3D虛擬仿真技術(shù)在高?！皠?dòng)物生產(chǎn)學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐

廉紅霞 王林楓 付彤 李改英

[摘 要] 為提高學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量，基于動(dòng)物科學(xué)專業(yè)“動(dòng)物生產(chǎn)學(xué)”課程的特點(diǎn)，通過3D虛擬仿真技術(shù)這一現(xiàn)代科技手段構(gòu)建教學(xué)新系統(tǒng)、建立動(dòng)物生產(chǎn)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室、構(gòu)建新的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)系統(tǒng)。從而改善教學(xué)模式，豐富教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞] 3D虛擬仿真技術(shù);動(dòng)物生產(chǎn)學(xué);教學(xué)模式;信息化教學(xué)

[基金項(xiàng)目] 2019年河南省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“3D虛擬仿真技術(shù)在高校動(dòng)物生產(chǎn)教學(xué)中的應(yīng)用研究”（[2019]-JKGHYB-0039）;2018年河南省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“互聯(lián)網(wǎng)背景下企業(yè)可視化信息共享平臺(tái)在高校動(dòng)物生產(chǎn)教學(xué)中的應(yīng)用研究”（〔2018〕-JKGHYB-0033）

[作者簡介] 廉紅霞（1977—），女，河南焦作人，博士，碩士研究生導(dǎo)師，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授，主要從事反芻動(dòng)物營養(yǎng)研究;王林楓（1968—），男，河南汝陽人，博士，碩士研究生導(dǎo)師，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授，主要從事反芻動(dòng)物營養(yǎng)研究;付 彤（1976—），男，河南輝縣人，博士，碩士研究生導(dǎo)師，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授（通信作者），主要從事反芻動(dòng)物飼料與營養(yǎng)研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）40-0258-02? ? [收稿日期] 2020-04-06

教育強(qiáng)國是中華民族偉大復(fù)興的基礎(chǔ)工程，必須把教育事業(yè)放在優(yōu)先位置，加快教育現(xiàn)代化。動(dòng)物生產(chǎn)學(xué)是農(nóng)業(yè)高校動(dòng)物科學(xué)專業(yè)的核心課程，實(shí)驗(yàn)課具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和應(yīng)用性，是動(dòng)物生產(chǎn)學(xué)的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和良好素質(zhì)的有力手段[1]，在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上都有很高的要求。目前國內(nèi)各院校動(dòng)物生產(chǎn)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)普遍得不到重視[2]，經(jīng)過多年對(duì)動(dòng)物生產(chǎn)學(xué)的實(shí)踐教學(xué)的改革探索，提出將3D虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于高校動(dòng)物生產(chǎn)學(xué)教學(xué)與實(shí)踐。

一、3D虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

教育部頒布的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》提到，推動(dòng)信息技術(shù)與高等教育深度融合，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，高校教學(xué)信息化的創(chuàng)建成為現(xiàn)代教育事業(yè)發(fā)展的全新趨勢[3]。教學(xué)信息化能夠有效實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源及管理工作數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化及信息化。隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，不斷涌現(xiàn)出各種新的教學(xué)手段，虛擬仿真技術(shù)是近幾年來國內(nèi)外科技界關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)，它的興起，為人工智能的發(fā)展開創(chuàng)了新的研究和發(fā)展領(lǐng)域，虛擬仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)學(xué)實(shí)習(xí)、軍事訓(xùn)練、建筑設(shè)計(jì)、教育培訓(xùn)等眾多領(lǐng)域。

2013年教育部印發(fā)了《關(guān)于開展國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》，其主要目的在于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，深化教學(xué)知識(shí)體系的融合，突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)中成本高、周期長，時(shí)空局限等多種因素的限制[4]。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，可以提高學(xué)生思維的靈活性和跳躍性，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐能力。虛擬仿真技術(shù)教學(xué)綜合運(yùn)用了虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)絡(luò)通信等多種高科技技術(shù)，通過虛擬技術(shù)模擬現(xiàn)實(shí)世界構(gòu)建一個(gè)真實(shí)可視化的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，形成了一個(gè)優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)方法的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，使學(xué)生能在虛擬、開放、自主的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中開展高效、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了在真實(shí)實(shí)驗(yàn)情況下不具備的教學(xué)效果[5，6]。

二、“動(dòng)物生產(chǎn)學(xué)”引入3D虛擬仿真技術(shù)的必要性

在教育與技術(shù)飛躍發(fā)展的今天，在課堂講授過程中合理地運(yùn)用實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法能很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足。《動(dòng)物生產(chǎn)學(xué)》作為農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)專業(yè)學(xué)生必修課，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和應(yīng)用性，是課程體系的重要組成部分。然而，由于認(rèn)識(shí)不足和條件所限，學(xué)生在校學(xué)習(xí)的僅僅是理論，并沒有真正接觸生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐的認(rèn)識(shí)只是停留在課本的概念上，難以對(duì)真正的動(dòng)物生產(chǎn)形成完整的概念，影響了教學(xué)效果。虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)，具有強(qiáng)大的實(shí)時(shí)功能，能夠真實(shí)模擬生產(chǎn)過程，提供多種交互手段。將3D虛擬仿真技術(shù)引入“動(dòng)物生產(chǎn)學(xué)”教學(xué)，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段提高課堂教學(xué)的有效性，為理論教學(xué)帶來仿真手段和技術(shù)實(shí)現(xiàn)水平的革命性進(jìn)步。

將虛擬仿真教學(xué)技術(shù)引入“動(dòng)物生產(chǎn)學(xué)”理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)，與傳統(tǒng)的教學(xué)手段相互補(bǔ)充，有效地為學(xué)生提供更加接近真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效提高教學(xué)效果和質(zhì)量。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于營造創(chuàng)新型人才培養(yǎng)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力等方面意義重大。使抽象枯燥的課堂理論教學(xué)結(jié)合生動(dòng)的實(shí)際生產(chǎn)過程，讓學(xué)生在快樂中學(xué)習(xí)知識(shí)，增強(qiáng)教學(xué)效果，提高學(xué)生的素質(zhì)。將為高校提供低成本、高效率的教學(xué)實(shí)驗(yàn)手段，為本科教育帶來了全新的教學(xué)理念和教學(xué)模式。

三、“動(dòng)物生產(chǎn)學(xué)”3D虛擬仿真技術(shù)教學(xué)體系的構(gòu)建

“動(dòng)物生產(chǎn)學(xué)”教學(xué)體系中3D虛擬仿真技術(shù)的構(gòu)建如上圖所示，具體包括如下三個(gè)方面。

（一）構(gòu)建理論教學(xué)新系統(tǒng)

在大學(xué)的多媒體教室，教師在講解動(dòng)物生產(chǎn)理論課時(shí)，遇到不易描述的細(xì)節(jié)內(nèi)容，可通過互聯(lián)網(wǎng)調(diào)出動(dòng)物生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)和管理的視頻信息，有針對(duì)性地形象解釋其結(jié)構(gòu)、功能、運(yùn)行等具體細(xì)節(jié)。使遠(yuǎn)程和近程“合體”，理論和實(shí)踐“結(jié)合”，抽象與具體“相融”，構(gòu)建“全息”教學(xué)系統(tǒng)，加快學(xué)生的理解，增強(qiáng)課堂教學(xué)的效果。

（二）建立動(dòng)物生產(chǎn)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室

對(duì)具有一定規(guī)模、復(fù)雜及高消耗的實(shí)驗(yàn);概率較低、偶然接觸到的內(nèi)容;復(fù)雜事物的變化過程，及一些危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)過程構(gòu)建以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為主的生物仿真引擎、仿真數(shù)據(jù)庫、虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境界面和網(wǎng)絡(luò)化硬件平臺(tái)等幾部分組成動(dòng)物生產(chǎn)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)用于動(dòng)物生產(chǎn)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，包括：（1）建立動(dòng)物生產(chǎn)企業(yè)虛擬環(huán)境界面，讓學(xué)生對(duì)養(yǎng)殖場整個(gè)生產(chǎn)過程、操作過程有詳盡的學(xué)習(xí)，開展場區(qū)設(shè)計(jì)、群體周轉(zhuǎn)計(jì)劃制定、生產(chǎn)成本核算等綜合實(shí)驗(yàn)。（2）構(gòu)建動(dòng)物生產(chǎn)仿真數(shù)據(jù)庫，完成整個(gè)生產(chǎn)期的周轉(zhuǎn)計(jì)劃。（3）建立生物仿真引擎，開展動(dòng)物的發(fā)情鑒定、人工授精、胚胎發(fā)育等仿真實(shí)驗(yàn)。（4）構(gòu)建動(dòng)物生產(chǎn)的營養(yǎng)攝入、生理指標(biāo)及生產(chǎn)性能等仿真數(shù)據(jù)庫，綜合分析，完成生產(chǎn)的預(yù)警系統(tǒng)及營養(yǎng)診斷。

（三）構(gòu)建學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)系統(tǒng)

利用3D虛擬技術(shù)平臺(tái)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程、操作過程、考試等進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，并將學(xué)生的學(xué)習(xí)成果利用3D虛擬平臺(tái)展示出來。

四、3D虛擬仿真技術(shù)在“動(dòng)物生產(chǎn)學(xué)”教學(xué)體系中的應(yīng)用效果

3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可將動(dòng)物生產(chǎn)中長期、復(fù)雜或微觀的場景進(jìn)行虛擬展示和虛擬復(fù)原，從而使生產(chǎn)脫離地域限制，實(shí)現(xiàn)資源共享。亦可與動(dòng)物生產(chǎn)過程、微觀實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行完美的結(jié)合。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)把枯燥的理論變?yōu)轷r活的圖形，使學(xué)生可交互式參與，引發(fā)學(xué)生濃厚的興趣，從而達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際的目的。可見，本研究主張采取的“理論講解+實(shí)際場景”的視頻信號(hào)是典型的復(fù)合型信號(hào)，伴隨有文字、聲音、顏色、動(dòng)作等多種信息，在大腦形成的印象會(huì)更深、更久，增強(qiáng)教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

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[4]關(guān)于開展國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知（教高司函〔2013〕94號(hào)）[EB/OL].（2013-08-13）http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/A08_gggs/A08_sjhj/201308/t20130821_156121.html

[5]李平，毛昌杰，徐進(jìn).開展國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)，提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化水平[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（11）：5-8.

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