動物科學(xué)專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)的建設(shè)與實踐

李靜 張艷麗

[摘 要] 虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，適應(yīng)了現(xiàn)代畜牧業(yè)對動物科學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)的需求，是提升人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要途徑。目前南京農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院正在積極進行動物科學(xué)專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)的建設(shè)，并取得了一定成果。從虛擬仿真實驗教學(xué)開發(fā)的意義、動物科學(xué)專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的必要性和建設(shè)的實踐與創(chuàng)新等方面進行了闡述。

[關(guān)鍵詞] 虛擬仿真;實驗教學(xué);動物科學(xué)專業(yè)

一、虛擬仿真實驗教學(xué)開發(fā)的意義

虛擬實驗平臺的概念最早是由美國弗吉尼亞大學(xué)的Willam Wulf教授于20世紀(jì)80年代提出來的，目前在國內(nèi)外許多大學(xué)得到了較廣泛研究與應(yīng)用。虛擬仿真實驗教學(xué)綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，通過構(gòu)建逼真的實驗操作環(huán)境和實驗對象，使學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展高效、安全且經(jīng)濟的實驗，進而達(dá)到真實實驗不具備或難以實現(xiàn)的教學(xué)效果，尤其對于那些涉高?；驑O端環(huán)境、不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的大型或綜合性實驗項目，虛擬仿真實驗教學(xué)具有明顯的優(yōu)勢。虛擬仿真實驗教學(xué)，為教學(xué)實驗實習(xí)提供了一個先進而靈活的環(huán)境，可以在很大程度上彌補實驗經(jīng)費、實驗場所、實驗器械以及指導(dǎo)教師不足而造成的實驗深度和廣度不夠的問題，達(dá)到不受時間空間限制的互動式、共享化和信息化實驗的教學(xué)目的。

虛擬仿真實驗是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，體現(xiàn)出信息技術(shù)與教育教學(xué)融合發(fā)展和與學(xué)科專業(yè)深度融合帶來的實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》對高等教育信息化建設(shè)提出了明確要求。信息技術(shù)和教學(xué)深度融合的教學(xué)模式及方法的應(yīng)用，以及信息化條件下學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主管理和自主服務(wù)能力的培養(yǎng)是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要方面。國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目是教育部推出的5類“金課”之一，虛擬仿真實驗教學(xué)是教育信息化發(fā)展的必然趨勢，將會在提升高等教育質(zhì)量和提高學(xué)生實踐創(chuàng)新能力等方面產(chǎn)生積極而重要的影響。

二、動物科學(xué)專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)的必要性

隨著人們生活水平的提高，肉、蛋、奶在生活中的比重越來越大，成為生活中的必需品，傳統(tǒng)畜牧業(yè)逐漸向集約化、規(guī)?；⒔】蛋踩?、生態(tài)環(huán)保等現(xiàn)代畜牧業(yè)發(fā)生轉(zhuǎn)變，因此與畜牧業(yè)緊密相關(guān)的動物科學(xué)成了21世紀(jì)生命科學(xué)中最富有挑戰(zhàn)性和最具發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域之一。這對農(nóng)業(yè)高校動物科學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)提出了更高的要求，對教育思想觀念、人才培養(yǎng)模式等產(chǎn)生了巨大的影響。動物科學(xué)專業(yè)屬實用性極強的專業(yè)，其具有重實踐、重應(yīng)用、重解決實際問題的特點，要求學(xué)生熟練掌握基礎(chǔ)理論并聯(lián)系生產(chǎn)實際，最終為畜牧產(chǎn)業(yè)服務(wù)。實驗實踐教學(xué)作為動物科學(xué)專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)教育之一，是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新精神的必要途徑。然而，由于動物科學(xué)的自身特點，在其實驗實踐教學(xué)過程中往往存在周期長、難度大、成本高、具有疫病傳播風(fēng)險與環(huán)保等現(xiàn)實客觀因素的限制，因此難以保證學(xué)生能很好地參與到整個過程，這在很大程度上制約了學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)為上述問題的解決提供了一條新的思路，通過虛擬仿真實驗教學(xué)資源的建設(shè)，學(xué)生可以隨時、隨地在虛擬環(huán)境中開展實驗活動，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實踐能力，而且這種虛實結(jié)合，相互輔助的實驗教學(xué)形式能夠激發(fā)學(xué)生的興趣，有效提升實驗教學(xué)質(zhì)量。具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

（一）突破動物科學(xué)實驗教學(xué)受時空條件的限制

傳統(tǒng)動物科學(xué)實驗教學(xué)受動物生產(chǎn)周期長和動物疾病感染風(fēng)險的影響。如：動物生產(chǎn)實習(xí)是動物科學(xué)專業(yè)學(xué)生必修的實習(xí)環(huán)節(jié)，涉及環(huán)境衛(wèi)生學(xué)以及牛生產(chǎn)學(xué)、豬生產(chǎn)學(xué)、家禽生產(chǎn)學(xué)、羊生產(chǎn)學(xué)等，學(xué)生掌握豬、禽、羊等畜禽各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)一般需要數(shù)月的時間，周期較長，特別是豬場和雞場防疫嚴(yán)格，一般實行封閉式管理，學(xué)生出入受限，不能保證學(xué)生完整地參與到整個生產(chǎn)過程。因此通過虛擬仿真牧場可以提供開放式生產(chǎn)環(huán)境，實現(xiàn)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)一條龍，學(xué)生可以打破時間和地域的限制完成相關(guān)的教學(xué)實驗和實習(xí)，真正自主完成整個生產(chǎn)過程，有效地彌補了在實際實習(xí)過程中不能參與體驗整個養(yǎng)殖流程的不足。例如，2019年非洲豬瘟疫情嚴(yán)重，動物科學(xué)專業(yè)學(xué)生無法進入養(yǎng)殖企業(yè)進行豬生產(chǎn)實習(xí)。但學(xué)生通過虛擬豬養(yǎng)殖仿真實驗教學(xué)項目進行了豬生產(chǎn)實習(xí)，完成從廠址選擇、豬舍建造，以及“空懷—配種—產(chǎn)仔”和“哺乳仔豬—保育仔豬—生產(chǎn)豬肥育—上市”的虛擬養(yǎng)豬實習(xí)，真實體驗了養(yǎng)豬的全過程。

（二）突破動物科學(xué)實驗教學(xué)受教學(xué)成本和資源消耗的限制

傳統(tǒng)動物科學(xué)實驗教學(xué)受教學(xué)成本和動物福利等問題的困擾。如：動物解剖學(xué)是動物科學(xué)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課程，由于家畜實驗成本高，很難保證學(xué)生大量、反復(fù)地使用實驗動物進行練習(xí)，因此利用3D成像技術(shù)和計算機多媒體技術(shù)，將實驗動物手術(shù)和解剖操作過程整合為一套虛擬仿真實驗，讓學(xué)生在正式實驗操作前進行充分模擬、仿真，這種模式對于學(xué)生把握整個實驗內(nèi)容以及對整個實驗的完成質(zhì)量具有積極意義。而且虛擬仿真實驗可以通過透明度的處理將表面解剖學(xué)與大體解剖學(xué)、系統(tǒng)解剖學(xué)、局部解剖學(xué)巧妙地關(guān)聯(lián)起來，讓各門課程有機結(jié)合在一起，提高了教學(xué)的效果，同時解決了動物實驗教學(xué)帶來的動物福利等問題。

（三）突破動物科學(xué)實驗教學(xué)受疫病傳播風(fēng)險的限制

部分動物科學(xué)實驗存在疾病感染風(fēng)險，威脅師生健康。如：家畜傳染病學(xué)是研究家畜、家禽傳染病發(fā)生和發(fā)展的規(guī)律以及預(yù)防和消滅這些傳染病方法的科學(xué)，畜禽傳染病具有危害大，傳播快等特點，特別是某些傳染病還屬于人畜共患病。因此這類實驗實習(xí)對師生的人身安全存在嚴(yán)重的風(fēng)險，學(xué)生不可能到發(fā)病現(xiàn)場甚至直接接觸病畜，因此通過虛擬仿真實驗，可在網(wǎng)絡(luò)上對發(fā)病表現(xiàn)、傳播途徑等有全面的認(rèn)識和了解，加深對傳染病臨床癥狀的認(rèn)識和判斷。

三、動物科學(xué)專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)的建設(shè)實踐與創(chuàng)新

目前學(xué)院正在按照“整合資源，虛實互補、多元協(xié)同”的原則，以有利于培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力為出發(fā)點，激發(fā)學(xué)生實驗學(xué)習(xí)的興趣，促進理論教學(xué)和實驗教學(xué)相結(jié)合，建立基于3D建模和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)“虛實結(jié)合”的動物生產(chǎn)學(xué)虛擬仿真實踐教學(xué)資源，探索實驗教學(xué)新模式，從而增強動物科學(xué)實驗教學(xué)水平和提升學(xué)生創(chuàng)新能力。將虛擬仿真實驗作為實體實驗的有益補充，對虛擬仿真實驗的開設(shè)貫徹“能實不虛，虛為實補”的原則。堅持以學(xué)生為本，突出動物科學(xué)的專業(yè)特色，虛實結(jié)合，提高學(xué)生認(rèn)知和專業(yè)實踐能力。

（一）虛實結(jié)合，構(gòu)建“四位一體”的動物科學(xué)實驗教學(xué)新模式

充分考慮動物科學(xué)專業(yè)學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)特點和專業(yè)人才培養(yǎng)需求，堅持“整合資源，虛實互補、多元協(xié)同”的原則，以動物生產(chǎn)過程中“種—養(yǎng)—管—病”為主線，注重實體實驗知識的傳授和實踐能力的培養(yǎng)，建立基于實體實驗室、虛擬仿真實驗、校內(nèi)實習(xí)基地、校外實踐基地“四位一體”的實驗教學(xué)新模式，并以此模式為基礎(chǔ)，重點建設(shè)了動物生產(chǎn)學(xué)、家畜育種學(xué)、動物生理學(xué)、家畜解剖學(xué)、畜禽傳染病學(xué)、飼料學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，涵蓋動物科學(xué)專業(yè)的核心課程體系，彌補動物科學(xué)實驗教學(xué)中家畜生長周期長，實體解剖成本高、消耗大，人畜共患病傳播風(fēng)險高等問題，保證了實驗教學(xué)質(zhì)量。給學(xué)生提供實驗前預(yù)習(xí)、實驗過程的智能指導(dǎo)、實驗提交后的報告和實驗結(jié)果自動批改、實驗教學(xué)效果的評估等功能，既相互獨立、自成一體，又能相互補充。

（二）研教結(jié)合，將成熟的科研成果轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容

在保障正常教學(xué)中基礎(chǔ)性實驗、綜合性和創(chuàng)新性實驗三個層次的基礎(chǔ)上，依托學(xué)科優(yōu)勢，將一些成熟的科研成果轉(zhuǎn)化為仿真實驗教學(xué)資源。我校王鋒教授團隊承擔(dān)的農(nóng)業(yè)農(nóng)村部轉(zhuǎn)基因重大專項，成功獲得了一批轉(zhuǎn)基因克隆奶山羊，中心通過自主開發(fā)動物克隆技術(shù)虛擬仿真實驗項目，讓學(xué)生更為直觀地接觸到前沿科研動態(tài)，掌握先進的繁殖新技術(shù)，提高學(xué)生參與科研的興趣。

（三）校企結(jié)合，提高學(xué)生的生產(chǎn)實踐能力和創(chuàng)新能力

虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)中，與國家農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化重點龍頭企業(yè)以及多家信息科技企業(yè)強強聯(lián)合，共同開發(fā)虛擬仿真教學(xué)軟件，利用3D建模技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行虛實結(jié)合，將農(nóng)業(yè)行業(yè)企業(yè)與虛擬仿真豬場和雞場有機結(jié)合起來，實現(xiàn)學(xué)生在線虛擬養(yǎng)殖與現(xiàn)實豬場的實時觀測，切實提高學(xué)生的生產(chǎn)實踐能力。學(xué)院采取共同開發(fā)、共建實驗室、共同運營、優(yōu)勢互補等多種方式開展與企業(yè)的深度合作，形成了共建、共管、共贏的資源建設(shè)新模式。

（四）點面結(jié)合，拓展學(xué)生自主學(xué)習(xí)時間與空間，增強社會輻射示范效應(yīng)

虛擬仿真實驗教學(xué)項目遵照“服務(wù)、開放、共享”的原則，建立了實驗室網(wǎng)站，并依托網(wǎng)站建立了實驗室信息化管理運行平臺，實現(xiàn)了虛擬實驗教學(xué)、實體實驗教學(xué)和儀器設(shè)備的智能化網(wǎng)絡(luò)化管理。學(xué)生可以通過校園網(wǎng)訪問，認(rèn)證后登錄學(xué)習(xí)，拓展了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的時間和空間，取得了良好的教學(xué)效果。隨著動物科學(xué)虛擬實驗資源和服務(wù)器帶寬承載量等硬件條件的改善，將會考慮面向社會開放虛擬實驗資源，形成畜牧行業(yè)內(nèi)具有影響力的虛擬實驗培訓(xùn)中心，增強社會輻射示范效應(yīng)。

四、目前取得的成果

目前學(xué)院已建成國家級虛擬仿真實驗教學(xué)項目1項，省級虛擬仿真實驗教學(xué)項目2項，每年有動物科學(xué)專業(yè)學(xué)生約110人使用學(xué)習(xí)，學(xué)生瀏覽次數(shù)超過萬次。具有“開放性、交互性和易操作”等優(yōu)點，不受時空條件的限制，學(xué)生可以隨時隨地進行自主學(xué)習(xí)，以虛促實，提高了實驗教學(xué)效果。動物科學(xué)專業(yè)學(xué)生通過現(xiàn)場實習(xí)和虛擬實驗的互補式學(xué)習(xí)，多次獲全國大學(xué)生動物科學(xué)專業(yè)技能大賽“特等獎”和“一等獎”。

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