動物科學專業虛擬仿真實驗教學的建設與實踐

李靜 張艷麗

[摘 要] 虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設的重要內容，適應了現代畜牧業對動物科學專業人才培養的需求，是提升人才培養質量的重要途徑。目前南京農業大學動物科技學院正在積極進行動物科學專業虛擬仿真實驗教學的建設，并取得了一定成果。從虛擬仿真實驗教學開發的意義、動物科學專業虛擬仿真實驗教學項目建設的必要性和建設的實踐與創新等方面進行了闡述。

[關鍵詞] 虛擬仿真;實驗教學;動物科學專業

一、虛擬仿真實驗教學開發的意義

虛擬實驗平臺的概念最早是由美國弗吉尼亞大學的Willam Wulf教授于20世紀80年代提出來的，目前在國內外許多大學得到了較廣泛研究與應用。虛擬仿真實驗教學綜合應用虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫以及網絡通信等技術，通過構建逼真的實驗操作環境和實驗對象，使學生在開放、自主、交互的虛擬環境中開展高效、安全且經濟的實驗，進而達到真實實驗不具備或難以實現的教學效果，尤其對于那些涉高危或極端環境、不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的大型或綜合性實驗項目，虛擬仿真實驗教學具有明顯的優勢。虛擬仿真實驗教學，為教學實驗實習提供了一個先進而靈活的環境，可以在很大程度上彌補實驗經費、實驗場所、實驗器械以及指導教師不足而造成的實驗深度和廣度不夠的問題，達到不受時間空間限制的互動式、共享化和信息化實驗的教學目的。

虛擬仿真實驗是高等教育信息化建設的重要內容，體現出信息技術與教育教學融合發展和與學科專業深度融合帶來的實驗教學改革與創新。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》對高等教育信息化建設提出了明確要求。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是創新人才培養的重要方面。國家虛擬仿真實驗教學項目是教育部推出的5類“金課”之一，虛擬仿真實驗教學是教育信息化發展的必然趨勢，將會在提升高等教育質量和提高學生實踐創新能力等方面產生積極而重要的影響。

二、動物科學專業虛擬仿真實驗教學建設的必要性

隨著人們生活水平的提高，肉、蛋、奶在生活中的比重越來越大，成為生活中的必需品，傳統畜牧業逐漸向集約化、規模化、健康安全、生態環保等現代畜牧業發生轉變，因此與畜牧業緊密相關的動物科學成了21世紀生命科學中最富有挑戰性和最具發展潛力的領域之一。這對農業高校動物科學專業人才培養提出了更高的要求，對教育思想觀念、人才培養模式等產生了巨大的影響。動物科學專業屬實用性極強的專業，其具有重實踐、重應用、重解決實際問題的特點，要求學生熟練掌握基礎理論并聯系生產實際，最終為畜牧產業服務。實驗實踐教學作為動物科學專業學生的基礎教育之一，是培養學生實踐能力和創新精神的必要途徑。然而，由于動物科學的自身特點，在其實驗實踐教學過程中往往存在周期長、難度大、成本高、具有疫病傳播風險與環保等現實客觀因素的限制，因此難以保證學生能很好地參與到整個過程，這在很大程度上制約了學生實踐能力的培養。虛擬現實技術的出現為上述問題的解決提供了一條新的思路，通過虛擬仿真實驗教學資源的建設，學生可以隨時、隨地在虛擬環境中開展實驗活動，提高學生的自主學習和實踐能力，而且這種虛實結合，相互輔助的實驗教學形式能夠激發學生的興趣，有效提升實驗教學質量。具體體現在以下幾個方面。

（一）突破動物科學實驗教學受時空條件的限制

傳統動物科學實驗教學受動物生產周期長和動物疾病感染風險的影響。如：動物生產實習是動物科學專業學生必修的實習環節，涉及環境衛生學以及牛生產學、豬生產學、家禽生產學、羊生產學等，學生掌握豬、禽、羊等畜禽各個生產環節一般需要數月的時間，周期較長，特別是豬場和雞場防疫嚴格，一般實行封閉式管理，學生出入受限，不能保證學生完整地參與到整個生產過程。因此通過虛擬仿真牧場可以提供開放式生產環境，實現生產各環節一條龍，學生可以打破時間和地域的限制完成相關的教學實驗和實習，真正自主完成整個生產過程，有效地彌補了在實際實習過程中不能參與體驗整個養殖流程的不足。例如，2019年非洲豬瘟疫情嚴重，動物科學專業學生無法進入養殖企業進行豬生產實習。但學生通過虛擬豬養殖仿真實驗教學項目進行了豬生產實習，完成從廠址選擇、豬舍建造，以及“空懷—配種—產仔”和“哺乳仔豬—保育仔豬—生產豬肥育—上市”的虛擬養豬實習，真實體驗了養豬的全過程。

（二）突破動物科學實驗教學受教學成本和資源消耗的限制

傳統動物科學實驗教學受教學成本和動物福利等問題的困擾。如：動物解剖學是動物科學學生的專業基礎課程，由于家畜實驗成本高，很難保證學生大量、反復地使用實驗動物進行練習，因此利用3D成像技術和計算機多媒體技術，將實驗動物手術和解剖操作過程整合為一套虛擬仿真實驗，讓學生在正式實驗操作前進行充分模擬、仿真，這種模式對于學生把握整個實驗內容以及對整個實驗的完成質量具有積極意義。而且虛擬仿真實驗可以通過透明度的處理將表面解剖學與大體解剖學、系統解剖學、局部解剖學巧妙地關聯起來，讓各門課程有機結合在一起，提高了教學的效果，同時解決了動物實驗教學帶來的動物福利等問題。

（三）突破動物科學實驗教學受疫病傳播風險的限制

部分動物科學實驗存在疾病感染風險，威脅師生健康。如：家畜傳染病學是研究家畜、家禽傳染病發生和發展的規律以及預防和消滅這些傳染病方法的科學，畜禽傳染病具有危害大，傳播快等特點，特別是某些傳染病還屬于人畜共患病。因此這類實驗實習對師生的人身安全存在嚴重的風險，學生不可能到發病現場甚至直接接觸病畜，因此通過虛擬仿真實驗，可在網絡上對發病表現、傳播途徑等有全面的認識和了解，加深對傳染病臨床癥狀的認識和判斷。

三、動物科學專業虛擬仿真實驗教學的建設實踐與創新

目前學院正在按照“整合資源，虛實互補、多元協同”的原則，以有利于培養學生實踐創新能力為出發點，激發學生實驗學習的興趣，促進理論教學和實驗教學相結合，建立基于3D建模和物聯網技術“虛實結合”的動物生產學虛擬仿真實踐教學資源，探索實驗教學新模式，從而增強動物科學實驗教學水平和提升學生創新能力。將虛擬仿真實驗作為實體實驗的有益補充，對虛擬仿真實驗的開設貫徹“能實不虛，虛為實補”的原則。堅持以學生為本，突出動物科學的專業特色，虛實結合，提高學生認知和專業實踐能力。

（一）虛實結合，構建“四位一體”的動物科學實驗教學新模式

充分考慮動物科學專業學生的知識結構特點和專業人才培養需求，堅持“整合資源，虛實互補、多元協同”的原則，以動物生產過程中“種—養—管—病”為主線，注重實體實驗知識的傳授和實踐能力的培養，建立基于實體實驗室、虛擬仿真實驗、校內實習基地、校外實踐基地“四位一體”的實驗教學新模式，并以此模式為基礎，重點建設了動物生產學、家畜育種學、動物生理學、家畜解剖學、畜禽傳染病學、飼料學虛擬仿真實驗教學平臺，涵蓋動物科學專業的核心課程體系，彌補動物科學實驗教學中家畜生長周期長，實體解剖成本高、消耗大，人畜共患病傳播風險高等問題，保證了實驗教學質量。給學生提供實驗前預習、實驗過程的智能指導、實驗提交后的報告和實驗結果自動批改、實驗教學效果的評估等功能，既相互獨立、自成一體，又能相互補充。

（二）研教結合，將成熟的科研成果轉化為虛擬仿真實驗教學內容

在保障正常教學中基礎性實驗、綜合性和創新性實驗三個層次的基礎上，依托學科優勢，將一些成熟的科研成果轉化為仿真實驗教學資源。我校王鋒教授團隊承擔的農業農村部轉基因重大專項，成功獲得了一批轉基因克隆奶山羊，中心通過自主開發動物克隆技術虛擬仿真實驗項目，讓學生更為直觀地接觸到前沿科研動態，掌握先進的繁殖新技術，提高學生參與科研的興趣。

（三）校企結合，提高學生的生產實踐能力和創新能力

虛擬仿真實驗教學項目建設中，與國家農業產業化重點龍頭企業以及多家信息科技企業強強聯合，共同開發虛擬仿真教學軟件，利用3D建模技術和物聯網技術進行虛實結合，將農業行業企業與虛擬仿真豬場和雞場有機結合起來，實現學生在線虛擬養殖與現實豬場的實時觀測，切實提高學生的生產實踐能力。學院采取共同開發、共建實驗室、共同運營、優勢互補等多種方式開展與企業的深度合作，形成了共建、共管、共贏的資源建設新模式。

（四）點面結合，拓展學生自主學習時間與空間，增強社會輻射示范效應

虛擬仿真實驗教學項目遵照“服務、開放、共享”的原則，建立了實驗室網站，并依托網站建立了實驗室信息化管理運行平臺，實現了虛擬實驗教學、實體實驗教學和儀器設備的智能化網絡化管理。學生可以通過校園網訪問，認證后登錄學習，拓展了學生自主學習的時間和空間，取得了良好的教學效果。隨著動物科學虛擬實驗資源和服務器帶寬承載量等硬件條件的改善，將會考慮面向社會開放虛擬實驗資源，形成畜牧行業內具有影響力的虛擬實驗培訓中心，增強社會輻射示范效應。

四、目前取得的成果

目前學院已建成國家級虛擬仿真實驗教學項目1項，省級虛擬仿真實驗教學項目2項，每年有動物科學專業學生約110人使用學習，學生瀏覽次數超過萬次。具有“開放性、交互性和易操作”等優點，不受時空條件的限制，學生可以隨時隨地進行自主學習，以虛促實，提高了實驗教學效果。動物科學專業學生通過現場實習和虛擬實驗的互補式學習，多次獲全國大學生動物科學專業技能大賽“特等獎”和“一等獎”。

參考文獻

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