高?！巴寥缹W”實踐教學模式探索

陳楊　紅梅　李斐

［摘 要］ 虛擬仿真課程有效突破了傳統(tǒng)教學手段的限制，使以能力培養(yǎng)為核心的實踐教學理念更好地落實，將其運用到“土壤學”實踐教學中，不僅可以充分發(fā)揮網(wǎng)絡教學優(yōu)勢，提高學生的自主學習能力，還可以解決“土壤學”實踐教學中存在的諸多弊端，為實踐教學建立新型的教學方式、創(chuàng)設新型的教學環(huán)境，成為高校培養(yǎng)人才的新模式、新途徑。在課后拓展鞏固階段，教師在線布置拓展任務，學生可以利用課后業(yè)余時間，以學習小組為單位到開放實驗室的校級虛擬平臺上選擇虛擬實驗的“練習模式”，完成拓展任務的操作練習，鞏固所學知識。

［關鍵詞］ 教學改革；實踐教學；虛擬仿真

［基金項目］ 2021年度內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學教育教學改革研究項目“基于信息化資源的教學改革——以‘虛擬仿真鑒別土壤肥力為例”（SJJX202107）；2021年度內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學虛擬仿真實驗教學一流課程“淋溶性灰褐土土壤剖面觀察”；2021年度內(nèi)蒙古自治區(qū)虛擬仿真一流課程“栗鈣土土壤剖面觀察虛擬仿真實驗”

［作者簡介］ 陳 楊（1980—），女，內(nèi)蒙古包頭人，博士，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學草原與資源環(huán)境學院副教授，碩士生導師，主要從事土壤培肥研究；紅 梅（1970—），女，內(nèi)蒙古烏蘭浩特人，博士，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學研究生院教授，博士生導師（通信作者），主要從事土壤調(diào)查和耕地質(zhì)量提升研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2024）04-0104-04［收稿日期］ 2022-12-06

一、“土壤學”實踐教學現(xiàn)狀

“土壤學”是農(nóng)業(yè)類高等院校的專業(yè)基礎課，廣泛應用和服務于農(nóng)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境生態(tài)建設、區(qū)域治理、資源利用與環(huán)境保護等各項事業(yè)，是關系到國計民生的重要基礎科學。課程通過理論學習和實踐鍛煉，培養(yǎng)和訓練學生掌握觀察和認知土壤、分析和研究土壤、保護和利用土壤的知識及技術(shù)［1］?！巴寥缹W”實踐教學是在“土壤學”理論課程的基礎上，在野外通過對地貌類型、巖石類型、成土母質(zhì)、植被類型與生態(tài)景觀等要素的觀察，明確土壤形成的影響因素；根據(jù)土壤剖面的形態(tài)特征和成土條件，以及土壤化學性質(zhì)的分析、作物生長發(fā)育的研究來鑒別土壤的類型、肥力狀況與存在的問題，明確各種形態(tài)特征和土壤性狀所代表的意義以及對土壤水熱動態(tài)和作物生長的影響，為土壤資源合理利用提供依據(jù)。

土壤剖面觀察是“土壤學”實踐教學的核心，土壤剖面是環(huán)境條件長期作用下物質(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的水熱動態(tài)和當前的生物性狀。因此，熟練掌握土壤剖面觀察的技能是學生必須具備的實踐能力。但土壤剖面觀察存在以下問題。（1）實習地點遠：土壤的分布具有地域性，想找到具有代表性的典型土壤，需要帶學生到很遠的野外。（2）時效性差：土壤學野外實習需要考慮到氣候條件及可操作性，一般只能在6～9月進行，在此期間有學生的正常教學、考試、放假等事宜，協(xié)調(diào)起來比較困難。（3）安全系數(shù)低：進行野外實習時，需要帶學生乘車到幾百千米以外的地方，時間長、路途遠，而且在乘車及戶外活動中都存在安全隱患，因此，每次實習都需要為學生買保險以達到安全保障。（4）生態(tài)破壞性大：剖面觀察需要挖大約2米長、1.5米寬、2米深的坑，雖然觀測后又進行回填，但是對土壤及植被的破壞很嚴重。（5）學生學習主動性差：對于短途乘車也不能觀測到的土壤類型，教師只能通過圖片或視頻向?qū)W生展示，學生學習積極性差，效果不好?；谝陨显颍谛滦偷慕虒W背景下，探索學生實踐技能的培養(yǎng)、提高學生動手能力、加強和完善“土壤學”實踐教學資源的建設迫在眉睫。

二、“虛擬仿真”在實踐教學應用中的優(yōu)勢

21世紀以來，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展對人們的生活產(chǎn)生了深遠的影響，同時對高?，F(xiàn)代教育產(chǎn)生了影響［2］。教育信息化浪潮為創(chuàng)新教學方法提供了可能；人才培養(yǎng)新需求為實驗教學改革注入了動力?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”理念深入高校實踐教學，為高校教育提供了契機，同時是高校課堂教學的重大變革，為實踐教學帶來了新機遇［3］。

虛擬仿真是計算機圖形學、計算機視覺、視覺心理學、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、立體顯示技術(shù)、傳感與測量技術(shù)、軟件工程、語音識別與合成技術(shù)及人工智能技術(shù)等多種高新技術(shù)集成之結(jié)晶［4］，其有效突破了傳統(tǒng)教學手段限制，使以能力培養(yǎng)為核心的實踐教學理念更好地落實。虛擬仿真從整體上，讓實驗實踐教學融入“互聯(lián)網(wǎng)+”浪潮［5］；從理念上，突破了傳統(tǒng)教學環(huán)境和手段的限制；從內(nèi)容上，更扎實、更全面地對接了理論教學；從隊伍上，使教學團隊成員背景更加多樣化；從效果上，突出了學生在教學環(huán)節(jié)中的主體地位。在全世界范圍內(nèi)，虛擬仿真作為一種信息化教育、教學手段已經(jīng)得到了較廣泛的應用；在我國各級虛擬仿真實驗教學中心建設開創(chuàng)了虛擬仿真技術(shù)在實驗實踐教學中應用的新局面；已成為高校實踐教學的新模式、新路徑、新方向［6］。

基于虛擬仿真實驗的優(yōu)勢，現(xiàn)階段把虛擬仿真的技術(shù)和平臺應用到“土壤學”實踐教學，不僅能充分發(fā)揮網(wǎng)絡教學優(yōu)勢，提高學生自主學習能力，還能提升教師和學生的信息素養(yǎng)，使教育更加人性化與個性化。同時，可以解決“土壤學”實踐教學中存在的諸多弊端，為實踐教學建立新型的教學方式、創(chuàng)設新型的教學環(huán)境，還可助推教師角色轉(zhuǎn)換，對教學起到積極作用，為培養(yǎng)應用型人才提供基礎［7］。

三、基于“虛擬仿真”的“土壤學”實踐教學模式的構(gòu)建

虛擬仿真堅持以學生為中心的實驗教學理念，以準確適宜的實驗教學內(nèi)容為基礎，采用創(chuàng)新多樣的教學方式方法、先進可靠的實驗研發(fā)技術(shù)、穩(wěn)定安全的開放運行模式，建設敬業(yè)專業(yè)的實驗教學隊伍、構(gòu)建持續(xù)改進的實驗評價體系，達到顯著示范的實驗教學效果［8］。

（一）“虛擬仿真”教學資源建設

以內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學校級開放式虛擬仿真教學及資源共享平臺為載體（如圖1所示），采用虛擬技術(shù)手段開發(fā)制作“土壤學”野外實習虛擬仿真項目，實驗場景、土壤、植被等均以3D模型展現(xiàn)，直觀、生動；土壤理化性狀、肥力水平等相關數(shù)據(jù)為野外測量數(shù)據(jù)或科學研究取得的數(shù)據(jù)，具有高度仿真性；應用該軟件可完成野外實習前的預習和模擬科研訓練。該虛擬仿真系統(tǒng)采用三維仿真技術(shù)，以不同土壤類型為背景，制作了栗鈣土土壤剖面觀察和淋溶性灰褐土土壤剖面觀察兩個實驗，根據(jù)實驗要求和步驟，進行土壤剖面地貌類型、巖石類型、成土母質(zhì)、植被類型與生態(tài)景觀等要素的觀察，以及土壤剖面形態(tài)特征的描述，完成內(nèi)蒙古典型土壤類型的野外實習。該實驗的典型特點是趣味性、實踐性強，學生模擬第一人稱視角在場景中開展野外實習調(diào)查實驗，按照系統(tǒng)提供的路徑，場景中依次出現(xiàn)“土壤剖面挖掘”“土壤剖面觀察”“土壤剖面回填”三個模塊，每個模塊都包含多個知識點，三個模塊逐層遞進，前面模塊是后續(xù)內(nèi)容的基礎；土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、土壤根系、土壤酸堿度等環(huán)節(jié)均具有清晰、逼真、動態(tài)的3D效果，激發(fā)學生的學習興趣和潛能。

（二）“虛擬仿真”教學團隊建設

團隊集合了農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境專業(yè)“土壤學”課程組所有的教師力量，教師年齡結(jié)構(gòu)、職稱結(jié)構(gòu)和梯隊建設合理，并逐步形成了“核心教師—骨干教師—年輕教師”的三級梯隊。核心教師負責制定和修訂課程標準，并帶領年輕教師充分運用新技術(shù)、新理念制作并實時改進“虛擬仿真”教學資源，保障在線課程的有效性與實用性；骨干教師進行課前集體備課和教學設計；年輕教師負責在在線開放課程平臺上開展教學內(nèi)容的發(fā)布、課程的維護、討論區(qū)提問與實時答疑、在線輔導、在線作業(yè)批閱等工作。教師隊伍中86%的教師具有博士學位，教師平均年齡為45歲，是以青年教師為主力軍的年輕化教學團隊。教學團隊的教師教學、科研都要抓且都要硬，實現(xiàn)教學與科研相長的平衡局面，將科研成果和科研思維引入教學，實現(xiàn)科研反哺教學，并將課程思政引入虛擬仿真教學，引導學生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀。

（三）構(gòu)建全過程多元化考核評價體系

虛擬仿真實驗考核評價體系遵循多元主體、多元形式和多元維度之間的相互作用，通過不同評價主體、評價方式、評價內(nèi)容和評價形式對實驗教學效果展開評價，有利于保障虛擬仿真實驗教學質(zhì)量的提升［9］?？己擞蓪嶒炦^程評定、實驗結(jié)果評定及課后習題三部分組成，每一部分有獨立的評判指標，實驗過程評定占總成績的40%、實驗結(jié)果評定占40%、課后習題占20%。第一部分實驗過程評定主要考核學生的實驗態(tài)度和實踐能力，實驗態(tài)度包括出勤率、課前預習等，實踐能力包括對實驗的操作能力、實驗的掌握程度等；第二部分實驗完成后進行結(jié)果評定，包括教師評定和實驗結(jié)果評定，任課教師根據(jù)學生在實驗過程中的表現(xiàn)、解決問題的能力給予一定的成績，并且結(jié)合學生最終的實驗結(jié)果進行評判；第三部分課后習題，學生通過作答習題完成該部分的考核。該評價體系實現(xiàn)了以評輔教、以評促學，充分激發(fā)了學生的學習積極性，增強了學生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，促進了實驗教學內(nèi)涵式發(fā)展。

四、基于“虛擬仿真”的“土壤學”實踐教學模式的實施

虛擬仿真的目的是讓學生成為“教”“學”過程的中心和主體。首先，讓知識“活”起來，用新形式提高學生興趣；其次，讓學生“走”進來，利用互動功能增強學生參與的積極性；再者，讓師生“動”起來，促進師生交流，推動課程改革；最后，讓教學過程“歡樂”起來，寓教于樂。

“土壤學”虛擬仿真實驗任務實施的整個過程包括課前自主預習階段、課中互動學習階段、課后拓展鞏固階段，以及貫穿整個任務實施過程的多元化考核評價和多維度教學反饋環(huán)節(jié)。在課前自主預習階段，教師通過虛擬平臺在線布置預習任務，明確教學目標；學生領取預習任務書后，登錄校級在線開放課程平臺進行網(wǎng)絡預習，有疑問的可以在討論區(qū)交流。在課中互動學習階段，以學生為中心，教師是引導者、組織者，教師講解實驗的目的、原理、知識點、操作步驟與注意事項，學生經(jīng)過小組分析、討論，共同解決問題。學生掌握知識點后，在虛擬平臺上進行操作練習，在操作過程中如有疑問，可以通過在線開放課程平臺上的操作演示視頻尋求解決方法，也可以向教師或其他學生請教，學生完成實驗操作后，需要撰寫實驗報告并完成心得體會，教師在學生操作過程中巡回指導、示范答疑。在任務實施后，及時完成學生自評、組內(nèi)和組間互評以及教師評價。

結(jié)語

將虛擬仿真引入“土壤學”實踐教學具有重要的現(xiàn)實意義，通過建設虛擬仿真教學資源、教學團隊，考核評價體系，構(gòu)建了“土壤學”實踐教學新模式，不僅解決了實踐教學中存在的問題，而且極大地發(fā)揮了學生的主動性，成為高校培養(yǎng)人才的新方向。

參考文獻

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Exploration on Practical Teaching of Soil Science in Universities： Application of “Virtual Simulation” in Soil Profile Observation

CHEN Yang1，2， HONG Mei2，3， LI Fei1，2

（1. College of Grassland， Resources and Environment， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot， Inner Mongolia 010011， China; 2. Experimental Teaching Center of Soil and Plant Nutrition in Inner Mongolia Autonomous Region， Hohhot， Inner Mongolia 010011， China; 3. Graduate School， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot， Inner Mongolia 010019， China）

Abstract： The virtual simulation course effectively breaks through the limitation of traditional teaching methods， and makes the practice teaching idea with ability training as the core better implemented. Applying virtual simulation to the practical teaching of Soil Science can not only give full play to the advantages of network teaching， improve learners autonomous learning ability， but also solve many problems existing in the practice teaching， establish new teaching methods and create new teaching environment for practice teaching， which has become a new mode and new way for colleges and universities to cultivate applied talents. In the stage of after-class expansion and consolidation， teachers assign expansion tasks online， and students use their spare time after class to go to the school-level virtual platform of the open laboratory， choose the “practice mode” of the virtual experiment， complete the operation exercises of the expansion task， and consolidate the knowledge they have learned.

Key words： teaching reform; practice teaching; virtual simulation