雜交稻制種播期預(yù)測虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡凝　肖薇　李永秀

摘 ?要： 作物光溫反應(yīng)特性是農(nóng)業(yè)氣象學(xué)重要的知識(shí)點(diǎn)，在指導(dǎo)花期調(diào)控方面具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。鑒于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的諸多不足，將混合式學(xué)習(xí)理論應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)，基于雜交稻制種過程中的花期相遇和氣象災(zāi)害問題，設(shè)計(jì)雜交稻制種播期預(yù)測虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)以Unity3D為開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了水稻生長發(fā)育過程的虛擬展示，改變光溫條件后可以直接觀察到發(fā)育速度的變化，輸入不同的父母本播種期后可以顯示制種結(jié)果的差異性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過人機(jī)交互不僅加深了學(xué)生對(duì)光溫反應(yīng)特性的理解，更提高了學(xué)生的系統(tǒng)分析和綜合設(shè)計(jì)能力。

關(guān)鍵詞： 雜交稻; 播期預(yù)測; 虛擬仿真; 光溫反應(yīng); 開發(fā)平臺(tái); 人機(jī)交互

中圖分類號(hào)： TN911?34; TP391; S16 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）24?0079?03

Design and implementation of virtual simulation experiment for prediction of sowing time for hybrid rice seed production

HU Ning， XIAO Wei， LI Yongxiu

（School of Applied Meteorology， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China）

Abstract： The characteristic of photo?thermo reaction of the crop is an important knowledge point in agricultural meteorology， which has a high application value in florescence control. In view of the fact that the traditional experimental teaching has many shortcomings， the blended learning theory is applied to practice teaching. The virtual simulation experiment for prediction of the sowing time for hybrid rice seed production was written on the basis of florescence synchronization and meteorological disasters in the seed production process of hybrid rice. In this experiment， the Unity3D is used as the development platform to realize the virtual display of growth and development process of the rice. Students can directly observe the change of growth speed after changing the photo?thermo conditions. The difference of seed production results can be displayed after inputting different sowing time of rice male and female parents. The experimental results show that， with the human?computer interaction， students′understanding of the characteristics of photo?thermo reaction is deepened， and students′abilities of system analysis and comprehensive design are improved.

Keywords： hybrid rice; sowing time prediction; virtual simulation; photo?thermo reaction; development platform; human?computer interaction

0 ?引 ?言

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是我國高校實(shí)踐教學(xué)的重要發(fā)展方向[1]，突破了傳統(tǒng)教育的壁壘，可以為學(xué)生的探究式自主實(shí)驗(yàn)、合作式學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)踐提供先進(jìn)的手段和開放的平臺(tái)，隨時(shí)應(yīng)對(duì)新冠病毒等突發(fā)事件對(duì)線下教學(xué)的影響[2?4]。結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的線上線下混合式教學(xué)，不僅可以幫助學(xué)生更好地理解知識(shí)點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的思維方式，增強(qiáng)學(xué)生解決問題的能力，全面提高教學(xué)質(zhì)量。

南京信息工程大學(xué)響應(yīng)國家加速推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)平衡發(fā)展的要求，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度和深度，推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)[5?8]，成立了國家級(jí)大氣科學(xué)類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心——大氣科學(xué)與氣象信息虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，建成了地球科學(xué)省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺(tái)[9]，這對(duì)于大氣科學(xué)創(chuàng)新型專業(yè)人才培養(yǎng)具有重要意義。

為了體現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)的容錯(cuò)性，學(xué)生可以任意地設(shè)置光溫條件。比如，水稻的下限溫度為12 ℃，當(dāng)學(xué)生設(shè)置的溫度為8 ℃時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)提示水稻不能正常生長。這里采用了探究式教學(xué)，當(dāng)學(xué)生設(shè)計(jì)的溫度水平越高時(shí)，水稻的生長發(fā)育速度越快，生育期長度越短。從而使學(xué)生在不斷地嘗試中找出規(guī)律，理解基本營養(yǎng)生長性、感光性和感溫性的概念。

通過實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)了學(xué)生的主體地位、主動(dòng)能力，鍛煉數(shù)據(jù)分析能力和邏輯思維能力。

3） 雜交稻制種

在這個(gè)環(huán)節(jié)里，采用探究式和問題式教學(xué)方式。學(xué)生要?dú)w納總結(jié)雜交稻父本和母本的播種期與抽穗期的規(guī)律，推測在哪個(gè)時(shí)間播種既能保證父母本的開花期會(huì)相遇，同時(shí)又能夠避免遭遇農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，以此設(shè)計(jì)最佳的播種期，達(dá)到雜交稻制種穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的目的。不同的播種期設(shè)計(jì)方案會(huì)產(chǎn)生不同的制種結(jié)果。如果父本、母本的花期相遇，同時(shí)又未遭遇農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，則制種成功;如果父本、母本的花期相遇，但遭遇了農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，則水稻減產(chǎn);如果父本、母本的花期不遇，則制種失敗。

通過實(shí)驗(yàn)，不僅激發(fā)了學(xué)生自動(dòng)探索的欲望，還能幫助學(xué)生了解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際問題，理論聯(lián)系實(shí)際，增強(qiáng)其分析解決問題的能力。

2 ?結(jié) ?語

雜交稻制種播期預(yù)測虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是農(nóng)業(yè)氣象學(xué)的虛擬仿真課程體系的一個(gè)部分。其突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的限制，將在實(shí)驗(yàn)室、試驗(yàn)田的教學(xué)活動(dòng)延伸到網(wǎng)絡(luò)，不僅可以服務(wù)于各大高校的學(xué)生，提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，讓枯燥的課堂教學(xué)變得有趣、生動(dòng)，也可以和水稻育種人員共享實(shí)驗(yàn)課程，在水稻新品種的引種和推廣過程中，幫助解析各種氣象災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)程度，減少經(jīng)濟(jì)損失和貿(mào)易摩擦。

未來課程將豐富軟件中的作物種類，增加不同的實(shí)習(xí)場景，進(jìn)一步開展農(nóng)業(yè)自然資源評(píng)價(jià)與利用、種植制度的優(yōu)化和布局、作物長勢監(jiān)測和產(chǎn)量預(yù)報(bào)、農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)、設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境調(diào)控、農(nóng)業(yè)病蟲害氣象監(jiān)測預(yù)測、農(nóng)業(yè)應(yīng)對(duì)氣候變化等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

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作者簡介：胡 ?凝（1978—），女，浙江安吉人，博士，講師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)氣象學(xué)。

肖 ?薇（1982—），女，黑龍江綏化人，博士，教授，研究方向?yàn)樯锶εc大氣圈之間的相互作用。

李永秀（1979—），女，甘肅武威人，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)氣象學(xué)。