新農(nóng)科背景下虛擬仿真教學在牛生產(chǎn)學教學中的必要性探討

張金璧，徐世永，鄧凱東，程澤信

(金陵科技學院，江蘇 南京 210038)

0 引言

牛生產(chǎn)學(或名養(yǎng)牛學)作為我國高等農(nóng)業(yè)院校中動物科學專業(yè)的一門具有代表性的實用性必修課程，通過緊跟并分析養(yǎng)牛業(yè)發(fā)展前景，介紹奶牛和肉牛的品種和牛生物學特性，論述奶牛和肉牛的生產(chǎn)力評定方法、現(xiàn)代化育種和繁殖技術、飼養(yǎng)與管理方式、衛(wèi)生保健與疫病控制等，對牛生產(chǎn)進行系統(tǒng)性的介紹和實訓。牛生產(chǎn)學課程教學內容來源于養(yǎng)牛業(yè)的生產(chǎn)實踐經(jīng)驗積累和學科前沿成果，使學生了解國內、外養(yǎng)牛業(yè)的先進理論和技術，把握養(yǎng)牛業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與動態(tài)，掌握養(yǎng)牛生產(chǎn)的基本原理、關鍵技術要點及因地制宜的生產(chǎn)技術；另外又服務于養(yǎng)牛生產(chǎn)實際，讓學生在理論和技術基礎上具備提高我國奶牛、肉牛產(chǎn)品的數(shù)量和質量、符合我國智慧農(nóng)業(yè)、低碳農(nóng)業(yè)要求的方法、技能和產(chǎn)業(yè)思維，從而為智慧農(nóng)業(yè)背景下的現(xiàn)代養(yǎng)牛業(yè)發(fā)展培養(yǎng)高素質、專業(yè)性、綜合性人才添磚加瓦。

1 牛生產(chǎn)學教學現(xiàn)狀與存在的問題

牛生產(chǎn)學的教學內容涵蓋面較廣，在該課程的傳統(tǒng)教學中，一般有牛品種的識別與鑒定、評分鑒定、機械化擠奶程序、采精授精技術、全混合日糧調制及效果評價等實踐課程安排，體現(xiàn)出了該課程緊密結合生產(chǎn)實際的特點。在課程目標設置上，要求學生在掌握基礎理論的基礎上熟悉生產(chǎn)流程，從而實現(xiàn)為畜牧產(chǎn)業(yè)服務的目標[1]。但實際上，近年來隨著智慧農(nóng)業(yè)概念的提出和發(fā)展，傳統(tǒng)畜牧業(yè)，尤其是肉牛和奶牛產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)開始快速地向智能化、集約化、規(guī)模化等現(xiàn)代畜牧業(yè)模式轉變。為了保證該課程注重實踐、強調應用、為解決實際問題服務的特點，實踐課程的開展要求也不斷提升。課程原有的實踐周期較長，實踐過程中不確定因素多、教學成本和資源消耗高，還存在一定的人畜共患疫病傳播風險，受客觀因素的限制，實踐安排難度越來越大。因此該專業(yè)學生完整有效地參與到整個奶牛、肉牛生產(chǎn)過程的要求也越來越難以得到保障，這在很大程度上制約了學生動手和現(xiàn)場應對能力的培養(yǎng)，限制了該課程教學目標的達成[2]。

2 虛擬仿真技術在課程教學中的發(fā)展及應用

虛擬實驗平臺在課堂教學中的運用是在20世紀80年代，由美國弗吉尼亞大學的Willam Wulf教授首次提出的。平臺的開發(fā)主要基于實驗類課程，基于數(shù)據(jù)庫資源、多媒體及網(wǎng)絡通信設備和人機交互等技術，用虛擬技術構建仿真場、對象、工具、并構建起實驗操作流程，使學生得以在安全無害、時空自由、自覺自主的虛擬環(huán)境中進行實踐操作[3]。在此后的幾十年中，隨著虛擬仿真及人工智能技術的飛速發(fā)展，虛擬平臺交互性、多元性、無限性的優(yōu)勢展露無遺，被運用在了更多實踐或遠程課程中，達成了實地教學難以實現(xiàn)的效果[4]。其中，對于特殊的氣候地理極端環(huán)境、存在危險因素的場所、高成本不可逆的操作、高消耗的大型或綜合性的項目，虛擬仿真實驗教學具有經(jīng)濟、安全、高效的明顯優(yōu)勢。因此，基于虛擬仿真技術的課程平臺在國內外許多大學得到了廣泛認可和歡迎，在航空航天、外科手術、技術訓練、創(chuàng)意設計、教育培訓等眾多領域得到了應用[5]。隨著現(xiàn)代人工智能和通信科技的迅猛發(fā)展、教學理念的與時俱進，以及教學手段的不斷涌現(xiàn)，虛擬仿真課程同樣不斷推陳出新，成為了教育界和科技界交叉共融的研究熱點和發(fā)展領域。

雖然我國虛擬仿真技術在教育中的運用起步相對較遲，但很快受到了國家教育部門的重視和推廣。教育部明確提出了信息技術和教學深度融合的教學模式及方法的應用，以及信息化條件下學生自主學習、自主管理和自主服務能力的培養(yǎng)是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要方面，并對高等教育信息化建設提出了明確要求。還進一步對信息化發(fā)展提出了更細致的指導，提出信息技術與高等教育深度融合，高校教學信息化的創(chuàng)建成為現(xiàn)代教育事業(yè)發(fā)展的全新趨勢。隨后，教育部明確了建設虛擬仿真實驗教學中心的主要目的包括提高實驗教學水平，深化教學知識體系的融合，突破實驗教學中的成本、周期、時空等多種因素的局限。此外，國家虛擬仿真實驗教學項目目前位列教育部5類“金課”之一，成為了依托現(xiàn)代教學技術手段而重點打造的一類“金課”[6]，可見虛擬仿真實驗教學不僅成為了教育信息化發(fā)展的必然趨勢，而且將會持續(xù)對學生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)、對高等教育質量的提高等方面產(chǎn)生積極而重要的影響。

3 牛生產(chǎn)學課程中虛擬仿真技術運用的必要性

在虛擬仿真技術日新月異的今天，在牛生產(chǎn)學講授過程中合理地整合虛擬仿真技術，建立互動平臺能很好地彌補傳統(tǒng)教學方法的不足之處和實地教學的限制，提升教學質量，具體體現(xiàn)在以下方面。

1)突破時空條件的限制。完整參與肉牛的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)一般需要1年以上的時間，而奶牛的生產(chǎn)周期更為漫長，牛場的防疫流程雖然不似豬場和雞場嚴格，但集約化、規(guī)?；l(fā)展使封閉式管理逐漸成為趨勢，教師學生出入不便，因此，完整地參與到整個生產(chǎn)過程幾乎不可能實現(xiàn)。而虛擬仿真牧場可以突破時空條件的限制，將生產(chǎn)各環(huán)節(jié)詳細展示在學生面前，使學生能夠得到整個生產(chǎn)過程的實踐訓練，并可以自主選擇某些環(huán)節(jié)有針對性地反復練習。

2)避免各類疾病感染風險和特殊背景影響。養(yǎng)殖場動物疫病發(fā)生難以避免，而在無抗養(yǎng)殖的大環(huán)境下，動物疫情的發(fā)生有抬頭趨勢，在牛養(yǎng)殖業(yè)中，口蹄疫、結核病等的暴發(fā)直接限制了教學活動。2019年的非洲豬瘟疫情使生豬養(yǎng)殖實踐教學完全停滯，為其他動物養(yǎng)殖實踐教學敲響了警鐘。其次，牛羊易患的布魯氏菌病(布病)、家禽易患的高致病性禽流感等重點人畜共患病存在感染風險，一旦暴發(fā)則直接對人體健康產(chǎn)生威脅，在此情況下，動科專業(yè)的教師和學生必然不能進入養(yǎng)殖企業(yè)進行生產(chǎn)實習[7]。此外，應用虛擬仿真教學模式有利于提高特殊社會背景下的教學效果。在特殊背景下，如人類流行性疾病暴發(fā)的情況下，實踐課程的開展受到了巨大阻力，2019年底和2020年初暴發(fā)的新型冠狀病毒肺炎疫情就是最直接的例子，由于新冠肺炎的疫情防控形勢嚴峻，從2020年至今，陸續(xù)有不同省市的師生無法回到學校所在地，線下課堂教學無法正常開展。即便能夠返校，師生出入、養(yǎng)殖場地均受到極大限制。在這樣難以預測的情形下，虛擬仿真是唯一穩(wěn)定可靠的教學方式。為響應教育部提出的“停課不停教，停課不停學”的政策，基于學習通、MOOC、雨課堂等網(wǎng)絡教學平臺的教學活動被大幅推廣[8]。但普遍采用的是教師錄制理論及實驗視頻進行播放觀看，學生對生產(chǎn)學中的實踐知識由于缺乏動手操作和實地觀摩，教學效果受到了較大的影響。而將虛擬仿真平臺與線上授課平臺相結合，是解決這一問題的絕佳方案。一方面發(fā)揮了虛擬仿真教學自身優(yōu)勢；另一方面整合已有的大型線上教學平臺資源，讓學生將系統(tǒng)知識分散，充分利用碎片化時間進行學習。

3)節(jié)約教學成本和資源消耗。牛屬于大型家畜，價格較高，而乳用奶牛個體更為昂貴，教學實習基地建設與維持成本、生物安全保障成本均較高。虛擬仿真平臺可以大幅緩解教學成本壓力，尤其在針對“牛的生物學特征”“繁殖技術”等內容的教學中，學生可以根據(jù)自己的實際需要和興趣，反復地使用虛擬實驗動物進行練習。在“常見疾病防治”的教學中，病畜的準備較為困難，危險性較高。通過仿真模擬可以減少病畜運輸、接觸的風險，同時使學生對疾病的各種傳播途徑有全面的認識、對疾病發(fā)病表現(xiàn)有充分了解。不僅加深了學生對各類疾病臨床癥狀的認識和判斷，提高了教學效果，同時減少實際動物的使用，也解決了動物實驗、動物解剖等教學內容帶來的動物損耗和動物福利問題。

4)符合現(xiàn)代化智慧農(nóng)業(yè)和新農(nóng)科發(fā)展需求。智慧農(nóng)業(yè)集成了計算機、互網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器及無線通信技術等現(xiàn)代信息技術成果，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和流通作業(yè)進行精確監(jiān)控和指導。近年來，黨中央、國務院出臺了一系列政策支持我國農(nóng)業(yè)結構轉型與優(yōu)化，支持智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新。如2016年《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》中指出“要加強農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與信息技術融合，發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)”；隨后，2018年《中共中央國務院關于實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見》中明確提出要“大力發(fā)展數(shù)字農(nóng)業(yè)，實施智慧農(nóng)業(yè)林業(yè)水利工程，推進物聯(lián)網(wǎng)試驗示范和遙感技術應用”；2021年《中共中央國務院關于全面推進鄉(xiāng)村振興加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的意見》提出，發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，建立農(nóng)業(yè)農(nóng)村大數(shù)據(jù)體系，推動新一代信息技術與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營深度融合。可見，智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的新業(yè)態(tài)和大趨勢，是進一步解放生產(chǎn)力、激發(fā)農(nóng)業(yè)轉型的內生動力。因此，大力發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)對促進農(nóng)業(yè)轉型升級、提高農(nóng)業(yè)質量效益、增強我國農(nóng)業(yè)競爭力、提升我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平，具有特別重要的現(xiàn)實意義。

然而，在智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的道路上，我國還存在各種問題，而復合型高素質人才的不足首當其沖[9]。在促進我國智慧農(nóng)業(yè)大力發(fā)展的道路上，開設農(nóng)林類專業(yè)，包括動物科學專業(yè)的高等院校責任重大，義不容辭。在這一趨勢下，自從2017年下半年起，農(nóng)林教育專家提出了傳統(tǒng)農(nóng)林學科將難以支撐未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的教育瓶頸問題，一個由現(xiàn)代生物技術、信息技術和工程技術等交叉知識作為支撐的新農(nóng)科概念應運而生，新農(nóng)科與新工科、新醫(yī)科、新文科一起進入人們的視野。2019年《安吉共識——中國新農(nóng)科建設宣言》發(fā)布，提出在高等學校專業(yè)設置中對原有的農(nóng)科專業(yè)進行改造，或新設立農(nóng)科專業(yè)，推進農(nóng)科與其他學科深度交叉互融，主動適應智慧農(nóng)業(yè)對農(nóng)科人才需求的轉變，也是我國新農(nóng)科建設工作正式啟動的標志性文件。新農(nóng)科的出現(xiàn)適應了社會新需求，是對傳統(tǒng)農(nóng)林學科的一次重大的“提檔升級”，而傳統(tǒng)教育手段與信息技術跨界融合的人才培養(yǎng)目標之間不可避免地產(chǎn)生了落差。虛擬仿真平臺可以順暢地融入智能化控制、精細化養(yǎng)殖、數(shù)據(jù)平臺服務、電子商務等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)新業(yè)態(tài)，順應新農(nóng)科建設。因此不僅使學生得以掌握數(shù)字化畜牧技術，還能使學生構建起基于數(shù)字化的新型農(nóng)業(yè)生態(tài)觀念，培養(yǎng)出適合新形態(tài)的農(nóng)業(yè)科研創(chuàng)新、技術推廣人才，為完成我國新農(nóng)科建設提供有力支持，為我國智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供必要的途徑。

5)符合OBE教學理念。OBE(Outcomes-based Education)，即成果導向式教育，該教育模式主要基于學習產(chǎn)出的成果，要求學校和教師在制定人才培養(yǎng)目標和教學目標時，先明確學習成果，因材施教，配合多元的、彈性的、個性化的學習要求，讓學生通過學習過程完成自我實現(xiàn)的挑戰(zhàn)。在教學過程完成后，還可以將教學成果進行分析和反饋，用于改進原有的課程設計與教學方法，進一步提升教學效果。OBE教學理念特別強調教學過程的輸出，強調研究型的教學模式，強調因材施教和個性化教學，強調每一個學生個體意義上的成功，對傳統(tǒng)的牛生產(chǎn)學教學策略提出了較大挑戰(zhàn)[10]。虛擬仿真技術的引入，為成果導向提供了實施和驗證的雙重可能性。教學任務的設定和實施上，虛擬技術使學習內容、方式與時間都更加自由，學生可以根據(jù)各自需求多次學習，反復嘗試，擴大了學生的學習機會。教學結果評價上可以采用多元和梯次的評價標準，通過人工智能的輔助，對每個學生個體達成學習成果的內涵和每個學生個體的學習進步情況進行精準評估，不強調學生之間的比較。再通過自動評分標準的設計，根據(jù)每個學生個體能達到的教學目標的程度，進行不同的評定等級和針對性評價，從而達到OBE目標。

6)與自主學習、終身學習理念完美融合。隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和智慧農(nóng)業(yè)體系轉型，社會對實踐型人才的需求不斷提高，農(nóng)林類高等院校必須要重視實踐型、復合型人才的培養(yǎng)，注重學生自主性的發(fā)揮和學習能力的提升，并肩負起一部分面向產(chǎn)業(yè)內社會人士終身教育的職責[11]。通過實踐教學資源的積累和虛擬仿真教學平臺的建設，學生可以不受時間、空間限制地在虛擬平臺中開展實踐學習活動，極大地豐富了學習內容的可參與性，而不受課堂時間、地點的限制；又可以極大地豐富教學內容，無限擴展課堂知識外延，滿足學生的求知欲，激發(fā)學生的興趣，提高學生的自主性。

虛擬仿真平臺一般以互聯(lián)網(wǎng)為依托，而網(wǎng)絡學習情境的開放、虛擬、自主、靈活等特點也正是培養(yǎng)學生終身學習能力，且讓學生在離開學校后仍能保持自主學習的最優(yōu)方式。在該課程虛擬教學、實踐資源的完善和服務器等硬件條件的保障下，課程資源可以逐漸面向社會開放，形成針對肉牛養(yǎng)殖、奶牛養(yǎng)殖行業(yè)培訓的虛擬培訓中心，擔負起服務社會的職責。

4 結語

在新農(nóng)科建設的背景下，將虛擬仿真教學方式引入牛生產(chǎn)學的實踐教學中，不但能突破時空條件的限制，避免各類疾病感染風險，節(jié)約教學成本和資源消耗，而且與OBE教學理念及自主學習、終身學習理念完美融合，符合現(xiàn)代化智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展需求，能極大地彌補傳統(tǒng)教學方法的不足和實地教學的限制，提升教學質量，力求達到新農(nóng)科背景下高校動物學科專業(yè)的人才培養(yǎng)目標。