虛擬仿真在“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

李海港 陳楊 紅梅

[摘 要] 虛擬仿真是通過(guò)虛擬軟件模擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)手段，是一種新型的教學(xué)技術(shù)。將該教學(xué)技術(shù)運(yùn)用到“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)中，可以打破教學(xué)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地及實(shí)驗(yàn)環(huán)境的限制，實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為主體的實(shí)踐教學(xué)，調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的興趣，提高實(shí)訓(xùn)效率，進(jìn)而可提升學(xué)生的實(shí)踐能力與專(zhuān)業(yè)技術(shù)應(yīng)用能力。在新冠肺炎疫情防控的特殊時(shí)期，保證了教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞] 虛擬仿真;土壤學(xué);實(shí)踐教學(xué)

[基金項(xiàng)目] 2018年度內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“‘虛擬仿真在‘土壤學(xué)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用研究”（JGYB201809）;2018年度內(nèi)蒙古自治區(qū)教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃項(xiàng)目“‘互聯(lián)網(wǎng)+在高?！寥缹W(xué)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用”（NGJGH2018046）

[作者簡(jiǎn)介] 李海港（1979—），男，山東安丘人，博士，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院副教授，主要從事土壤健康研究;陳 楊（1980—），女，內(nèi)蒙古包頭人，博士，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院副教授（通信作者），主要從事土壤養(yǎng)分管理研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.41? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2021）08-0132-05? ? ? ?[收稿日期] 2020-11-02

“土壤學(xué)”是農(nóng)林院校的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，其實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)為培養(yǎng)應(yīng)用型和創(chuàng)新性人才奠定了重要的基礎(chǔ)。但在“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)中存在實(shí)習(xí)地點(diǎn)遠(yuǎn)、安全隱患大、生態(tài)破壞性強(qiáng)、時(shí)效性差等弊端，因此加強(qiáng)和完善“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)資源的改革和建設(shè)顯得尤為迫切。虛擬仿真是在“互聯(lián)網(wǎng)+”的大背景下產(chǎn)生的新型教學(xué)模式和教學(xué)技術(shù)，以其綠色、安全、可共享等優(yōu)勢(shì)為實(shí)踐教學(xué)帶來(lái)了新機(jī)遇，在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中得到了認(rèn)可和應(yīng)用。把虛擬仿真應(yīng)用到“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)中，突出了學(xué)生在教學(xué)環(huán)節(jié)的主體地位，加深了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解，還可以解決野外實(shí)習(xí)中存在的諸多問(wèn)題，成為“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)模式改革的重要手段和途徑。

一、“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)的重要性及存在的問(wèn)題

“土壤學(xué)”是高等農(nóng)業(yè)院校農(nóng)學(xué)、林學(xué)、草學(xué)、農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境等專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)核心基礎(chǔ)課，廣泛應(yīng)用和服務(wù)于農(nóng)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境生態(tài)建設(shè)、區(qū)域治理、資源利用與環(huán)境保護(hù)等各項(xiàng)事業(yè)，是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的重要基礎(chǔ)科學(xué);是學(xué)生對(duì)所學(xué)專(zhuān)業(yè)產(chǎn)生興趣并樹(shù)立專(zhuān)業(yè)志向的入門(mén)課程，具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，對(duì)學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)有重要的影響，其教學(xué)效果的好壞直接關(guān)系到學(xué)生對(duì)后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的理解、掌握以及應(yīng)用。“土壤學(xué)”課程由理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)共同組成。實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)階段，創(chuàng)新型和應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，要求學(xué)生具有更高、更強(qiáng)的實(shí)踐能力;因此，實(shí)踐教學(xué)在學(xué)生培養(yǎng)方面發(fā)揮著重要的作用[1-3]。

“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是認(rèn)知不同類(lèi)型的土壤，這需要到自然環(huán)境中尋找典型土壤，進(jìn)行土壤剖面的觀察和研究。土壤剖面反映了土壤實(shí)體形態(tài)，是環(huán)境條件長(zhǎng)期作用下物質(zhì)變化的結(jié)果，是土壤內(nèi)在性質(zhì)的綜合表征，不同的剖面形態(tài)，反映了土壤中歷史上相應(yīng)的水熱動(dòng)態(tài)和當(dāng)前的生物性狀。在“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生需根據(jù)對(duì)土壤剖面的形態(tài)特征及成土條件的觀察、土壤化學(xué)性質(zhì)的分析、作物生長(zhǎng)發(fā)育等來(lái)鑒別土壤的類(lèi)型及肥力狀況，發(fā)現(xiàn)影響植物生長(zhǎng)的土壤障礙，為土壤合理利用、保護(hù)提供依據(jù)。因此，熟練掌握土壤剖面觀察的技能就成為學(xué)生必須具備的實(shí)踐能力，對(duì)學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)及就業(yè)具有關(guān)鍵作用。

在“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)中也存在諸多問(wèn)題。①實(shí)習(xí)地點(diǎn)遠(yuǎn)、路途長(zhǎng)。土壤的分布具有地域性，想找到具有代表性的典型土壤，需要帶學(xué)生到路途遠(yuǎn)、人為干擾小的野外才能實(shí)現(xiàn)。②安全隱患大。進(jìn)行野外實(shí)習(xí)時(shí)，需要帶學(xué)生乘車(chē)到幾百公里以外，路途遠(yuǎn)、花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，有的土壤類(lèi)型學(xué)生要爬山才能見(jiàn)到，乘車(chē)及戶外教學(xué)都存在極大的安全隱患，因此在實(shí)習(xí)過(guò)程中都需要為學(xué)生們買(mǎi)保險(xiǎn)。③生態(tài)破壞性大。剖面觀察需要挖大約2米長(zhǎng)、1.5米寬、2米深的一個(gè)土坑，雖然觀測(cè)后會(huì)進(jìn)行回填，但對(duì)土壤及植被的擾動(dòng)、破壞很?chē)?yán)重，短時(shí)期內(nèi)很難恢復(fù)。④時(shí)效性。“土壤學(xué)”野外教學(xué)需要考慮到氣候條件及可操作性，一般只能在6月至9月進(jìn)行，而此期間學(xué)生有正常的教學(xué)、考試、放假等各項(xiàng)事宜，協(xié)調(diào)比較困難。⑤學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性差。挖剖面不僅生態(tài)破壞性大，而且還受學(xué)生體力及野外教學(xué)時(shí)間的限制，一般每個(gè)班只挖一個(gè)剖面，實(shí)驗(yàn)顧及不到所有同學(xué)，存在實(shí)驗(yàn)報(bào)告雷同的現(xiàn)象，學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性不高，效果不好。基于以上原因，在新的教學(xué)背景下，探索學(xué)生實(shí)踐技能的培養(yǎng)、提高學(xué)生動(dòng)手能力、加強(qiáng)和完善“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)資源的建設(shè)迫在眉睫。

二、虛擬仿真應(yīng)用的可行性

隨著學(xué)生能力培養(yǎng)需求的不斷提高，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)條件已不能完全滿足，需要?jiǎng)?chuàng)造新的教育技術(shù)和模式。任何一個(gè)新型教育技術(shù)的應(yīng)用都會(huì)對(duì)學(xué)習(xí)環(huán)境、教學(xué)方式、實(shí)驗(yàn)手段、教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)等產(chǎn)生影響，從而引起知識(shí)生產(chǎn)觀、知識(shí)生產(chǎn)方式以及教育者、學(xué)習(xí)者、參與者等多種角色的認(rèn)知方式、行為模式發(fā)生變化[4]?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展對(duì)人們的生活產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，同時(shí)為教育信息化提供了平臺(tái)，也對(duì)高?，F(xiàn)代教育產(chǎn)生了影響，為高校教育提供了契機(jī)，也是高校課堂教學(xué)的重大變革，為實(shí)踐教學(xué)帶來(lái)了新機(jī)遇[5，6]。以虛擬仿真為核心的“互聯(lián)網(wǎng)+”是教學(xué)手段、教育方式重大的前所未有的變革，它是用一個(gè)系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)，是一種可創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[7]，它可以充分利用便捷的網(wǎng)絡(luò)和豐富的資源，為學(xué)生學(xué)習(xí)提供一個(gè)良好的環(huán)境，使得實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的示教、訓(xùn)練和考核方式更為科學(xué)、有趣和簡(jiǎn)便易行[8，9]。它以三維交互技術(shù)為核心，結(jié)合三維及二維動(dòng)畫(huà)、視頻、圖片、文字等多媒體表現(xiàn)形式帶來(lái)一種全新的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，它的直觀不抽象、互動(dòng)不被動(dòng)、構(gòu)想早驗(yàn)證等特點(diǎn)能夠大大提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于知識(shí)的學(xué)習(xí)和理解，提高學(xué)習(xí)效率和教學(xué)效果，尊重學(xué)生主體性，突出學(xué)生個(gè)體價(jià)值[ 10 ]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的綠色、安全、可共享等特點(diǎn)有利于大規(guī)模改善學(xué)校的教學(xué)環(huán)境，為實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)引入了信息化、智能化基因，讓實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)融入“互聯(lián)網(wǎng)+”，突破了傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境和手段的限制，更扎實(shí)、更全面的對(duì)接了理論教學(xué)，還可使教學(xué)團(tuán)隊(duì)成員背景更加多樣化，突出了學(xué)生在教學(xué)中的主體地位[ 11，12 ]。

基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)階段把虛擬仿真技術(shù)和平臺(tái)應(yīng)用到“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)中，不僅能充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)優(yōu)勢(shì)、提高學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí)能力，還能提升教師和學(xué)生的信息素養(yǎng)，使教育更加人性化與個(gè)性化，而且還可以解決“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)中存在的諸多問(wèn)題和弊端，為“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)建立新型的教學(xué)方式、創(chuàng)設(shè)新型的教學(xué)環(huán)境，還可助推教師角色轉(zhuǎn)換，對(duì)教學(xué)起到積極的作用，為培養(yǎng)應(yīng)用型人才提供基礎(chǔ)。

三、虛擬仿真在“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

栗鈣土是溫帶半干旱大陸性氣候和干草原植被下發(fā)育成的地帶性土壤，剖面上部是呈栗色的腐殖質(zhì)層，主要的成土過(guò)程是腐殖質(zhì)積累和碳酸鈣淀積，內(nèi)蒙古從東到西都有分布，是分布面積最大的土壤類(lèi)型之一。栗鈣土土壤剖面的觀察具有代表性和典型性，因此成了“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)的核心內(nèi)容之一，每年我校約1100人進(jìn)行該項(xiàng)實(shí)踐教學(xué)。

栗鈣土土壤剖面觀察虛擬仿真實(shí)驗(yàn)于2019年應(yīng)用于“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)中（圖1）。實(shí)驗(yàn)共分三個(gè)模式（圖2），即教學(xué)模式、練習(xí)模式、考試模式，其中教學(xué)模式以三維視頻展現(xiàn)了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的正確操作步驟，同時(shí)針對(duì)一些關(guān)鍵步驟或注意事項(xiàng)，教師設(shè)置了問(wèn)題并提供正確答案;練習(xí)模式有利于學(xué)生課后進(jìn)行鞏固復(fù)習(xí);考試模式用于評(píng)價(jià)學(xué)生實(shí)踐能力。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，不論哪個(gè)模式，教師都能在后臺(tái)觀察到學(xué)生的所有操作，并及時(shí)了解學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，體現(xiàn)了教師和學(xué)生間的互動(dòng)性。

實(shí)驗(yàn)包括土壤基本情況調(diào)查;土壤剖面坑點(diǎn)的選擇和挖掘;土壤剖面物理、化學(xué)、生物學(xué)性質(zhì)的觀察;土壤野外定名;土壤剖面回填等幾個(gè)步驟，涉及8個(gè)知識(shí)點(diǎn)，18個(gè)細(xì)節(jié)內(nèi)容。學(xué)生需按照實(shí)驗(yàn)的要求完成所有操作（圖3），并隨時(shí)記錄觀測(cè)到的結(jié)果（圖4）。

學(xué)生可以通過(guò)智能手機(jī)或PC端登錄實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目平臺(tái)，熟悉實(shí)驗(yàn)背景、目的，完成課前測(cè)試，并按照?qǐng)D5所示流程開(kāi)展栗鈣土土壤剖面觀察虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后學(xué)生需要提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。傳統(tǒng)的“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)一個(gè)人是不能獨(dú)立完成的，需要以班級(jí)為單位共同完成，在完成過(guò)程中很好地體現(xiàn)了同學(xué)間的團(tuán)隊(duì)合作精神。在該軟件的設(shè)計(jì)中，也考慮了同學(xué)間的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，在撰寫(xiě)心得體會(huì)時(shí)，不僅要求學(xué)生凝煉知識(shí)點(diǎn)，還需把協(xié)作精神、團(tuán)隊(duì)意識(shí)都體現(xiàn)出來(lái)。上述虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖5。

四、栗鈣土土壤剖面觀察虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特色與成效

傳統(tǒng)的栗鈣土土壤剖面觀察存在實(shí)習(xí)地點(diǎn)遠(yuǎn)、安全隱患大、時(shí)效性差、生態(tài)破壞性強(qiáng)等弊端，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展該實(shí)驗(yàn)，最大限度激發(fā)了學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)興趣，加深了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解，還可以解決野外教學(xué)中存在的諸多問(wèn)題，使實(shí)習(xí)不受時(shí)間、空間、安全的限制，并迎合了當(dāng)今大學(xué)生對(duì)現(xiàn)代信息技術(shù)的喜好，構(gòu)建更完整的知識(shí)體系，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。對(duì)于教師而言，可結(jié)合實(shí)際教學(xué)需求，最大限度地發(fā)揮虛擬元器件資源的優(yōu)勢(shì)，豐富和完善了現(xiàn)有教學(xué)手段，可為探索“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)模式改革奠定基礎(chǔ)。

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，學(xué)生可以隨時(shí)隨地進(jìn)行在線實(shí)驗(yàn)操作。如在實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生可以通過(guò)系統(tǒng)中的相關(guān)模塊，事先了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理等相關(guān)基本知識(shí)。實(shí)驗(yàn)課后，可以通過(guò)重復(fù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作，鞏固課堂所學(xué)內(nèi)容。通過(guò)這種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)—結(jié)果反饋—發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，拓展其知識(shí)視野，激發(fā)個(gè)人的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造性。同時(shí)，學(xué)生還可以通過(guò)在線交流的形式，與教師進(jìn)行一定的互動(dòng)，提升學(xué)習(xí)的針對(duì)性和實(shí)效性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，任課教師可以清晰地了解學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握情況，為今后有針對(duì)性地開(kāi)展課堂教學(xué)提供參考信息。

在2020年春季學(xué)期新冠肺炎疫情防控期間，響應(yīng)教育部“停課不停學(xué)”的號(hào)召，我校積極開(kāi)展在線教學(xué)活動(dòng)。本項(xiàng)目為學(xué)生提供線上自主學(xué)習(xí)服務(wù)，實(shí)驗(yàn)完成人數(shù)達(dá)到600名，起到了很好的線上教學(xué)示范作用，保證了疫情防控期間的教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)質(zhì)量。

五、展望

在本科“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)中還涉及淋溶性灰褐土（內(nèi)蒙古中部的緯度地帶性土壤）土壤剖面觀察、鹽堿土（非地帶性土壤）土壤剖面觀察，未來(lái)我們將繼續(xù)建設(shè)相關(guān)內(nèi)容。依托學(xué)校的實(shí)驗(yàn)基地“賽罕烏拉國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)”所具有的土壤類(lèi)型，擴(kuò)展草甸土、沼澤土、風(fēng)沙土、山地黑土、黃土等土壤剖面觀察虛擬仿真軟件的構(gòu)建，使本科教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)更加完善。嘗試開(kāi)發(fā)手機(jī)App服務(wù)功能，并通過(guò)微信公眾號(hào)搭載虛擬仿真教學(xué)軟件，完善相關(guān)軟件所需的輔助教學(xué)資源，提升應(yīng)用軟件的便捷性和效果。

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