虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐型人才的探索—以福建農(nóng)林大學(xué)《海峽特色園藝植物工廠化栽培虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目》為例

鐘鳳林 侯毛毛 申寶營 福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院 陳競楠 福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

近年來，黨中央、國務(wù)院高度重視教育信息化工作?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》指出，“信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命性影響，必須予以高度重視”，并把“加快教育信息化進(jìn)程”單獨(dú)作為一部分進(jìn)行了專門的闡述。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的本質(zhì)特征是應(yīng)用信息技術(shù)，創(chuàng)造探索性和實(shí)踐型學(xué)習(xí)的開放平臺，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，同時為現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革增添助力。

由于受到實(shí)驗(yàn)場地、資金投入的限制，高校難以為植物學(xué)、生態(tài)學(xué)、工程學(xué)等不少學(xué)科的學(xué)生提供與真實(shí)操作現(xiàn)場完全一致的場景[6-8]。為了提升學(xué)生實(shí)踐能力，許多時候?qū)W校將學(xué)生送入企業(yè)學(xué)習(xí)或在學(xué)校內(nèi)進(jìn)行輪班實(shí)踐，這一方面給平時的課程安排造成不便，另一方面影響企業(yè)的正常生產(chǎn)，很多大型精密儀器沒有經(jīng)過培訓(xùn)讓學(xué)生上手操作，極易損壞儀器造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。而虛擬仿真技術(shù)可以為學(xué)生模擬真實(shí)的現(xiàn)場條件，學(xué)生經(jīng)過虛擬仿真軟件培訓(xùn)合格后方可上機(jī)操作，有效實(shí)現(xiàn)了理論知識學(xué)習(xí)到現(xiàn)場實(shí)踐操作之間的柔性過渡。本研究擬以福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院《海峽特色園藝植物工廠化栽培虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目》為例，系統(tǒng)全面地分析項(xiàng)目建設(shè)背景和目的、建設(shè)過程和建設(shè)成效，以期為類似學(xué)科創(chuàng)新實(shí)踐型人才培養(yǎng)提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 項(xiàng)目建設(shè)背景與目的

1.1 培養(yǎng)服務(wù)于地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家戰(zhàn)略需求的創(chuàng)新實(shí)踐型園藝人才

臺灣和福建有天然的地理優(yōu)勢，經(jīng)濟(jì)合作有深厚的潛力?！耙粠б宦贰背h以來，閩臺兩地抓住歷史機(jī)遇，在產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和經(jīng)貿(mào)往來上取得了積極進(jìn)展。園藝產(chǎn)業(yè)是閩臺經(jīng)濟(jì)貿(mào)易和科技交流的關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)，在福建和臺灣農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中均占據(jù)重要地位，目前臺商在閩投資園藝產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模。福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院具有一級學(xué)科“園藝學(xué)”博士后流動站，在園藝專業(yè)人才的培養(yǎng)上備受關(guān)注。作為傳統(tǒng)優(yōu)勢及重點(diǎn)學(xué)科，福建農(nóng)林大學(xué)園藝專業(yè)為福建省園藝產(chǎn)業(yè)發(fā)展和人才輸送提供了有力保障，也是未來閩臺園藝產(chǎn)業(yè)合作中人才培養(yǎng)的主力軍。因此，在“一帶一路”戰(zhàn)略、“鄉(xiāng)村振興”計劃和閩臺園藝產(chǎn)業(yè)合作機(jī)遇的大框架下，依托福建省園藝產(chǎn)業(yè)特色和福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)科優(yōu)勢，將真實(shí)企業(yè)項(xiàng)目、教師科研項(xiàng)目、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目轉(zhuǎn)化成為了虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目，促進(jìn)“虛擬教學(xué)-現(xiàn)實(shí)教學(xué)-科學(xué)研究-實(shí)踐應(yīng)用”相互轉(zhuǎn)化和相互融合，培養(yǎng)服務(wù)于地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家戰(zhàn)略需求的創(chuàng)新實(shí)踐型園藝人才。

1.2 突破傳統(tǒng)教學(xué)在實(shí)驗(yàn)周期、教學(xué)場地、設(shè)備數(shù)量等方面的局限

福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院設(shè)施農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程系設(shè)有專業(yè)核心課程《設(shè)施農(nóng)業(yè)控制技術(shù)與裝備》及配套實(shí)驗(yàn)，面向設(shè)施專業(yè)大學(xué)三年級學(xué)生。然而，在植物工廠化栽培實(shí)驗(yàn)中，受到教學(xué)場地、時間、設(shè)備數(shù)量等多方面限制，教學(xué)實(shí)施上存在真實(shí)條件不具備、難以達(dá)到教學(xué)效果的問題。如（1）栽培裝置實(shí)物高度高且體積大，水路電路系統(tǒng)交織繁雜，搭建和裝配過程存在安全隱患；（2）裝置臺套數(shù)少，不能滿足本專業(yè)所有學(xué)生同時開課的需求；（3）園藝植物生長周期長，難以實(shí)時觀察營養(yǎng)液性質(zhì)變化和植物發(fā)育動態(tài)；（4）教學(xué)準(zhǔn)備、維護(hù)和還原的工作量大，給教學(xué)管理帶來較大困難。

鑒于此，在已有課程的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維為目標(biāo)，以虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛、互為補(bǔ)充、示范輻射和社會共享為指導(dǎo)思想，以閩臺特色園藝植物為試驗(yàn)材料，借助虛擬仿真、網(wǎng)絡(luò)通訊、人機(jī)交互和多媒體技術(shù)，建設(shè)“海峽特色園藝植物工廠化栽培”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。項(xiàng)目融合現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)+教育、多樣化教學(xué)、在線教學(xué)和虛擬實(shí)驗(yàn)仿真，營造學(xué)生自主性學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)和探索性學(xué)習(xí)氛圍。不僅可降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的時間、場地、設(shè)備數(shù)量制約，實(shí)現(xiàn)隨時隨地學(xué)習(xí)，而且有利于《設(shè)施植物栽培學(xué)》《設(shè)施植物營養(yǎng)學(xué)》《設(shè)施農(nóng)業(yè)控制技術(shù)與裝備》《無土栽培》《花卉栽培學(xué)》《園藝療法》和《植物遺傳育種》等多課程資源共享，幫助學(xué)生知識點(diǎn)串聯(lián)和知識體系構(gòu)建，強(qiáng)化學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

項(xiàng)目通過2個模塊實(shí)驗(yàn)，具體達(dá)到以下目的：（1）園藝植物栽培設(shè)施搭建模塊。要求學(xué)生掌握栽培設(shè)施各零部件的用途及安裝要點(diǎn)，及掌握環(huán)境控制裝備的功能、選型和安裝方法；（2）園藝植物工廠化生產(chǎn)模塊。要求學(xué)生掌握閩臺特色園藝植物的生長習(xí)性及環(huán)境參數(shù)設(shè)定方法，及掌握生產(chǎn)過程中營養(yǎng)液理化性質(zhì)變異的原因及解決途徑。

2 項(xiàng)目建設(shè)與實(shí)施

2.1 項(xiàng)目知識點(diǎn)設(shè)計與項(xiàng)目建設(shè)

植物工廠設(shè)計目前還未有統(tǒng)一的國家技術(shù)規(guī)范，用人單位對該方面的人才需求量又非常大。鑒于此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)走訪數(shù)十家植物工廠生產(chǎn)企業(yè)，考察其對本專業(yè)人才理論和實(shí)踐技能的要求。大部分企業(yè)均要求學(xué)生具備植物工廠設(shè)計、建設(shè)、生產(chǎn)及商品化選擇全過程的知識能力，即在給定的生產(chǎn)空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)從“無”到“有”。鑒于此，本項(xiàng)目以不同類型的3種閩臺特色作物—中草藥作物金線蓮、蔬菜作物青梗菜和花卉作物蝴蝶蘭為材料，設(shè)計2大模塊共10個知識點(diǎn)。

模塊1為植物生產(chǎn)模塊，具體包括栽培設(shè)施搭建→營養(yǎng)箱選型→空調(diào)選型→環(huán)境控制裝備安裝。主要步驟的操作要點(diǎn)和參數(shù)如下：

(1）栽培設(shè)施搭建（圖1-a）

①栽培槽安裝：將零部件箱中的栽培槽安裝至正確位置，要求注意栽培槽應(yīng)按照一定比例傾斜，傾斜角度以不影響進(jìn)水側(cè)植物種植為前提。

②進(jìn)水口安裝：進(jìn)水口應(yīng)安裝于設(shè)計液面上方，防止系統(tǒng)關(guān)閉時虹吸原理造成營養(yǎng)回流，損壞水泵甚至導(dǎo)致短路。

③進(jìn)出水管安裝：出水管管徑應(yīng)滿足所有分出水管出水流量總和的要求。

④泡沫/塑料板安裝：泡沫/塑料板應(yīng)安裝于設(shè)計液面以上1-3cm位置，防止缺氧脅迫阻礙根系生長發(fā)育。

(2）營養(yǎng)箱選型（圖1-b）

①營養(yǎng)箱理論體積計算：為保證正常循環(huán)，營養(yǎng)箱理論體積應(yīng)為各栽培層營養(yǎng)液體積之和，計算方法如下：

式中，V為營養(yǎng)箱理論體積（cm3），n為栽培槽層數(shù)，Li為栽培槽底面長度（cm），Wi為栽培槽底面寬度（cm），Hi為設(shè)計液面高度（cm）。

②營養(yǎng)箱最小體積計算：實(shí)際生產(chǎn)中，營養(yǎng)箱容積設(shè)計應(yīng)當(dāng)考慮水泵進(jìn)水口與營養(yǎng)箱底面的距離，及進(jìn)出水管道內(nèi)營養(yǎng)液體積，因此營養(yǎng)箱最小體積計算方法如下：

式中，Vmin為營養(yǎng)箱最小體積（cm3），Vd為水泵進(jìn)水口所在平面與營養(yǎng)箱底面形成的體積（cm3），Vp為進(jìn)出水管道容積總和（cm3）。

③營養(yǎng)箱選型和安裝：必須選擇大于營養(yǎng)箱最小體積的營養(yǎng)箱，安裝于正確位置。

(3）空調(diào)選型（圖1-c）

①空調(diào)最小制冷（熱）量計算：根據(jù)不同作物生長需要計算單位面積制冷（熱）量，結(jié)合空間大小計算出空調(diào)制冷（熱）量，制冷（熱）量加上10%的富余量即為空調(diào)最小制冷（熱）量。

②空調(diào)選型和安裝：空調(diào)匹數(shù)應(yīng)滿足最小制冷（熱）量需求，安裝在屋頂中央，以均勻地對植物工廠進(jìn)行增溫降溫。

（4）環(huán)境控制裝備安裝（圖1-d）

將溫度、濕度、CO2傳感器均勻安裝于墻體中部，防止安裝高度過高或過低造成誤報警。補(bǔ)光LED燈設(shè)置應(yīng)考慮光照均勻度，過道側(cè)LED燈布置相對密集。

圖1 植物工廠搭建模塊虛擬仿真

模塊2為植物生產(chǎn)模塊，具體操作步驟包括進(jìn)場消毒→環(huán)境參數(shù)設(shè)置→營養(yǎng)液配制→營養(yǎng)液性質(zhì)測定→突發(fā)情況處理→園藝植物商品化選擇。

(1）進(jìn)場消毒（圖2-a）

進(jìn)場前更換防護(hù)服和腳套，在手上噴灑消毒液，進(jìn)入風(fēng)淋室吹走身上灰塵并噴灑消毒水消毒。同時控制室內(nèi)的消毒裝置設(shè)定消毒時間進(jìn)行整個植物工廠的消毒。室內(nèi)紫外線消毒照射時間不少于30min，操作者在關(guān)閉閉紫外線燈15-20min后再進(jìn)入室內(nèi)。

(2）環(huán)境參數(shù)設(shè)置（圖2-b）

①金線蓮：EC值1Ms/cm，pH5.0-6.0，溫度 20-30℃，光強(qiáng)3000-4000lux。

②青梗菜：EC值 2Ms/cm，pH6.0-7.0，溫度15-25℃，補(bǔ)充二氧化碳。

③蝴蝶蘭：EC值1Ms/cm，pH5.5-6.0，溫度25-28℃，光強(qiáng)11000lux。

（3）營養(yǎng)液配制（圖2-c）

①金線蓮：通過最優(yōu)硝銨配比計算每升營養(yǎng)液中應(yīng)加入多少硝酸鉀、四水合硝酸鈣和硝酸銨。金線蓮最佳硝銨態(tài)氮配比是6：1，每升營養(yǎng)液硝態(tài)氮6mmol/L，銨態(tài)氮1mmol/L,最適合金線蓮生長。因此，計算可得硝酸鉀添加量350mg/L，四水合硝酸鈣472mg/L，硝酸銨30mg/L。

②青梗菜：青梗菜最佳硝銨態(tài)氮配比是7：1，每升營養(yǎng)液硝態(tài)氮14mmol/L，銨態(tài)氮2mmol/L,最適合青梗菜生長。因此，計算可得硝酸鉀添加量607mg/L，四水合硝酸鈣945mg/L，磷酸銨230mg/L。

③蝴蝶蘭：蝴蝶蘭的最佳硝銨態(tài)氮配比是4：1，每升營養(yǎng)液硝態(tài)氮4mmol/L，銨態(tài)氮1mmol/L，最適合蝴蝶蘭的生長。因此，計算可得硝酸鉀添加量177mg/L，四水合硝酸鈣354mg/L，硫酸銨132mg/L。

（4）營養(yǎng)液性質(zhì)測定（圖2-d）

利用pH/EC測定儀測定營養(yǎng)液pH值和EC值，并觀測其動態(tài)變化。

（5）突發(fā)情況處理（圖2-e）

正常情況下營養(yǎng)液EC值逐漸下降，pH逐漸升高由弱酸性變?yōu)槿鯄A性。

①EC值不正常升高：配制營養(yǎng)液時藥劑未完全溶解，植物生長過程中逐漸溶解導(dǎo)致EC值異常升高，此時加水稀釋。

②pH值不正常下降：考慮出現(xiàn)根系腐爛等情況，此時及時更換營養(yǎng)液并篩去爛根植物。

(6）園藝植物商品化選擇（圖2-f）

出現(xiàn)多株植物的3D立體圖，根據(jù)采收標(biāo)準(zhǔn)選擇滿足商品化要求的園藝植物。

圖2 海峽特色植物生產(chǎn)模塊虛擬仿真

2.2 項(xiàng)目實(shí)施

課程之前，學(xué)生對虛擬平臺和虛擬軟件中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)和試操作。課程開始，教師在多媒體實(shí)驗(yàn)室演示虛擬教學(xué)平臺中的虛擬軟件，學(xué)生正式進(jìn)入實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)難點(diǎn)的解答和互動通過網(wǎng)絡(luò)平臺中的在線答疑功能進(jìn)行。模塊一（園藝植物栽培設(shè)施搭建）虛擬實(shí)驗(yàn)完成并測試合格后，學(xué)生可進(jìn)行預(yù)約實(shí)驗(yàn)，按照預(yù)約時間和地點(diǎn)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，在15：1縮小的微型植物工廠模型中完成生產(chǎn)裝置的搭建和安裝調(diào)試。模塊二（園藝植物工廠化生產(chǎn)模塊）虛擬實(shí)驗(yàn)完成并測試合格后，學(xué)生可預(yù)約進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室配制營養(yǎng)液和測定營養(yǎng)液理化性質(zhì)。

虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師根據(jù)學(xué)生提交的試驗(yàn)報告在線評分并及時反饋成績，學(xué)生在第一時間糾錯和總結(jié)，并將虛擬仿真中獲取的知識和培訓(xùn)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于實(shí)體實(shí)驗(yàn)。教師根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別給予成績和對應(yīng)說明，按照比例給予總分。學(xué)生可在虛擬軟件中的反復(fù)練習(xí)，通過虛實(shí)結(jié)合的方式充分培養(yǎng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維。

3 實(shí)施效果分析

(1）提升了學(xué)生參與度。本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不受設(shè)備數(shù)量的限制，每位學(xué)生都可“人手一臺”進(jìn)行獨(dú)立操作。

(2）消除了安全隱患。植物工廠生產(chǎn)設(shè)備高度高、體積大、水路電路交織繁雜，操作不當(dāng)極易引發(fā)安全事故，本虛擬仿真項(xiàng)目的引入使實(shí)驗(yàn)過程完全消除了安全隱患。

(3）提高了學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)了學(xué)習(xí)熱情。本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中現(xiàn)代化的教學(xué)方式和探索性的學(xué)習(xí)引導(dǎo)有利于學(xué)生提高學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)學(xué)習(xí)熱情、養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)習(xí)慣、培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

(4）促進(jìn)理論和實(shí)踐緊密結(jié)合，有效強(qiáng)化了學(xué)習(xí)效果。該虛擬仿真項(xiàng)目完全模擬企業(yè)生產(chǎn)的真實(shí)場景，使學(xué)生掌握“栽培設(shè)施搭建-調(diào)控設(shè)備安裝-環(huán)境參數(shù)設(shè)定-營養(yǎng)液配制-植物生長監(jiān)控-商品化選擇”一整套園藝植物工廠化生產(chǎn)流程，打破實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的時空限制，真正實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐高度結(jié)合。

為了更好地觀察實(shí)施效果，本研究選取72位本專業(yè)學(xué)生進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)將學(xué)生分為AB兩組，每組36人。所有學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作前均經(jīng)過理論知識課堂學(xué)習(xí)，A組經(jīng)過虛擬仿真軟件測試合格后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室操作，B組直接進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室操作。植物工廠建設(shè)和特色植物生產(chǎn)兩大模塊共10個大知識點(diǎn)，23個分知識點(diǎn)，本研究以分知識點(diǎn)操作出錯率為評價指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，經(jīng)過虛擬仿真實(shí)訓(xùn)的A組出錯率明顯低于B組，A組平均出錯率僅為9.1%，而B組出錯率高達(dá)38.8%。

圖3 操作出錯率統(tǒng)計

4 結(jié)語

企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計較多貴重精密儀器和裝置，這對高校實(shí)踐型人才的培養(yǎng)提出了更高的要求。以植物工廠為例，在實(shí)際操作中，栽培設(shè)施搭建過程出現(xiàn)錯誤極易引發(fā)安全事故，環(huán)境參數(shù)設(shè)置錯誤將造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，如何提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的準(zhǔn)確性、提升學(xué)生實(shí)踐技能成為當(dāng)前實(shí)驗(yàn)課程亟待解決的關(guān)鍵問題。從本研究中可看出，《海峽特色園藝植物工廠化栽培虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目》的打造有效解決了學(xué)生進(jìn)入企業(yè)之前的培訓(xùn)問題，經(jīng)過虛擬仿真實(shí)訓(xùn)后操作出錯率大幅降低。項(xiàng)目的順利運(yùn)行突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置臺套數(shù)、試驗(yàn)場地、教學(xué)管理、經(jīng)費(fèi)投入等一系列限制，在現(xiàn)代創(chuàng)新實(shí)踐型園藝人才培養(yǎng)中取得了積極的效果。

本項(xiàng)目的實(shí)施可為其他學(xué)科虛擬仿真軟件的開發(fā)提供一定參考，筆者認(rèn)為，虛擬仿真項(xiàng)目可解決很多學(xué)科的現(xiàn)實(shí)問題，如生態(tài)學(xué)專業(yè)學(xué)生難以進(jìn)入生態(tài)脆弱的國家保護(hù)區(qū)進(jìn)行實(shí)地考察、建筑專業(yè)學(xué)生進(jìn)入正在建設(shè)中的高層樓房存在安全隱患、核科學(xué)專業(yè)學(xué)生操作不當(dāng)易引發(fā)生命安全事故、醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生在進(jìn)入工作前較難獲得與工作中一致的培訓(xùn)條件等?？傊?，國家大政策鼓勵的背景下，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目必將承擔(dān)更多的教學(xué)任務(wù)，發(fā)揮更加關(guān)鍵的作用。