動(dòng)物類學(xué)科虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展探究

李紫聰 曾芳

摘要 虛擬仿真教學(xué)近年來在我國得到了較快的發(fā)展。以動(dòng)物類學(xué)科為例，介紹了我國該學(xué)科虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，分析其優(yōu)點(diǎn)以及目前教學(xué)中存在的問題，并對該學(xué)科未來的虛擬仿真教學(xué)建設(shè)提出了一些建議。

關(guān)鍵詞 動(dòng)物類學(xué)科;虛擬仿真;教學(xué)

中圖分類號 S-01?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）09-0266-02

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.09.068

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Research on the Development of Virtual Simulation Teaching in Animal Subjects

LI Zi-cong1， ZENG Fang2

（1. College of Animal Science， South China Agricultural University， Guangzhou， Guangdong 510642; 2. College of Marine Sciences， South China Agricultural University， Guangzhou， Guangdong 510642）

Abstract Virtual simulation teaching has developed rapidly in China in recent years. Taking animal subjects as an example， this paper introduced the development history and current situation of virtual simulation teaching in this subject in China， analyzed its advantages and the existing problems in current teaching， and put forward some suggestions for the future construction of virtual simulation teaching in this subject.

Key words Animal subjects;Virtual simulation;Teaching

1965年，美國科學(xué)家Ivan Sutherland在他發(fā)表的論文《終極顯示》中首次提出了虛擬仿真的概念[1]。虛擬仿真利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等感官的模擬，生成一種虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，為用戶提供身臨其境的沉浸式體驗(yàn)，并能在虛擬環(huán)境中與人、物等環(huán)境對象進(jìn)行互動(dòng)。

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展以及教育教學(xué)方式的大膽革新，為了適應(yīng)新時(shí)代人才培養(yǎng)的需求，越來越多的高校將虛擬仿真技術(shù)運(yùn)用到教學(xué)中。虛擬仿真教學(xué)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為依托，利用虛擬仿真程序建模，結(jié)合實(shí)物實(shí)踐場景以及理論知識創(chuàng)建二維或三維的虛擬環(huán)境，來實(shí)現(xiàn)學(xué)生在線學(xué)習(xí)的功能，具有不受時(shí)空限制、形象生動(dòng)、效果直觀等優(yōu)點(diǎn)[2]。

筆者以動(dòng)物類學(xué)科為例，介紹了我國該學(xué)科虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，分析其優(yōu)點(diǎn)以及目前教學(xué)中存在的問題，并對該學(xué)科未來的虛擬仿真教學(xué)建設(shè)提出了一些建議。

1 我國動(dòng)物類學(xué)科虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀

我國虛擬仿真教學(xué)相較于國外起步較晚。根據(jù)教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》（教技〔2012〕5號）的精神，教育部2013年印發(fā)了《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》（教高司函〔2013〕94號），這標(biāo)志著虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作正式啟動(dòng)[3-6]。從2013年開始，我國連續(xù)3年共批準(zhǔn)建設(shè)了100個(gè)國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[3]，具體名單見《教育部辦公廳關(guān)于批準(zhǔn)北京大學(xué)考古虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心等100個(gè)國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的通知》（教高廳函〔2016〕6號），其中與動(dòng)物類學(xué)科相關(guān)的有湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)的畜禽安全生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的乳品工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心等。國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)有效推動(dòng)了高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和創(chuàng)新工作。

為了快速實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開放共享和高效集約應(yīng)用，以全面提高我國高等教育教學(xué)質(zhì)量，我國在加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)的同時(shí)，開展了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)工作[7-8]。2017年，教育部在印發(fā)的《教育部辦公廳關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》（教高廳〔2017〕4 號）中提出，我國到2020年將認(rèn)定約1 000項(xiàng)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，目的是以高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)助推教學(xué)質(zhì)量的提高，助力高等教育強(qiáng)國建設(shè)[3]。根據(jù)國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺（http：//www.ilab-x.com）的統(tǒng)計(jì)，2017—2019年我國已建設(shè)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目2 079項(xiàng)，已經(jīng)通過國家認(rèn)定的項(xiàng)目有728項(xiàng);已建設(shè)動(dòng)物類示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程56項(xiàng)，其中通過國家認(rèn)定的項(xiàng)目有29項(xiàng)。在已建設(shè)的56項(xiàng)動(dòng)物類示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程中，動(dòng)物科學(xué)23項(xiàng)、動(dòng)物醫(yī)學(xué)19項(xiàng)、水產(chǎn)養(yǎng)殖8項(xiàng)、其他6項(xiàng)。這56項(xiàng)課程主要涉及豬、雞、牛、魚等動(dòng)物的生理、解剖、繁育、疾病防控等內(nèi)容，大部分由農(nóng)業(yè)類高校建設(shè)。

此外，動(dòng)物類學(xué)科虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展歷程還可以通過相關(guān)的文獻(xiàn)檢索數(shù)據(jù)來反映。在中國知網(wǎng)學(xué)術(shù)文獻(xiàn)總庫（http：//www.cnki.net）高級搜索頁面上，以論文“篇名”中含“虛擬仿真”且“篇關(guān)摘”（篇名關(guān)鍵詞摘要）中含“動(dòng)物”，分別以2013年1月1日至2021年7月5日和2001年1月1日至2021年7月5日為時(shí)間區(qū)間進(jìn)行檢索，分別檢索到53和54篇相關(guān)的論文，即后一個(gè)檢索時(shí)間區(qū)間比前一個(gè)檢索時(shí)間區(qū)間只多1篇?jiǎng)游镱悓W(xué)科虛擬仿真相關(guān)的論文。這說明在2013年教育部開始在全國布局建設(shè)國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心之前的13年內(nèi)，即2001—2013年我國動(dòng)物類學(xué)科虛擬仿真教學(xué)還沒開始發(fā)展，2013年以后才開始快速發(fā)展。這也說明虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展與國家有關(guān)政策和規(guī)劃息息相關(guān)。304FBA33-FCC3-4956-86F7-FC36DF3D6D58

2 動(dòng)物類學(xué)科虛擬仿真教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)

動(dòng)物類學(xué)科的實(shí)用性較強(qiáng)，具有重實(shí)驗(yàn)、重實(shí)踐的特點(diǎn)，要求學(xué)生理論聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際，掌握一定的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐操作技能?？商峁﹦?dòng)物類學(xué)科實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐的養(yǎng)殖場大多在偏遠(yuǎn)地區(qū)，養(yǎng)殖場一般都有嚴(yán)格的防疫要求，不允許隨意進(jìn)出。此外，動(dòng)物類學(xué)科的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐課程涉及豬、牛、羊等動(dòng)物，成本較高，且其生長、繁殖等周期較長，所以該學(xué)科實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)存在難度大、成本高、周期長、具有疫病傳播風(fēng)險(xiǎn)等問題。因此，很難在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)，這不利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐操作技能。虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)為解決上述問題提供了新思路。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)資源，學(xué)生可以隨時(shí)、隨地在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐活動(dòng)，有利于提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐操作能力。這種新型的輔助教學(xué)方式有利于克服動(dòng)物類學(xué)科實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)原有的不足，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)質(zhì)量[9-12]。

動(dòng)物類學(xué)科虛擬仿真教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面：①突破了地域和空間的限制。動(dòng)物類學(xué)科的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐通常在遠(yuǎn)離大城市高校數(shù)百公里的養(yǎng)殖場，這不利于運(yùn)送學(xué)生去進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐。同時(shí)，養(yǎng)殖場可提供的教學(xué)和演示空間也有限，難以滿足較大規(guī)模學(xué)生的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐需要。通過虛擬仿真牧場可以打破地域和空間的限制，讓學(xué)生在牧場之外有身臨其境的體驗(yàn)，并且不受空間限制地開展類似現(xiàn)場的學(xué)習(xí)。②突破了時(shí)間和周期的限制。生產(chǎn)實(shí)踐或?qū)嵙?xí)是動(dòng)物類學(xué)科學(xué)生的必修環(huán)節(jié)。學(xué)生在該環(huán)節(jié)需要了解或掌握豬、牛、羊、家禽等的整個(gè)生產(chǎn)過程，而這個(gè)生產(chǎn)過程較長，一般需要數(shù)月甚至數(shù)年。實(shí)際上，學(xué)生不可能有足夠的時(shí)間全程參與、跟蹤整個(gè)生產(chǎn)過程。通過虛擬仿真可以將畜禽生產(chǎn)過程的重要環(huán)節(jié)進(jìn)行提煉和濃縮后再展示給學(xué)生。這樣可以打破畜禽生產(chǎn)周期的限制，可在較短的時(shí)間內(nèi)獲得良好的教學(xué)效果，顯著提高教學(xué)效率。③突破了教學(xué)成本和資源的限制。動(dòng)物類學(xué)科中的動(dòng)物解剖學(xué)、動(dòng)物生理學(xué)等實(shí)驗(yàn)課程通常需要屠宰、解剖一定數(shù)量的豬、牛、馬、羊等大動(dòng)物進(jìn)行教學(xué)展示。這些大動(dòng)物的成本較高，很難保證有足夠數(shù)量的動(dòng)物讓學(xué)生能夠近距離、反復(fù)觀察和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。因此，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生在正式實(shí)驗(yàn)操作前進(jìn)行充分模擬和仿真，這種模式對于學(xué)生把握整個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及提高整個(gè)實(shí)驗(yàn)的完成質(zhì)量具有積極的意義。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在提高教學(xué)效果的同時(shí)，有利于減少動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)所需屠宰、解剖的動(dòng)物數(shù)量，降低成本，減少動(dòng)物福利問題。④突破了動(dòng)物疫病傳播風(fēng)險(xiǎn)的限制。大量學(xué)生現(xiàn)場參與動(dòng)物生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐課程，容易給養(yǎng)殖場帶來動(dòng)物傳染性疾病防疫問題。例如，在近年來我國暴發(fā)非洲豬瘟的情況下，太多的學(xué)生到養(yǎng)豬場參與動(dòng)物生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐課程會給養(yǎng)豬場帶來較高的疾病傳播風(fēng)險(xiǎn)。此外，學(xué)生在教學(xué)過程中過多地接觸動(dòng)物，還會有感染人畜共患病的風(fēng)險(xiǎn)，如布氏桿菌病等。因此，通過虛擬仿真教學(xué)有利于減少學(xué)生到養(yǎng)殖場進(jìn)行現(xiàn)場學(xué)習(xí)的機(jī)會，減少學(xué)生與動(dòng)物直接接觸所帶來的疾病傳播和感染風(fēng)險(xiǎn)。

3 目前動(dòng)物類學(xué)科虛擬仿真教學(xué)中存在的問題

雖然動(dòng)物類學(xué)科虛擬仿真教學(xué)有很多優(yōu)點(diǎn)，且近年來其發(fā)展也取得了長足的進(jìn)步，但目前教學(xué)中還存在一些問題：①課程數(shù)量偏少，內(nèi)容不成體系。迄今為止，我國已建設(shè)一定數(shù)量的國家級、省部級和地方級別的動(dòng)物類示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，但其數(shù)量對于我國龐大的學(xué)生規(guī)模而言仍然偏少。此外，這些課程內(nèi)容比較分散，涉及的動(dòng)物種類較多，導(dǎo)致課程內(nèi)容無法形成一個(gè)比較完整的體系。②場景仿真不足。由于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐場景的環(huán)境因素較為復(fù)雜且多變，目前動(dòng)物類學(xué)科虛擬仿真課程的虛擬系統(tǒng)還難以在視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、三維空間結(jié)構(gòu)和比例等方面與真實(shí)系統(tǒng)相比。③人機(jī)交互不足。在真實(shí)的場景或系統(tǒng)中人與動(dòng)物或場景可以進(jìn)行多種方式、近距離、深度、頻繁的互動(dòng)，因而具有生動(dòng)的趣味性。然而，目前的虛擬仿真課程存在單調(diào)、呆板、枯燥、無法互動(dòng)或互動(dòng)少等問題。④評價(jià)體系不健全。虛擬仿真是一種新的教學(xué)方式。目前對相關(guān)課程教學(xué)效果的評價(jià)體系還不健全，這容易導(dǎo)致難以對相關(guān)課程的設(shè)置和建設(shè)進(jìn)行正確的指導(dǎo)。⑤資源互補(bǔ)與共享不足。動(dòng)物類學(xué)科虛擬仿真課程目前還存在單打獨(dú)斗、重復(fù)建設(shè)的現(xiàn)象，已建設(shè)的課程還存在開放和共享不足的問題[3，11，13-14]。

4 建議

針對上述動(dòng)物類學(xué)科虛擬仿真課程教學(xué)中目前存在的問題，提出以下建議：①通過充分調(diào)研、討論和征求意見，加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)和規(guī)劃，根據(jù)動(dòng)物類學(xué)科的特點(diǎn)和教學(xué)需求，建設(shè)具有完整體系的虛擬仿真課程。②采用最新的虛擬仿真技術(shù)，最大限度地逼近真實(shí)場景。在虛擬仿真課程系統(tǒng)或平臺投入使用前，組織業(yè)內(nèi)專家進(jìn)行“仿真性”鑒定評價(jià)，確保其模擬水平達(dá)標(biāo)。③與計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)緊密結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的人機(jī)交互性;利用人工智能、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)，增強(qiáng)人機(jī)交互的智慧化、智能化，便于學(xué)生隨時(shí)、隨地提問和學(xué)習(xí)，滿足教學(xué)的需要。④加強(qiáng)信息化教學(xué)政策研究、理論研究、運(yùn)行機(jī)制和關(guān)鍵技術(shù)研究等方面的工作，持續(xù)改進(jìn)相關(guān)教學(xué)評價(jià)機(jī)制，加強(qiáng)督導(dǎo)考核，不斷健全并完善虛擬仿真教學(xué)的綜合評價(jià)體系。⑤采用合作互補(bǔ)、強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合等方式開展課程建設(shè)，通過網(wǎng)絡(luò)平臺等加強(qiáng)課程的開放共享，進(jìn)一步完善運(yùn)行平臺的兼容性，降低對硬件配置的要求，以便于教學(xué)資源的開放共享。

參考文獻(xiàn)

[1] 高東鋒.信息化時(shí)代高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的要求、思路與路徑[J].中國高教研究，2018（4）：93-96.

[2] 楊穎，肖潭，南景富，等.高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展趨勢的文獻(xiàn)計(jì)量分析[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2020，37（12）：24-28，32.

[3] 王曉敏，高志強(qiáng)，閆晉文.國內(nèi)高校材料學(xué)科虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展探究[J].中國大學(xué)教學(xué)，2021（3）：78-85.

[4] 贠冰，孫建林，熊小濤，等.材料虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)及共享的思考與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，35（10）：197-199.

[5] 劉秀清，葛文慶，焦學(xué)健，等.國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)與管理[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，35（11）：225-228，233.

[6] 盧艷麗，董文強(qiáng)，王永欣，等.材料類專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2018，37（11）：153-157.

[7] 王衛(wèi)國，胡今鴻，劉宏.國外高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，34（5）：214-219.

[8] 王士凡，堵錫華，董黎明，等.高分子材料與工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索[J].教育現(xiàn)代化，2019（42）：132-133.

[9] 李靜，張艷麗.動(dòng)物科學(xué)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2020（24）：354-356.

[10] 劉娜，王步鈺，安曉萍，等.基于“實(shí)景+虛擬仿真”創(chuàng)新教學(xué)資源平臺的動(dòng)物科學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)模式探索[J].畜牧與飼料科學(xué)，2021，42（1）：114-119.

[11] 龔思穎，陳曉婷，張金菊，等.生物類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)與發(fā)展[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2019，36（9）：176-180.

[12] 陳風(fēng)雷，許顯玉，馬志禹，等.虛擬仿真技術(shù)在動(dòng)物解剖學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用探討[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，46（16）：228-229，233.

[13] 李震彪.本科教學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)之思考[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2019，36（9）：5-7.

[14] 郭秀艷，馬國金，吳霞，等.“互聯(lián)網(wǎng)+”視域下虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].中國冶金教育，2021（1）：55-56.304FBA33-FCC3-4956-86F7-FC36DF3D6D58