虛實結(jié)合模式下滴灌施藥創(chuàng)新性實驗設(shè)計和實踐

林 菲， 袁 騰， 吳瀚翔， 張志祥， 徐漢虹

（華南農(nóng)業(yè)大學a.植物保護學院；b.材料與能源學院，廣州 510642）

0 引 言

培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力，符合社會需要的高等農(nóng)業(yè)專門人才，是高等農(nóng)業(yè)院校的首要任務(wù)［1］。傳統(tǒng)農(nóng)科專業(yè)實踐教學一定程度上存在內(nèi)容陳舊、教學手段方法落后的問題。農(nóng)科類教學實踐基地也存在地段偏遠、季節(jié)場地受限、資金投入不足等客觀因素，導致農(nóng)科類教學實踐難以提供與真實農(nóng)事操作現(xiàn)場一致的場景，影響學生對課程的獲得感［2-4］。2020年以來，疫情持續(xù)肆虐，充分利用互聯(lián)網(wǎng)開展線上教學也成了當前教育的新常態(tài)。改革創(chuàng)新現(xiàn)有的農(nóng)科專業(yè)實踐教學體系，加強學生自我思考和實踐動手能力的培養(yǎng)，將線上線下、虛擬和真實等教學手段有機結(jié)合，成為提高學生的實踐與創(chuàng)新能力、實現(xiàn)學生從科學知識型向科學知識實用技能型轉(zhuǎn)化的必要前提［5-6］。實驗實習課程作為教學的重要組成部分和手段，對于提高學生的理論體系掌握程度、科技論述指標提升和創(chuàng)新意識培養(yǎng)等都有著舉足輕重的意義［7-8］。虛擬仿真技術(shù)能夠模擬真實現(xiàn)場條件，允許學生經(jīng)過虛擬仿真軟件上機操作學習，為理論知識學習與現(xiàn)場操作之間搭建柔性過渡［9］。本文以隨水精準施藥防控重大害蟲關(guān)鍵技術(shù)為背景，將所研究隨水施藥的關(guān)鍵問題——農(nóng)藥在植物體內(nèi)的輸導和轉(zhuǎn)運成果，轉(zhuǎn)換為植物化學保護實驗實習虛實結(jié)合模式的教學資源，系統(tǒng)地分析了項目建設(shè)的背景和目的、建設(shè)過程和建設(shè)成效，以期為新農(nóng)科人才培養(yǎng)提供理論和實脈依據(jù)。

1 實驗背景

我國有害生物發(fā)生頻率高、為害重，農(nóng)藥是不可或缺的農(nóng)業(yè)投入品，但農(nóng)藥施用過量，有效利用率低，嚴重威脅環(huán)境和食品安全。噴施的農(nóng)藥僅有0.1%作用于病蟲害靶標，農(nóng)藥對靶傳遞性能差是制約農(nóng)藥減量增效的關(guān)鍵問題。近年來化學農(nóng)藥減量增效已成為促進農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的必然要求，許多新興的技術(shù)措施正在逐步推廣。滴灌施藥是在滴水灌溉的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種施藥技術(shù)，不僅能減少農(nóng)藥使用中人工和燃油等的投入成本，并且能實現(xiàn)藥劑的定向輸送，減少對非靶標生物的影響。經(jīng)歷10多年的研究，我?？蒲袌F隊在隨水施藥法防控重要農(nóng)作物害蟲方面取得了一系列重要創(chuàng)新成果，達到國際領(lǐng)先水平。將農(nóng)藥減量增效最新研究成果融入本科教學，采用虛實結(jié)合教學模式，能夠有效地幫助學生增強自主創(chuàng)新意識，從而形成科研教學相互促進、良性發(fā)展的循環(huán)模式［6］。

2 實驗教學設(shè)計

教學設(shè)計基于實際科研成果案例，把所要講授的基礎(chǔ)知識和基本技能設(shè)計成多層次、多項目的教學實驗（見圖1），加強學生制定問題、研究問題以及處理問題的能力，最后讓學生在老師的幫助下快速地解決問題。在實際的問題順序以及設(shè)計標準之上，要遵循循序漸進的規(guī)律、照顧學生學習的強度、關(guān)注關(guān)鍵細節(jié)從而應(yīng)對任務(wù)。因此，從背景、問題、實施和目標層面進行實驗教學設(shè)計，能夠使學生充分認識理解并運用該技術(shù)。

圖1 滴灌施藥實驗的設(shè)計思路

教學背景主要源于滴灌施藥的特點與優(yōu)勢，利用滴灌系統(tǒng)在根部定向施藥，使藥劑隨水進入根系，作物吸收農(nóng)藥后向被有害生物為害的部位靶向積累，形成從地下到地上，從作物內(nèi)到作物外的立體防控體系。我國滴灌技術(shù)成熟，成套設(shè)備完善齊全，已大面積推廣應(yīng)用。借助滴灌的隨水施藥技術(shù)滿足了集約化、高效化和輕簡化耕作的需求，適應(yīng)了我國農(nóng)村城鎮(zhèn)化和農(nóng)村勞動力快速轉(zhuǎn)移的現(xiàn)狀，具有提高農(nóng)藥利用率，用藥簡單、安全環(huán)保、保護有益生物、減少藥劑流失、降低土壤農(nóng)藥殘留等優(yōu)點。我國現(xiàn)有農(nóng)藥施用主要存在農(nóng)藥與害蟲為害部位不吻合、施藥方式靶向性差和功效低、農(nóng)藥與作物互作潛能未能被充分挖掘等問題，故需進一步引導學生將問題具體化并提出其背后隱藏的科學問題，制定具體的實驗計劃，明確目標。項目分為多個實驗，學生根據(jù)自己的未來職業(yè)規(guī)劃和興趣進行自主選題。本實驗有利于學生鞏固專業(yè)知識、拓展應(yīng)用知識、體驗創(chuàng)新和設(shè)計過程，為其他課程的學習、研究型項目的開展和畢業(yè)設(shè)計等起到促進作用，并為后續(xù)的科研深造或就業(yè)奠定良好基礎(chǔ)。

3 實驗教學的實施

整個實驗的實施包括：①課前通過MOOC平臺，推送預習資料；②線下課堂進行翻轉(zhuǎn)，實驗室分組實操；③線上虛擬仿真滴灌施藥導向控制害蟲實驗；④線下田間實地觀摩；⑤課后總結(jié)歸納，引導學有余力的學生繼續(xù)探索機理。

3.1 MOOC平臺預習資料推送

課程授課對象是已經(jīng)修完普通植物病理學、農(nóng)業(yè)病理學、普通昆蟲學和農(nóng)業(yè)昆蟲學等專業(yè)前導課程，對于病蟲害的診斷和發(fā)生規(guī)律有一定的認知，并已經(jīng)了解藥劑的性能和植物保護理念的大三學生。因此，在預習環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮MOOC平臺對重要知識點提綱挈領(lǐng)的優(yōu)勢，推送發(fā)布預習通知和資料，主要包括：根據(jù)有害生物特征和危害癥狀正確識別害蟲種類；回顧理論課程知識，閱讀農(nóng)藥標簽，了解藥劑的種類、作用靶標、防治對象，施用劑量和理化性質(zhì)，結(jié)合農(nóng)藥使用手冊，選定隨水施藥適用的農(nóng)藥品種；了解滴灌設(shè)備的組成，以及各部分的功能等。

3.2 分組實操

本部分由教師選定的具有內(nèi)吸性的農(nóng)藥品種噻蟲嗪，學生分組根據(jù)自己的知識儲備設(shè)計實驗方案對噻蟲嗪在被玉米根系吸收后的輸導性進行室內(nèi)測定，明確農(nóng)藥的傳導規(guī)律。

3.2.1 植物材料準備與根部吸收噻蟲嗪

實驗設(shè)置10、20、40、60和120μmol/L共5種濃度，并將學生進行分組，每個小組負責1種濃度實驗（重復5次）。將噻蟲嗪原粉用DMSO溶解配制成40 mmol/L的母液，儲存于4℃?zhèn)溆?；挑取生長3～4周、植株健壯、長勢均勻的玉米幼苗，小心沖洗干凈根部營養(yǎng)液，用于藥液吸收實驗。用0.5 mmol/L氯化鈣緩沖溶液將噻蟲嗪母液分別稀釋至所需濃度，調(diào)節(jié)pH=5.8后，加入50 mL離心管中，每管40 mL，將5株幼苗轉(zhuǎn)入其中，并用定植杯固定，保證莖部接觸液面，靜置于人工氣候培養(yǎng)箱培養(yǎng)。24 h后收集植株并用刀片植株分為根、莖葉兩部分，分別稱重記錄后，在研缽中加液氮磨碎，加入10 mL色譜級乙腈萃取，超聲30 min，相對離心力（RCF）14 000×g離心10 min，吸取上清液1 mL，用0.22μm針頭微孔濾膜除去雜質(zhì)，裝入液相瓶中，樣品置于-80℃低溫保存待檢測。

3.2.2 植株噻蟲嗪含量的檢測

教師提前摸索檢測條件，現(xiàn)場進行液相檢測操作示范。用Agilent 1290超高效液相色譜檢測噻蟲胺的含量。ZORBAXSB-C18反相色譜柱，流動相為乙腈∶水=20∶80（V/V），檢測波長為254 nm，流速為1.0 mL/min，進樣量為10μL，柱溫為30℃。

3.3 虛擬仿真實驗進行田間施藥操作

虛擬仿真技術(shù)具有投資少、安全性高和拓展性強等優(yōu)點，不受時間和空間限制［4］。由于滴灌施藥實驗場地離校園遙遠，實驗周期長，實驗耗費大等因素制約，目前無法帶領(lǐng)本科學生到田間進行實驗操作。因此，為讓學生接觸最新科研成果，解決在教學中缺失的實踐環(huán)節(jié)，通過虛擬仿真實驗，真實展現(xiàn)田間場景，使學生認識到農(nóng)藥減量增效技術(shù)對我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要意義，進而增強學生的責任感，深入解析課程之中的關(guān)鍵細節(jié)。

3.3.1 實驗材料選擇與參數(shù)設(shè)置

虛擬實驗項目根據(jù)真實的田間場景，制作高仿真的玉米、棉花和柑橘等植物3D模型，每個場景設(shè)置兩個田塊，分別為處理田塊與對照田塊［見圖2（a）］。針對玉米、棉花和柑橘3種作物，分別設(shè)定有害生物為草地貪夜蛾、棉花蚜蟲和柑橘木虱［見圖2（b）］。制作了草地貪夜蛾5齡幼蟲、棉花蚜蟲和柑橘木虱成蟲的3D模型。根據(jù)特定害蟲，選定了氟啶蟲胺腈、噻蟲嗪和氯蟲苯甲酰胺等3種相對應(yīng)的防治藥劑，制作了其商品化的包裝模型［見圖2（c）］。每種藥劑均列出農(nóng)藥標簽，包含防治對象、作用機理和推薦劑量等信息。滴灌裝置包括4大部分：流速與壓力控制系統(tǒng)、閥門系統(tǒng)、輸水設(shè)備和滴水裝置。利用上述裝置制作了滴灌系統(tǒng)的高仿真3D模型。

圖2 田間施藥實驗材料

3.3.2 虛擬施藥操作

學生登錄虛擬仿真實驗教學平臺后開始虛擬仿真實驗，點擊主界面實驗操作，選擇不同的防治對象進入田間場景并根據(jù)彈框圖片識別正確的害蟲種類，閱讀不同藥劑的標簽，了解藥劑的作用方式，防治對象以及使用劑量，從中正確選擇本次實驗的防治藥劑。根據(jù)標簽中的有效成分含量，計算本次實驗中有效成分施藥濃度值（見圖3）。

圖3 防治對象選擇和用藥說明

確定防治對象以及正確選擇防治藥劑后，進入滴灌系統(tǒng)，準備開始施藥，觀看滴灌裝置的組成動畫。移動鼠標，選擇藥劑需要投放的位置，并轉(zhuǎn)動相應(yīng)的閥門，使藥劑與水混合后進入滴灌管道。調(diào)節(jié)滴灌系統(tǒng)的壓力和流速，使設(shè)備正常運行（見圖4）。觀察藥劑在滴灌系統(tǒng)中的流動動畫，了解藥劑被傳遞的過程。觀察藥劑被植物吸收以及在體內(nèi)傳遞的動畫，選擇藥劑傳遞的途徑（見圖5）。施藥結(jié)束后，記錄調(diào)查數(shù)據(jù)，進行后續(xù)統(tǒng)計分析并撰寫報告。學生根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)（原始數(shù)據(jù)）和統(tǒng)計分析方法，處理數(shù)據(jù)并提交實驗報告（見圖6）。

圖4 滴灌裝置

圖5 藥劑傳遞可視化

圖6 實驗結(jié)果處理

3.4 線下田間實地觀摩

農(nóng)林專業(yè)學生來自于城市的占比逐年增大，即使來自農(nóng)村的學生對農(nóng)事知識也知之甚少。在線上線下了解隨水施藥的基本知識之后，田間測試也成為了學生進行農(nóng)事實踐的重要環(huán)節(jié)，可以讓學生更加深入地對其過程進行了解［10］。因此，在條件允許的情況下，依托技術(shù)推廣示范項目、教學科研實習基地，帶領(lǐng)學生到田間地頭進行觀摩和實操。這一環(huán)節(jié)的實施要點在于教學內(nèi)容要新穎、豐富，課程計劃要周密。通過分組包干和現(xiàn)場技能比賽，在生動的實踐課堂中，讓學生能夠在掌握相關(guān)技術(shù)的同時，享受到自主創(chuàng)造價值的快樂［13］。

3.5 結(jié)果分析，提升總結(jié)

完成了線上、線下及田間的一系列學習與實踐之后，學生對滴灌施藥技術(shù)的基本原理、操作和應(yīng)用價值有了全面的了解。在此階段，及時引導學生創(chuàng)新思考問題，從新的角度啟發(fā)學生，利用植物固有營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運蛋白基因，來實現(xiàn)農(nóng)藥的智能定向積累。利用品種評價篩選和遺傳改良手段，挖掘農(nóng)藥高效利用種質(zhì)和基因資源，分子設(shè)計選育農(nóng)藥高效利用作物，精準主動傳遞農(nóng)藥到達害蟲為害部位，突破依靠藥劑理化性質(zhì)提高傳導性的局限，挖掘作物潛能，形成農(nóng)藥減量增效新模式。聯(lián)合可視化質(zhì)譜成像和生物活性測定技術(shù)，建立農(nóng)藥高效利用品種評價體系；設(shè)計和運用農(nóng)藥轉(zhuǎn)運蛋白基因分子探針，結(jié)合抗蟲抗病及養(yǎng)分利用指標，評價隨水靶向傳遞農(nóng)藥的作物性狀，為農(nóng)藥減量增效新途徑提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

4 課程建設(shè)成果

滴灌施藥導向控制害蟲虛擬仿真實驗獲得了國家一流課程的認定，“植物化學保護學”獲得廣東省一流課程認定，成為省級在線開放課程和植物保護國家一流專業(yè)的建設(shè)課程。課程教學改革經(jīng)驗極大地提升了學科在全國農(nóng)藥學領(lǐng)域的影響力，多次在全國農(nóng)藥學科科研教學研討會上做大會特邀報告，向全國40多所農(nóng)林高校分享介紹改革創(chuàng)新成果。國家級虛擬仿真實驗課積極與各大農(nóng)林院校開展共享，已與長江大學、廣西大學、湖南農(nóng)業(yè)大學等學校簽訂教學資源共享協(xié)議。通過該教學模式改革，進一步激發(fā)了學生的自主創(chuàng)新意識，顯著提高了學生的綜合素養(yǎng)，使學生對滴灌施藥的理論基礎(chǔ)——導向農(nóng)藥理念產(chǎn)生了濃厚的研究興趣，近年植物保護丁穎創(chuàng)新班的學生繼續(xù)深造攻讀碩士博士研究生的比例達100%，為國家的新農(nóng)科建設(shè)源源不斷地培養(yǎng)與輸送后備人才［11-12］。

5 結(jié) 語

滴灌施藥創(chuàng)新性實驗將前沿的科研成果轉(zhuǎn)化為本科生實驗教學資源，通過線上線下虛實結(jié)合，有效地解決了農(nóng)科類教學實驗實習課程場地、季節(jié)和資金受限的問題，滿足了當前疫情防控常態(tài)化需求。更為重要的是，鍛煉了本科學生自主思想的形成，增強了獨立處理問題、分析問題以及動手實驗的能力，全面提高了學生學習的效率和興趣，充分提升學生的獲得感［13-15］。課程理論與實踐機制相融合、以生產(chǎn)問題為導向設(shè)計教學內(nèi)容，加入國際發(fā)展動態(tài)，與時俱進挖掘融入思政元素，培養(yǎng)學生的三農(nóng)情懷，實現(xiàn)三全育人［16］。