新農(nóng)科背景下園藝虛擬仿真平臺的構(gòu)建與應(yīng)用

徐莉清，袁芳亭，郭大勇，傅 強，周繼榮，方燕妮

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430070)

園藝是水果、蔬菜、花卉、茶葉四大經(jīng)濟作物的總稱，園藝產(chǎn)品在人們的生活中逐漸占據(jù)重要的地位，無論是在提高人民健康水平方面，還是在美化和改善環(huán)境方面，都具有重要意義。隨著栽培技術(shù)的改進和機械成本的降低，我國園藝產(chǎn)業(yè)正在迅猛發(fā)展，園藝產(chǎn)品種植面積在我國種植業(yè)總面積中位居第二，產(chǎn)值位居第一[1-3]。目前我國園藝產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值已超過3.5萬億，占農(nóng)業(yè)種植業(yè)總產(chǎn)值的60%以上，是農(nóng)民增收的支柱產(chǎn)業(yè)之一[4]。園藝產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展是保障我國國民健康的基礎(chǔ)、帶動農(nóng)民致富的手段、平衡農(nóng)產(chǎn)品進出口貿(mào)易的工具和反映社會進步的標(biāo)志，是解決人民“吃好”的健康產(chǎn)業(yè)，保障農(nóng)民收益的富民產(chǎn)業(yè)，保護綠水青山的生態(tài)產(chǎn)業(yè)，與人民的生產(chǎn)生活息息相關(guān)?，F(xiàn)代信息通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進步為現(xiàn)代園藝的發(fā)展提供了創(chuàng)新驅(qū)動力。利用人工智能技術(shù)可以進一步改進教學(xué)方法，因此利用虛擬仿真實驗平臺為新型園藝人才培養(yǎng)服務(wù)，是將新一代信息技術(shù)與園藝專業(yè)課程深度融合，是現(xiàn)代園藝課程體系改革的首要任務(wù)和必然趨勢。

1 園藝專業(yè)建設(shè)虛擬仿真實驗平臺的重要性和迫切性

1.1 園藝學(xué)科發(fā)展對本科人才培養(yǎng)提出新要求2017年，十九大報告提出鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略；2018年，教育部提出“新農(nóng)科” 建設(shè)；2019年，安吉共識、北大倉行動、北京指南三部曲持續(xù)推進新農(nóng)科建設(shè)，要求高等農(nóng)業(yè)院校注重多學(xué)科對農(nóng)科人才培養(yǎng)的滲透，要加強農(nóng)科人才對現(xiàn)代農(nóng)學(xué)及其相關(guān)技藝、技能的掌握，培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維、實用技能的復(fù)合應(yīng)用型農(nóng)林人才[5]。2020 年中央一號文件《中共中央 國務(wù)院關(guān)于抓好“三農(nóng)”領(lǐng)域重點工作確保如期實現(xiàn)全面小康的意見》明確指出：隨著數(shù)字化信息技術(shù)之間的深度融合和應(yīng)用，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)將以全新的方式推動傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級。園藝產(chǎn)業(yè)作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分，越來越受到人們的廣泛關(guān)注。園藝學(xué)科作為一個非常典型的應(yīng)用學(xué)科，將植物學(xué)、遺傳學(xué)以及生態(tài)學(xué)等多門學(xué)科進行跨學(xué)科交叉。園藝專業(yè)培養(yǎng)體系的特點是理論與實踐緊密結(jié)合，實踐教學(xué)在專業(yè)人才培養(yǎng)方面有重要意義。園藝人才培養(yǎng)應(yīng)當(dāng)緊跟新農(nóng)科建設(shè)的步伐，將現(xiàn)代生物技術(shù)、信息技術(shù)等多門學(xué)科融合，利用現(xiàn)代信息和通信技術(shù)推動園藝專業(yè)教學(xué)改革，發(fā)展智慧園藝，著力提升園藝專業(yè)人才的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力與科研素養(yǎng)，培養(yǎng)園藝專業(yè)學(xué)生的綜合實踐能力。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)科未來將圍繞“綠色園藝、智慧園藝”人才培養(yǎng)目標(biāo)，構(gòu)建新的人才培養(yǎng)模式，這對學(xué)生的知識和素質(zhì)培養(yǎng)提出了新要求。

1.2 新農(nóng)科建設(shè)要從多維度培養(yǎng)高素質(zhì)園藝類復(fù)合型人才新農(nóng)科理念下的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)已成為在產(chǎn)業(yè)融合的基礎(chǔ)上發(fā)展兼有科學(xué)技術(shù)與人文風(fēng)格的多功能產(chǎn)業(yè)，其內(nèi)涵的豐富性要求人才對農(nóng)業(yè)的了解涉及多種途徑、多向維度、多個層次。因此，新農(nóng)科建設(shè)要從現(xiàn)代園藝產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的新變化、實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的新需求、新時代教改的新趨勢等維度培養(yǎng)高素質(zhì)園藝類復(fù)合型人才。除了園藝專業(yè)知識外，信息技術(shù)以及物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)等理工學(xué)科的知識與技能也是新農(nóng)科復(fù)合型人才必不可缺的素養(yǎng)與能力。虛擬現(xiàn)實作為農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的重要組成部分，不僅已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的一個相對獨立的技術(shù)領(lǐng)域，支撐科學(xué)計算可視化、虛擬農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)等應(yīng)用，而且為其他農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的推廣傳播提供新的技術(shù)手段和平臺工具，它已經(jīng)成為科學(xué)技術(shù)探索中除理論研究、科學(xué)實驗之外的第三種手段[6-9]。隨著我國農(nóng)業(yè)教育改革的深入，結(jié)合華中農(nóng)業(yè)大學(xué)實際和園藝林學(xué)實驗教學(xué)中心多年來的經(jīng)驗，現(xiàn)代實驗教學(xué)中心急需將實踐教學(xué)平臺建設(shè)與教學(xué)模式改革有機結(jié)合，不斷改進實驗課程模式，構(gòu)建集實踐教學(xué)、虛擬現(xiàn)實、物聯(lián)網(wǎng)等于一體的實驗平臺。

1.3 將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，實現(xiàn)優(yōu)勢資源的社會共享培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高級專業(yè)人才是高等教育的主要任務(wù)，教學(xué)、科研是高校教師的兩大職責(zé)。科教融合是現(xiàn)代高等教育的核心理念，將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源就是科教融合的有效途徑之一。農(nóng)林高?？蒲谐晒厣r明，教師們將自己的科研成果轉(zhuǎn)化為生動的案例融入實踐課堂，使專業(yè)理論知識和實踐有機結(jié)合。這不僅能拓展本科教學(xué)資源，增強教學(xué)內(nèi)容的時代性、先進性，而且能讓學(xué)生接觸新知識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，鍛煉學(xué)生的思維能力。同時，這也有利于學(xué)生將理論知識和實踐密切聯(lián)系，培養(yǎng)科研思維與能力，激發(fā)學(xué)生的科研潛力和創(chuàng)業(yè)動力。教師在指導(dǎo)學(xué)生實踐的過程中，能直接了解學(xué)生學(xué)習(xí)中的短板，有利于今后在教學(xué)中更好地改進教學(xué)內(nèi)容和方法。如果處理好教學(xué)與科研的關(guān)系，二者就能形成良性循環(huán)，促進科研與教學(xué)的共同發(fā)展。隨著信息化時代的來臨，多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛，微課、慕課、虛擬仿真等新的教學(xué)方法也被廣大師生接納和采用。高校需要搭建可將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源的數(shù)字化平臺，讓各種資源共享共用，讓優(yōu)質(zhì)資源為全國更多高校的師生享用和借鑒。

1.4 實踐教學(xué)需要創(chuàng)新教育信息化思維目前各高校擴招學(xué)生人數(shù)不斷攀升，但教學(xué)設(shè)備、場地和專業(yè)師資隊伍沒有等比例增加，繁重的教學(xué)任務(wù)和重復(fù)機械的教學(xué)嚴(yán)重影響教師的積極性和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。首先，線上線下教學(xué)相結(jié)合的實驗教學(xué)新模式可以幫助教師從繁重、機械、重復(fù)的課堂教學(xué)中解放出來，留出更多精力與學(xué)生網(wǎng)上或面對面交流討論；其次，線上課程突破了時空的限制，重新調(diào)整課堂內(nèi)外的時間，實現(xiàn)異步學(xué)習(xí)；學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)時間安排自主、異步學(xué)習(xí)，隨時隨地獲取知識， 課堂時間用于高階知識技能訓(xùn)練、難點探討，彌補因?qū)嵺`環(huán)節(jié)學(xué)時所占比重低而帶來的不足[10]。此外，基于數(shù)字化的虛擬現(xiàn)實技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的線上虛擬仿真平臺可以客觀記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)效果，便于教師追蹤學(xué)生實踐學(xué)習(xí)情況，形成完整的教學(xué)效果考核、評價和反饋機制，從而提高教學(xué)過程管理和考核評價體系。

2 園藝類虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的構(gòu)建

2.1 平臺的基本架構(gòu)在“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下應(yīng)用園藝類虛擬仿真資源，彌補單一實體實驗的不足，需要解決虛擬仿真資源在網(wǎng)絡(luò)空間的存儲、輸出、應(yīng)用、管理與安全性等問題。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院構(gòu)架了三位一體的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。以功能完善的校級虛擬仿真綜合管理平臺作為一級管理平臺，很好地實現(xiàn)了網(wǎng)頁版虛擬仿真資源的使用。在學(xué)院層面，逐步完善了計算機房、VR和CAVE虛擬仿真實驗室，學(xué)生可利用機房和虛擬仿真實驗室或自己的電腦來完成各類虛擬仿真資源的學(xué)習(xí)，這是二級運行平臺。最后，由管理員和師生共同組成三級使用平臺。學(xué)生可以自主選擇時間，在線完成實驗內(nèi)容并提交報告。平臺也支持師生在線交流討論，使用數(shù)據(jù)管理和分析等功能，較好地實現(xiàn)了虛擬仿真實驗的管理、維護升級、使用和答疑等。

2.2 虛擬仿真資源建設(shè)按照國家級虛擬仿真實驗項目金課“兩性一度”的標(biāo)準(zhǔn)，園藝林學(xué)實驗教學(xué)中心以園藝類基礎(chǔ)核心課程和專業(yè)特色課程為重點發(fā)展方向，以培養(yǎng)高水平復(fù)合型園藝人才為主要目標(biāo)，以實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心，建立虛擬仿真實驗、實體實驗、校內(nèi)外實習(xí)實踐相結(jié)合的教學(xué)模式。自2018年以來，該校園藝林學(xué)學(xué)院通過面向產(chǎn)業(yè)的深度校企合作，搭建實驗教學(xué)、技術(shù)培訓(xùn)和科學(xué)研究“三位一體”的實驗教學(xué)體系，建設(shè)園藝植物栽培育種、生物技術(shù)、貯藏加工、智能應(yīng)用4個方向的虛擬仿真實驗教學(xué)資源，可服務(wù)對象多，適用范圍廣(高階性)，實驗設(shè)計新穎、靈活，制作要求形象生動、交互性好(創(chuàng)新性)，實驗需要一定的知識儲備才能完成，并具有完整的評價系統(tǒng)，方便進行使用者成績評價，有利于使用者向更高標(biāo)準(zhǔn)進步(挑戰(zhàn)性)，實現(xiàn)校內(nèi)教學(xué)科研和校外產(chǎn)學(xué)研的共享。迄今為止已建設(shè)虛擬仿真實驗項目 11個，其中2個項目獲批國家級虛擬仿真實驗“金課”，充分體現(xiàn)虛實結(jié)合、虛實互補的原則，較好地實現(xiàn)了真實實驗難以實現(xiàn)的教學(xué)功能。

2.3 “三階段三精準(zhǔn)”虛實結(jié)合的實踐教學(xué)模式虛擬仿真實驗教學(xué)體系是采用線上線下虛實結(jié)合的方式，實現(xiàn)師生之間、教學(xué)之間的良性互動。為了方便區(qū)分，將教學(xué)過程分為課前、課中和課后3個階段。對應(yīng)3個階段，實現(xiàn)3個教學(xué)目標(biāo)：第一階段，學(xué)生通過線上虛擬實驗自主學(xué)習(xí)，掌握整個知識體系的構(gòu)成，了解實驗的知識重點和難點，發(fā)現(xiàn)自身知識的薄弱點，實現(xiàn)“精準(zhǔn)定位”，以虛導(dǎo)實；第二階段，教師針對仿真實驗中發(fā)現(xiàn)的操作問題和知識難點，引導(dǎo)學(xué)生開展探究式學(xué)習(xí)，實現(xiàn)“精準(zhǔn)導(dǎo)學(xué)”，虛實互補；第三階段，學(xué)生根據(jù)自身的實習(xí)表現(xiàn)，再次進行線上復(fù)習(xí)，教師通過在線交流對學(xué)生實施點對點的拓展或補充，實現(xiàn)“精準(zhǔn)鞏固”，以虛固實。實驗指導(dǎo)教師普遍反饋學(xué)生經(jīng)過3個學(xué)習(xí)階段后對知識體系的理解更完整，參與實驗后能更快找到感覺，上手更快、更自信，提問交流更加積極主動，動手能力明顯提高。實習(xí)匯報和討論環(huán)節(jié)學(xué)生思路更加清晰，匯報和討論的內(nèi)容更加豐富、更有深度，考核成績也明顯提高。

3 虛擬仿真平臺的建設(shè)成效

3.1 激發(fā)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣園藝植物生長周期普遍較長，考慮到面積大、管理環(huán)節(jié)多等因素，傳統(tǒng)實踐實習(xí)大多安排在夏季或冬季，氣候環(huán)境條件惡劣影響了學(xué)生參加教學(xué)實習(xí)的積極性。虛擬仿真實驗內(nèi)容為學(xué)生再現(xiàn)實習(xí)場景，提供了一個沉浸式的虛擬仿真學(xué)習(xí)環(huán)境。線下實習(xí)能鍛煉學(xué)生的實際動手能力，提高技術(shù)水平。二者的結(jié)合有效激發(fā)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情。另外，基于虛擬仿真平臺開發(fā)的教學(xué)軟件將圖、表、視頻、3D動畫和實地操練等應(yīng)用到各個實驗環(huán)節(jié)中，并設(shè)置有趣的提問、情景考核和實習(xí)匯報。教學(xué)形式多樣，增加了實習(xí)的趣味性，寓教于樂。虛擬仿真平臺開放使用，學(xué)生可以利用課余時間完成線上實驗，化零為整，提高時間利用效率。學(xué)生要使用VR和CAVE資源，預(yù)約后也可以自主進入仿真實驗室自主使用。實驗后臺可實時記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài)，有利于教師實時反饋與監(jiān)督，促進學(xué)生自覺學(xué)習(xí)。學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣被大大激發(fā)，學(xué)習(xí)動力更強[11]。

3.2 實現(xiàn)教學(xué)主體的轉(zhuǎn)換采用“三階段三精準(zhǔn)”實踐教學(xué)模式，將園藝類的實踐教學(xué)過程分為學(xué)生課前線上自主學(xué)習(xí)階段、課中自我經(jīng)驗積累階段和課后線上虛擬實驗自我鞏固3個階段，學(xué)生由傳統(tǒng)的被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)。教師的作用如下：實習(xí)前幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)的重點和難點問題；實習(xí)過程中引導(dǎo)學(xué)生探索解決問題的方法，在學(xué)生反復(fù)練習(xí)過程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生技術(shù)薄弱點，進行精準(zhǔn)指導(dǎo)；實習(xí)課后提供及時在線答疑，讓學(xué)生在交流過程中鞏固知識。教師由傳統(tǒng)的主導(dǎo)角色轉(zhuǎn)換為輔助身份，始終陪伴在學(xué)生各個學(xué)習(xí)階段。這種教學(xué)方法成功實現(xiàn)了實踐教學(xué)主體的轉(zhuǎn)換。學(xué)生不僅掌握了實驗技能，而且鍛煉了發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。3個階段的虛實結(jié)合有利于學(xué)生將各個實踐環(huán)節(jié)有機結(jié)合起來，知識體系更加完整，對重點難點掌握得更牢固，切實提升了實踐教學(xué)效果。

3.3 提升實踐平臺綜合水平基于VR、CAVE等虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的園藝類虛擬仿真教學(xué)平臺，配置了完善的硬件系統(tǒng)和信息化的管理方式，實踐教學(xué)模式由傳統(tǒng)的線下實際操作轉(zhuǎn)化為現(xiàn)今的線上、線下混合式模式，實現(xiàn)個性化、多樣化的教學(xué)。通過虛擬仿真資源的開發(fā)，將果樹、蔬菜、觀賞花卉和茶樹等園藝植物相關(guān)的實驗內(nèi)容進行合理整合，既避免了教學(xué)資源的重復(fù)建設(shè)，節(jié)約了資金，又可留出更多學(xué)時讓教師引導(dǎo)學(xué)生進行設(shè)計性創(chuàng)新實驗，有效推動了實驗教學(xué)改革。虛擬仿真平臺采用信息化管理，學(xué)生可利用課余時間完成虛擬實驗，化零為整，提高時間利用效率。實驗后臺可實時記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài)，有利于教師實時反饋與監(jiān)督，促進學(xué)生自覺學(xué)習(xí)。此外，同行業(yè)專家和學(xué)者觀看了華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院優(yōu)秀科研成果轉(zhuǎn)化的虛擬教學(xué)資源后給予了高度評價，園藝類虛擬仿真平臺已成為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院對外宣傳展示的窗口之一。

4 結(jié)語

信息技術(shù)的迅猛發(fā)展和5G技術(shù)的普及，給傳統(tǒng)農(nóng)科人才培養(yǎng)提供了巨大潛能。各類基于信息技術(shù)的虛擬仿真平臺已經(jīng)能夠滿足園藝等農(nóng)科專業(yè)實驗實踐的需求。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院結(jié)合園藝學(xué)科的定位與發(fā)展規(guī)劃，通過構(gòu)建多元化、多功能的虛擬仿真平臺，有效推動了實驗教學(xué)方法改革，優(yōu)化了實踐教學(xué)體系，使專業(yè)實踐教學(xué)更好地體現(xiàn)出現(xiàn)代園藝人才培養(yǎng)的質(zhì)量要求，提高了學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力與科研素養(yǎng)，有力推動了園藝學(xué)一流人才培養(yǎng)體系改革。