社，2010．

(編輯：王 佳)

2016-12-05

中西部高校基礎能力建設工程和中央財政支持地方高校發(fā)展專項資金。

張永江(1977-)，男，河北撫寧人，博士，副教授，研究方向：作物信息技術和作物生理。

李存東(1964-)，男，河北清河人，博士，教授，研究方向：教學改革和作物栽培。

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1008-6927(2017)02-0085-04