虛擬仿真技術(shù)背景下的羊生產(chǎn)學(xué)實(shí)踐教學(xué)改革探索

郝小燕,楊春合,李碧波,牟春堂,張春香

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院,山西 晉中 030801

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,居民消費(fèi)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化調(diào)整,帶動(dòng)了我國(guó)養(yǎng)殖業(yè)從傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式向市場(chǎng)化導(dǎo)向的養(yǎng)殖模式轉(zhuǎn)型。隨著養(yǎng)殖業(yè)的專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、市場(chǎng)化不斷深入發(fā)展,對(duì)動(dòng)物科學(xué)專業(yè)的人才數(shù)量和質(zhì)量要求也發(fā)生了新變化[1]。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高等教育學(xué)校,動(dòng)物科學(xué)專業(yè)的本科生要兼顧理論知識(shí)與實(shí)踐技能,面向前沿科技拓展理論視野,面向生產(chǎn)一線掌握實(shí)踐業(yè)務(wù)。為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)高素質(zhì)養(yǎng)殖人才的需求,以課程改革為核心的教學(xué)改革勢(shì)在必行[2]。其中,實(shí)踐教學(xué)改革作為課程改革建設(shè)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)和主體內(nèi)容,直接面臨如何降低成本、提高效能的困難。如何在理論教學(xué)課時(shí)數(shù)減少的基礎(chǔ)上,以實(shí)踐教學(xué)改革為抓手提高專業(yè)課整體教學(xué)質(zhì)量,培養(yǎng)高質(zhì)量養(yǎng)殖業(yè)專業(yè)人才,成為動(dòng)物科學(xué)專業(yè)相關(guān)學(xué)科教育教學(xué)團(tuán)隊(duì)面臨的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)[3]。山西農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院的羊生產(chǎn)學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)以課程改革為依托,在實(shí)踐教學(xué)改革方面進(jìn)行了有益探索。

羊生產(chǎn)學(xué)是動(dòng)物科學(xué)專業(yè)一門重要的應(yīng)用類專業(yè)課程,是進(jìn)行養(yǎng)羊業(yè)科學(xué)研究、指導(dǎo)養(yǎng)羊生產(chǎn)所必需的重要環(huán)節(jié)和組成部分[4]。山西農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院羊生產(chǎn)學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì),堅(jiān)持以服務(wù)教學(xué)、培養(yǎng)能力、面向產(chǎn)業(yè)、資源共享的教學(xué)理念,堅(jiān)持虛實(shí)結(jié)合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的實(shí)踐教學(xué)原則,結(jié)合虛擬仿真和HTML5技術(shù),開發(fā)了現(xiàn)代肉羊生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)虛擬仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)突破時(shí)間、空間的限制,減少對(duì)實(shí)體動(dòng)物的依賴,解決生物安全防疫問題,實(shí)現(xiàn)在線大規(guī)模肉羊生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)。沉浸式實(shí)訓(xùn)體驗(yàn)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高了學(xué)生理論知識(shí)應(yīng)用能力,達(dá)到全過程、可持續(xù)的教學(xué)實(shí)習(xí)目標(biāo)。

1 羊生產(chǎn)學(xué)課程特點(diǎn)及實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

羊生產(chǎn)學(xué)是我國(guó)農(nóng)業(yè)高等學(xué)校動(dòng)物科學(xué)專業(yè)的一門實(shí)踐性很強(qiáng)的應(yīng)用型專業(yè)主干課程,課程內(nèi)容包括品種選育、遺傳改良、繁殖技術(shù)、飼養(yǎng)管理、羊場(chǎng)建設(shè)、環(huán)境控制、羊產(chǎn)品和羊場(chǎng)經(jīng)營(yíng)管理等[5]。該課程的教學(xué)目標(biāo)是拓展學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu),培養(yǎng)學(xué)生的宏觀決策能力,特別是培養(yǎng)學(xué)生的養(yǎng)羊企業(yè)生產(chǎn)觀念、市場(chǎng)觀念和經(jīng)濟(jì)觀念,促進(jìn)學(xué)生有效掌握養(yǎng)羊業(yè)的有關(guān)理論和生產(chǎn)技術(shù),提高學(xué)生解決實(shí)際生產(chǎn)問題的能力[6]。

目前,我國(guó)農(nóng)業(yè)高等院校開設(shè)的羊生產(chǎn)學(xué)實(shí)踐教學(xué)與當(dāng)代產(chǎn)業(yè)需求仍有脫節(jié)之處,理論教學(xué)以羊毛品質(zhì)分析、羊的外貌鑒定、年齡鑒定等內(nèi)容為主,而與生產(chǎn)密切相關(guān)的發(fā)情鑒定方法、生產(chǎn)性能測(cè)定、產(chǎn)肉性能測(cè)定、飼養(yǎng)方法、羊舍設(shè)計(jì)等重要內(nèi)容在教學(xué)中體現(xiàn)不夠[7]。傳統(tǒng)的羊生產(chǎn)學(xué)實(shí)踐教學(xué)主要面臨以下問題。

1)完整的肉羊生產(chǎn)周期長(zhǎng)、時(shí)間跨度大,學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)無法系統(tǒng)地掌握肉羊生產(chǎn)所有的技術(shù)環(huán)節(jié)。

2)羊場(chǎng)現(xiàn)代化安全生產(chǎn)和防疫要求高,且現(xiàn)場(chǎng)實(shí)訓(xùn)增加了羊只應(yīng)激風(fēng)險(xiǎn),場(chǎng)區(qū)不能接納大量的學(xué)生參觀學(xué)習(xí)。

3)因羊場(chǎng)中存在受人畜共患病風(fēng)險(xiǎn),受其限制以及對(duì)于安全的考慮,學(xué)生無法深入生產(chǎn)一線進(jìn)行養(yǎng)殖生產(chǎn)和羊肉品質(zhì)評(píng)價(jià)實(shí)訓(xùn)。

4)學(xué)生對(duì)行業(yè)認(rèn)知有偏差,因此會(huì)懈怠實(shí)驗(yàn)課。傳統(tǒng)畜牧業(yè)養(yǎng)殖環(huán)境的特殊性固化了學(xué)生對(duì)動(dòng)物科學(xué)專業(yè)的不良印象,導(dǎo)致部分學(xué)生對(duì)待實(shí)驗(yàn)課抱著應(yīng)付的態(tài)度[8]。

5)傳統(tǒng)教學(xué)方法與手段單一,枯燥乏味,學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課興趣低。

6)實(shí)踐教學(xué)考核體系不規(guī)范。以考勤和實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主的評(píng)價(jià)方式致使學(xué)生缺乏創(chuàng)新動(dòng)力。

因此,在綜合類實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目教學(xué)上,設(shè)計(jì)緊密結(jié)合肉羊養(yǎng)殖生產(chǎn)實(shí)踐,注重應(yīng)用性和實(shí)操性的專業(yè)核心技能虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容顯得尤為必要。

2 現(xiàn)代肉羊生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)虛擬仿真系統(tǒng)建設(shè)

2.1 虛擬仿真系統(tǒng)建設(shè)背景

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng),采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的各種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境,使實(shí)驗(yàn)者如同在真實(shí)的環(huán)境中一樣,完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,所取得的學(xué)習(xí)或訓(xùn)練效果等價(jià)于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果[9]。2017年7月,《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》指出,要深入推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合,不斷加強(qiáng)高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)與應(yīng)用,著力提高高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和實(shí)踐育人水平。以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托,以相關(guān)專業(yè)類急需的實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化內(nèi)容為指向,以完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目為基礎(chǔ),建設(shè)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目,推動(dòng)高校積極探索線上線下教學(xué)相結(jié)合的個(gè)性化、智能化、泛在化實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式,形成專業(yè)布局合理、教學(xué)效果優(yōu)良、開放共享有效的高等教育信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目示范新體系,支撐高等教育教學(xué)質(zhì)量全面提高。

2.2 虛擬仿真系統(tǒng)內(nèi)容設(shè)置及特點(diǎn)

現(xiàn)代肉羊生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容包括品種及雜交組合選擇,配種、羔羊護(hù)理與培育,育肥方案制定、胴體質(zhì)量檢測(cè)4個(gè)部分,完整地呈現(xiàn)了現(xiàn)代肉羊生產(chǎn)流程。該系統(tǒng)具有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)規(guī)范、實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系合理、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)先進(jìn)等特點(diǎn)。

1)學(xué)生首先了解肉羊優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)的當(dāng)家品種及特點(diǎn),形成用于生產(chǎn)肥羔的雜交組合,并對(duì)肉羊生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行可視化鞏固學(xué)習(xí)。通過育肥方案制定和胴體質(zhì)量檢驗(yàn)?zāi)K,形成羔羊育肥期全混合飼糧配方,并從胴體質(zhì)量指標(biāo)中檢驗(yàn)、反饋配方制定的合理性。

2)采用系統(tǒng)評(píng)分和教師評(píng)價(jià)意見相結(jié)合的方式,實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)效果多元化和個(gè)性化評(píng)價(jià)。學(xué)生進(jìn)入虛擬仿真平臺(tái),逐項(xiàng)完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生各項(xiàng)操作的正確性自動(dòng)評(píng)分。教師端通過意見反饋和實(shí)訓(xùn)總結(jié)模塊回訪學(xué)生整個(gè)實(shí)訓(xùn)過程,并在線提出個(gè)性化指導(dǎo)意見,幫助學(xué)生及時(shí)糾錯(cuò)和提升,實(shí)現(xiàn)個(gè)性化評(píng)價(jià)。學(xué)生端系統(tǒng)提示學(xué)生查看教師評(píng)閱意見,并填寫實(shí)訓(xùn)心得和建議,最終形成一個(gè)完整有效的評(píng)價(jià)體系。

3)運(yùn)用HTML5技術(shù),結(jié)合Unity3D、Java、可視化等網(wǎng)絡(luò)開發(fā)技術(shù),基于現(xiàn)代肉羊生產(chǎn)大數(shù)據(jù)分析構(gòu)建實(shí)訓(xùn)各環(huán)節(jié)參數(shù),按照肉羊生產(chǎn)流程和羊場(chǎng)實(shí)景構(gòu)建虛擬仿真各模塊,完整呈現(xiàn)肉羊生產(chǎn)流程。首先,通過回歸分析建立品種、飼糧配方營(yíng)養(yǎng)水平與肉羊胴體品質(zhì)間相關(guān)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了選種及飼糧配方的適時(shí)驗(yàn)證。其次,學(xué)生可以在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)保留多條記錄,方便學(xué)生對(duì)比分析實(shí)訓(xùn)中存在的知識(shí)和能力短板,以迅速改進(jìn)和提高。

2.3 虛擬仿真系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)實(shí)施過程與方法

虛擬仿真系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)實(shí)施過程如下。①讓學(xué)生熟悉現(xiàn)代肉羊生產(chǎn)流程,結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?針對(duì)各模塊實(shí)驗(yàn)操作步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。②學(xué)習(xí)和掌握品種選擇、發(fā)情鑒定、精液采集、人工輸精、羔羊接產(chǎn)、護(hù)理、羔羊培育、育肥羔羊飼糧配方設(shè)計(jì)、羔羊屠宰、胴體質(zhì)量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)操作。③通過人機(jī)交互界面進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作,根據(jù)學(xué)習(xí)的知識(shí)自定義設(shè)置各生產(chǎn)步驟技術(shù)參數(shù),在線提交虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果報(bào)告。④教師端通過實(shí)訓(xùn)結(jié)果及意見反饋,了解學(xué)生實(shí)訓(xùn)過程中存在的問題并進(jìn)行個(gè)性化指導(dǎo)和評(píng)價(jià),學(xué)生端查看指導(dǎo)意見后進(jìn)行實(shí)訓(xùn)總結(jié)。

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)采用了“自主—互動(dòng)—探究”的立體式虛擬仿真教學(xué)和案例式教學(xué)方法?；谌庋蛏a(chǎn)環(huán)節(jié)多、周期長(zhǎng)、線下無法實(shí)施系統(tǒng)的生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)相關(guān)問題,以學(xué)生為中心,通過仿真系統(tǒng)提供虛擬的實(shí)操與互作實(shí)驗(yàn)環(huán)境,倡導(dǎo)自主式、合作式、探究式學(xué)習(xí),確保學(xué)生熟悉并掌握肉羊生產(chǎn)的全流程,大大調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性,達(dá)到事半功倍的學(xué)習(xí)效果。教學(xué)中注重將教師科研成果體現(xiàn)在教學(xué)中,以科研促教學(xué),例如在胴體質(zhì)量檢測(cè)模塊中,教師將科研工作中采集的肉脂樣品進(jìn)行充分利用,分析不同因素如品種、營(yíng)養(yǎng)水平、飼料添加劑等對(duì)胴體品質(zhì)影響,有利于提高學(xué)生創(chuàng)新能力。教學(xué)中還要體現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合,充分利用案例式教學(xué)方法,將社會(huì)服務(wù)期間收集典型案例和數(shù)據(jù)以及圖片,如黃膘肉、尿結(jié)石等案例設(shè)計(jì)融入實(shí)驗(yàn)中,對(duì)比分析并討論形成這些不可食用胴體的原因,鞏固專業(yè)知識(shí),提高學(xué)生分析、解決問題的能力。

3 虛實(shí)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)成效與思考

3.1 成效

現(xiàn)代肉羊生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)置了緊密銜接的肉羊生產(chǎn)核心技能虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容,鞏固了動(dòng)物科學(xué)學(xué)生所需的專業(yè)知識(shí),避免動(dòng)物應(yīng)激、節(jié)約實(shí)驗(yàn)飼養(yǎng)成本、縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間,解決了肉羊生產(chǎn)周期長(zhǎng)、場(chǎng)區(qū)進(jìn)出困難造成的實(shí)訓(xùn)難度大、效果差等問題,變“不可控”為“可控”,解決學(xué)生因興趣不足造成的參與度低、創(chuàng)新能力差的問題,有效提高課堂效率,切實(shí)提升學(xué)生專業(yè)技能和實(shí)踐動(dòng)手能力,提高教學(xué)的質(zhì)量。

現(xiàn)代肉羊生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)虛擬仿真系統(tǒng)大大節(jié)省了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中人力、物力、財(cái)力的投入,降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本,降低了人畜共患病風(fēng)險(xiǎn)。打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間和空間的界限,將部分抽象知識(shí)可視化、程序化,大大提高了學(xué)生參與實(shí)訓(xùn)的積極性,使學(xué)生進(jìn)入實(shí)習(xí)基地時(shí)更加自信,上手更快,實(shí)踐能力得到顯著提升。該教學(xué)模式有效增強(qiáng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和主動(dòng)探究的內(nèi)生動(dòng)力,也得到了任課老師和學(xué)生的高度好評(píng)?，F(xiàn)代肉羊生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)屬于動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)與飼料、動(dòng)物繁殖技術(shù)專業(yè)核心技能在羊生產(chǎn)中的綜合應(yīng)用,線下開展如此系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)非常困難。通過線上仿真,能夠更直觀立體地使學(xué)生掌握專業(yè)技能,突破空間約束,隨時(shí)隨地使用,更加便捷;通過虛實(shí)結(jié)合和虛實(shí)交互學(xué)習(xí),使我們對(duì)羊的人工采精技能,全混合飼糧配方設(shè)計(jì)技能、胴體質(zhì)量檢測(cè)技能更加熟練掌握,讓我們可以更加深入地理解書本的知識(shí),使我們對(duì)學(xué)習(xí)更有興趣、印象更深刻。

3.2 思考

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在現(xiàn)代高校實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)中展現(xiàn)出重要作用。虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新,對(duì)于降低實(shí)踐教學(xué)成本、提升實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力、調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的積極性和主動(dòng)性,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能,增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力,培養(yǎng)服務(wù)于產(chǎn)業(yè)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的專業(yè)化人才具有重要意義。但需要注意的是,就虛避實(shí),試圖以虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)替代傳統(tǒng)線下實(shí)踐教學(xué)并不可取。在實(shí)踐性較強(qiáng)的課程改革創(chuàng)新過程中,要處理好“虛實(shí)”之間的關(guān)系。羊生產(chǎn)學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)要堅(jiān)持“能實(shí)不虛,虛為實(shí)補(bǔ)”的原則,將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充,堅(jiān)持學(xué)生的主體地位,更要堅(jiān)持教學(xué)效果的目標(biāo)導(dǎo)向,突出動(dòng)物科學(xué)的專業(yè)特色,虛實(shí)結(jié)合,提高學(xué)生認(rèn)知和專業(yè)實(shí)踐能力,培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代畜牧產(chǎn)業(yè)發(fā)展的專業(yè)化人才。

4 結(jié)束語(yǔ)

羊生產(chǎn)學(xué)實(shí)踐教學(xué)受肉羊生產(chǎn)周期長(zhǎng)、時(shí)間跨度大和羊場(chǎng)場(chǎng)區(qū)進(jìn)出困難的空間限制影響,導(dǎo)致學(xué)生實(shí)訓(xùn)效果不佳?，F(xiàn)代肉羊生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用,打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間和空間的限制,將部分抽象知識(shí)可視化,提高了學(xué)生參與實(shí)訓(xùn)的積極性,使學(xué)生進(jìn)入實(shí)習(xí)基地時(shí)更加自信,實(shí)踐動(dòng)手能力能夠得到顯著提升。