3D虛擬仿真技術在高校“動物生產學”教學中的應用與實踐

廉紅霞 王林楓 付彤 李改英

[摘 要] 為提高學生培養質量，基于動物科學專業“動物生產學”課程的特點，通過3D虛擬仿真技術這一現代科技手段構建教學新系統、建立動物生產學虛擬實驗室、構建新的學習評價系統。從而改善教學模式，豐富教學內容，改進教學效果。

[關鍵詞] 3D虛擬仿真技術;動物生產學;教學模式;信息化教學

[基金項目] 2019年河南省教育科學“十三五”規劃課題“3D虛擬仿真技術在高校動物生產教學中的應用研究”（[2019]-JKGHYB-0039）;2018年河南省教育科學“十三五”規劃課題“互聯網背景下企業可視化信息共享平臺在高校動物生產教學中的應用研究”（〔2018〕-JKGHYB-0033）

[作者簡介] 廉紅霞（1977—），女，河南焦作人，博士，碩士研究生導師，河南農業大學副教授，主要從事反芻動物營養研究;王林楓（1968—），男，河南汝陽人，博士，碩士研究生導師，河南農業大學副教授，主要從事反芻動物營養研究;付 彤（1976—），男，河南輝縣人，博士，碩士研究生導師，河南農業大學副教授（通信作者），主要從事反芻動物飼料與營養研究。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）40-0258-02? ? [收稿日期] 2020-04-06

教育強國是中華民族偉大復興的基礎工程，必須把教育事業放在優先位置，加快教育現代化。動物生產學是農業高校動物科學專業的核心課程，實驗課具有很強的實踐性和應用性，是動物生產學的重要組成部分，是培養學生動手能力和良好素質的有力手段[1]，在教學內容和教學方法上都有很高的要求。目前國內各院校動物生產學實驗教學普遍得不到重視[2]，經過多年對動物生產學的實踐教學的改革探索，提出將3D虛擬仿真技術應用于高校動物生產學教學與實踐。

一、3D虛擬仿真技術的發展及應用

教育部頒布的《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》提到，推動信息技術與高等教育深度融合，創新人才培養模式，高校教學信息化的創建成為現代教育事業發展的全新趨勢[3]。教學信息化能夠有效實現教學資源及管理工作數字化、網絡化及信息化。隨著現代科技的迅猛發展，不斷涌現出各種新的教學手段，虛擬仿真技術是近幾年來國內外科技界關注的一個熱點，它的興起，為人工智能的發展開創了新的研究和發展領域，虛擬仿真技術已廣泛應用于航空航天、醫學實習、軍事訓練、建筑設計、教育培訓等眾多領域。

2013年教育部印發了《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》，其主要目的在于提高實驗教學水平，深化教學知識體系的融合，突破實驗教學中成本高、周期長，時空局限等多種因素的限制[4]。虛擬仿真技術的應用，可以提高學生思維的靈活性和跳躍性，培養學生自主學習能力和實踐能力。虛擬仿真技術教學綜合運用了虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫以及網絡通信等多種高科技技術，通過虛擬技術模擬現實世界構建一個真實可視化的實驗操作環境和實驗對象，形成了一個優于傳統教學方法的實驗教學平臺，使學生能在虛擬、開放、自主的實驗環境中開展高效、經濟的實驗，實現了在真實實驗情況下不具備的教學效果[5，6]。

二、“動物生產學”引入3D虛擬仿真技術的必要性

在教育與技術飛躍發展的今天，在課堂講授過程中合理地運用實驗的教學方法能很好地彌補傳統教學方法的不足。《動物生產學》作為農業大學動物科學專業學生必修課，具有很強的實踐性和應用性，是課程體系的重要組成部分。然而，由于認識不足和條件所限，學生在校學習的僅僅是理論，并沒有真正接觸生產實踐，對生產實踐的認識只是停留在課本的概念上，難以對真正的動物生產形成完整的概念，影響了教學效果。虛擬現實仿真平臺，具有強大的實時功能，能夠真實模擬生產過程，提供多種交互手段。將3D虛擬仿真技術引入“動物生產學”教學，運用實驗手段提高課堂教學的有效性，為理論教學帶來仿真手段和技術實現水平的革命性進步。

將虛擬仿真教學技術引入“動物生產學”理論與實驗教學，與傳統的教學手段相互補充，有效地為學生提供更加接近真實的學習環境，激發學生的學習興趣，有效提高教學效果和質量。虛擬仿真技術的應用對于營造創新型人才培養環境，激發學生學習動力等方面意義重大。使抽象枯燥的課堂理論教學結合生動的實際生產過程，讓學生在快樂中學習知識，增強教學效果，提高學生的素質。將為高校提供低成本、高效率的教學實驗手段，為本科教育帶來了全新的教學理念和教學模式。

三、“動物生產學”3D虛擬仿真技術教學體系的構建

“動物生產學”教學體系中3D虛擬仿真技術的構建如上圖所示，具體包括如下三個方面。

（一）構建理論教學新系統

在大學的多媒體教室，教師在講解動物生產理論課時，遇到不易描述的細節內容，可通過互聯網調出動物生產企業生產和管理的視頻信息，有針對性地形象解釋其結構、功能、運行等具體細節。使遠程和近程“合體”，理論和實踐“結合”，抽象與具體“相融”，構建“全息”教學系統，加快學生的理解，增強課堂教學的效果。

（二）建立動物生產學虛擬實驗室

對具有一定規模、復雜及高消耗的實驗;概率較低、偶然接觸到的內容;復雜事物的變化過程，及一些危險實驗的反應過程構建以計算機仿真技術為主的生物仿真引擎、仿真數據庫、虛擬實驗環境界面和網絡化硬件平臺等幾部分組成動物生產學虛擬實驗室，應用于動物生產學實驗教學，包括：（1）建立動物生產企業虛擬環境界面，讓學生對養殖場整個生產過程、操作過程有詳盡的學習，開展場區設計、群體周轉計劃制定、生產成本核算等綜合實驗。（2）構建動物生產仿真數據庫，完成整個生產期的周轉計劃。（3）建立生物仿真引擎，開展動物的發情鑒定、人工授精、胚胎發育等仿真實驗。（4）構建動物生產的營養攝入、生理指標及生產性能等仿真數據庫，綜合分析，完成生產的預警系統及營養診斷。

（三）構建學習評價系統

利用3D虛擬技術平臺對學生的學習過程、操作過程、考試等進行分析與評價，并將學生的學習成果利用3D虛擬平臺展示出來。

四、3D虛擬仿真技術在“動物生產學”教學體系中的應用效果

3D虛擬現實技術可將動物生產中長期、復雜或微觀的場景進行虛擬展示和虛擬復原，從而使生產脫離地域限制，實現資源共享。亦可與動物生產過程、微觀實驗操作進行完美的結合。利用虛擬現實技術把枯燥的理論變為鮮活的圖形，使學生可交互式參與，引發學生濃厚的興趣，從而達到理論聯系實際的目的。可見，本研究主張采取的“理論講解+實際場景”的視頻信號是典型的復合型信號，伴隨有文字、聲音、顏色、動作等多種信息，在大腦形成的印象會更深、更久，增強教學效果。

參考文獻

[1]劉安芳，肖文川，王飛，等.論四階段教學法在《動物生產學》中的應用[J].四川畜牧獸醫學院學報，2006，16（2）：73-76.

[2]李淑紅，王京仁，成鋼，等.專題式教學結合網絡多媒體在《動物生產學》教學中的應用[J].家畜生態學報，2013，34（3）：94-96.

[3]教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）[EB/OL].（2012-03-13）[2018-11-25].http：//www.moe.gov.cn/ewebeditor/uploadfile/2012/03/29/20120329140800968.doc.

[4]關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知（教高司函〔2013〕94號）[EB/OL].（2013-08-13）http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/A08_gggs/A08_sjhj/201308/t20130821_156121.html

[5]李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設，提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013，32（11）：5-8.

[6]許麗，王鴻鵬，劉覺曉，等.面向虛擬仿真實驗教學的高校公共實驗室研究[J].實驗技術與管理，2019（11）：262-265，269.