基于“實景+虛擬仿真”創新教學資源平臺的動物科學專業人才培養模式探索

劉 娜，王步鈺，安曉萍，王 園，齊景偉

（內蒙古農業大學動物科學學院，內蒙古 呼和浩特 010018）

畜牧業是現代農業產業體系的重要組成部分。畜牧業的快速發展，有利于促進農業產業結構升級優化、農牧民增收、農村發展。 國務院辦公廳印發的 《關于促進畜牧業高質量發展的意見》指出，要以實施鄉村振興戰略為引領，以農業供給側結構性改革為主線，轉變發展方式，不斷增強畜牧業質量效益和競爭力，形成產出高效、產品安全、資源節約、環境友好、調控有效的高質量發展新格局。加快構建現代養殖體系，需要充足的動物科學專業人才做技術支撐， 對畜牧行業人才提出了更高的要求。

動物科學專業為畜牧產業發展提供人才保障［1］。 動物科學是生命科學的重要分支，該專業任務是使學生了解和掌握動物生產領域的基本知識與技能，為從事畜牧業研究和生產、牧場管理、農業推廣與咨詢等工作做好準備［2］。 動物科學專業的主干課程有動物營養學、飼料學、動物遺傳學、家畜育種學、牛生產學、羊生產學、豬生產學、禽生產學等。雖然現階段動物科學專業本科“3+1”人才培養模式在各大院校廣泛應用， 加大了實驗室和實習基地的建設力度［3］，但仍存在課本知識滯后、課堂教學與生產實踐脫節的情況。 隨著現代信息技術的飛速發展，“互聯網+” 和5G 時代的來臨，慕課、實景教學、3D 虛擬仿真等教學方法應運而生［4-6］，為動物科學專業人才培養模式的轉變提供了有力支撐。在信息科技日新月異背景下，內蒙古農業大學建成“實景+虛擬仿真”創新教學資源平臺，將現代化的教學手段（如實景教學和虛擬仿真教學）應用到動物科學專業人才培養模式，提高學生自主學習能力、實踐能力以及發現問題、分析問題和解決問題的能力， 對動物科學專業創新人才的培養具有重要意義。

1 動物科學專業人才培養過程中存在的問題

隨著現代畜牧業的快速發展， 飼料和養殖企業對應聘者的要求越來越高，專業知識深厚、綜合素質完備、創新和實踐能力兼具的人才備受青睞。目前大多數農業院校的動物科學專業畢業生進入企業后仍需要接受生產技術和管理培訓， 說明人才培養與企業需求存在一定的差距。

1.1 教材重理論輕實踐，缺乏前瞻性

目前動物科學專業所用教材多偏重理論知識，實踐內容較少，且內容更新速度較慢，最新的科研成果、 技術手段和實用案例未能及時體現在教材中， 導致學生理論學習較多而實踐應用能力不足， 不能滿足現代畜牧業對掌握最新生產工藝和技術流程的高級技能型人才的迫切需求。

1.2 偏重理論知識灌輸，教師缺乏生產經驗

動物科學專業的應用性較強， 現行的教學培養體系以教師理論講授為主，實驗實踐環節較少，學生參與度較低。由于缺乏飼料、養殖企業生產實踐經驗，教師往往偏重專業理論知識灌輸，以至學生對現代化養殖場等生產一線現狀了解不夠深入。理論知識抽象難懂、生產工藝實踐操作一知半解，學生難以樹立專業自信，對個人未來的發展方向沒有清晰的規劃。 部分年輕教師不能將理論知識與實踐相結合，沒有解決現實問題的思路，在教學過程中難以培養學生的實踐應用能力。

1.3 實驗教學成本高，材料設備有限

動物科學專業實驗教學成本高， 成套儀器設備少，實驗材料有限，學生欠缺獨自利用整只實驗動物進行操作的機會， 大多時候分組按照固定的步驟完成“驗證性”的實驗，無法反復操作體會。牛、羊、馬等大型動物來源成本高，實驗課多為教師操作演示，學生全程觀看，或是個別學生參與操作，致使學生理論知識不扎實、實驗操作不熟練，達不到提高動手能力的目的。

1.4 生產實習時間短，學生缺乏創新創業意識

為保障養殖場生物安全，避免疫病傳播，學生出入養殖場受時間和地域的限制， 生產實習多以參觀為主，通過畜牧企業技術人員的講解，學生被動了解生產過程，實踐活動“淺嘗輒止”。參觀時間短，學生對飼料原料的采購、產品的品質檢測、投料飼喂方式以及動物免疫程序、 疾病預防和診斷等實踐內容并未完全接觸，學到的內容有限，影響實踐育人的效果。 學生參與企業實踐度低， 受主觀、客觀因素的影響，缺乏創新創業意識。

2 “實景+虛擬仿真”創新教學資源平臺簡介

2.1 “實景+虛擬仿真”創新教學資源平臺的提出

習近平在十九大報告中提出， 必須把教育事業放在優先位置，強調要推進教育公平，重點要放在教育方法、手段和模式的創新上。 信息化為現代教育跨越式發展帶來了新機遇。 《教育信息化2.0 行動計劃》 提出， 到2022 年基本實現“三全兩高一大”的發展目標，即教學應用覆蓋全體教師、學習應用覆蓋全體適齡學生、數字校園建設覆蓋全體學校。 信息化應用水平和師生信息素養普遍提高，建成“互聯網+教育”大平臺，推動從教育專用資源向教育大資源轉變、從提升師生信息技術應用能力向全面提升信息素養轉變、從融合應用向創新發展轉變，努力構建“互聯網+”條件下的人才培養新模式，發展基于互聯網的教育服務新模式， 探索信息時代教育治理新模式。

現今是“互聯網+”和“智能+”的時代，傳統的教學模式已不能完全滿足人才內涵式發展的要求和現代畜牧業的需要。“實景+虛擬仿真”創新教學資源平臺是一種全新的開放式網絡教學資源平臺。 利用“實景+虛擬仿真”創新教學資源平臺，在線觀看現代化養殖場、飼料廠的實時生產場景，通過人機交互體驗虛擬教學課堂、 虛擬課程和虛擬生產實踐過程，拓展自主學習時間與空間，學生在課堂內外隨時隨地通過實景或虛擬仿真的方式學習動物科學專業的知識。在課堂上，教師可以靈活地選擇實景教學或虛擬仿真教學方式， 引導學生更好地掌握專業知識。

2.2 實景教學和虛擬仿真教學 實景學習最早被定義為基于“實物、實情和實地”的學習［7］。 實景教學是基于“實物、實情和實地”的一種新的教學方法。 采用實景教學可以激發受教者的感知力和學習積極性， 更利于知識的接受、 消化和深刻記憶，并自我領悟、創新發展［8］。 虛擬現實（virtual reality，VR）是以計算機技術為核心，結合圖形技術、交互傳感技術和立體顯示技術等，模擬真實生產生活環境［9］。 虛擬仿真教學是一種新的教學方法和教學手段， 開發者利用虛擬現實技術建立虛擬教學平臺， 根據課程需求設置添加教學系統內容，使用者通過頭盔、手柄或是操作鼠標、鍵盤調用系統內容，成為虛擬場景中的一員，在虛擬場景中進行移動、設計、觀看等交互操作［10］。虛擬仿真教學系統的使用， 可以激發學生的學習熱情和創造能力，培養自主探索、勇于嘗試的學習精神，提高學習效率［11］。

2.3 “實景+虛擬仿真”創新教學資源平臺的組成

現代經濟和社會的快速發展，倡導跨專業、跨學科學習， 培養適應社會和企業發展的創新創業人才成為高校的首要任務［12］。 為實現理論與實踐協同發展、教學與科研協同發展、知識與能力素質協同發展的目標，內蒙古農業大學利用物聯網、大數據、云計算等信息技術,自主研發了“實景+虛擬仿真”創新教學資源平臺，包括實景系統、虛擬仿真系統和教學培訓系統。

2.3.1 實景系統 實景系統中已建成20 個包括現代化養殖企業、國家重點特色實驗室、野外觀測站等實景內容。將生產實踐過程以視頻場景實景、環境實景、過程實景3 個維度展現在平臺上。通過實景系統教學， 將生產實踐過程的真實場景連接到課堂上、 實驗室里， 帶給學生全方位的視覺體驗。學生能夠多角度理解教學內容，激發學習熱情和動力，填補了教材中沒有的內容，教學效果得到改善。 同時，實景系統將高校、科研機構和企業緊密地聯系在一起。 通過實景系統可實時獲取圖像資料和生產情況，一旦發現異常情況可直接反饋。針對企業發展的瓶頸問題， 教師組建科研團隊開展科研攻關，解決生產實際問題，實現“產學研”一體化快速發展。

2.3.2 虛擬仿真系統 虛擬仿真系統內含大量虛擬仿真教學資源、開放式VR 素材資源庫等，可實現基于3D 模型的快速虛擬仿真場景及交互創作，能夠模擬生產過程，功能強大。通過虛擬仿真手段進行教學， 使抽象枯燥的課堂理論教學與生動的實驗過程結合，提高課堂教學的有效性。與傳統的教學手段相互補充， 為學生提供身臨其境的學習環境，學生全方位、立體式地體驗生產實踐過程，對知識的掌握、 動手能力的提高和營造創新型人才培養環境意義重大。

2.3.3 教學培訓系統 教學培訓系統面向全國開展在線教學培訓服務，具備在線課程制作、在線培訓、模擬練習和在線考試等功能。在線課程制作支持將word 文件、PPT 課件、 實景視頻等作為教學輔助內容。 其中，直播培訓系統具備云直播功能，優化了視頻播放、交互等模塊，可實現全國同步培訓。 培訓的過程中學生可以在線評論、完成作業、制作實驗報告等，也可以下載感興趣的培訓內容，方便復習和使用。 模擬練習和在線考試模塊可在線測試培訓效果。 教學培訓系統見圖1。

3 動物科學專業“教學、科研、社會服務”三位一體人才培養模式探索

圖1 教學培訓系統

隨著畜牧業現代化建設的不斷深入， 社會對動物科學專業人才提出了更高的要求。 專業基礎知識扎實， 兼具實踐能力和創新能力是當前產業發展最需要的合格人才。 內蒙古農業大學針對動物科學專業人才培養過程中存在的問題，基于“實景+虛擬仿真”創新教學資源平臺，以培養學生實踐和創新能力為出發點，將理論教學和實景教學、虛擬仿真教學結合在一起， 探索出動物科學專業“教學、科研、社會服務”三位一體創新人才培養模式（見圖2）。

3.1 教學方面

圖2 內蒙古農業大學動物科學專業創新人才培養模式

圖3 現代化養豬場實景

圖4 現代化養雞場實景

“實景+虛擬仿真”創新教學資源平臺將現代化信息技術和動物科學專業課程教學內容整合起來，采用靈活多變的教學形式展開教學。現代化養殖企業實景包括養豬實景（見圖3）、養雞實景（見圖4）、養羊實景、養牛實景、養馬實景和飼料廠實景等。教師在課堂上采用實景教學方法， 將養殖過程實景展現在課堂上， 讓學生更準確地了解不同畜種的體型、行為及養殖操作過程，拉近與養殖企業的距離。 采用實景教學方法，可以通過視覺效果激發學生的學習興趣，提高學生的參與度，有利于積極主動地學習知識， 形成良好的自主學習氛圍。

虛擬仿真教學是一種低成本、 高效率的教學手段，通過虛構模擬真實的動物模型（見圖5）、生產場景， 增強學生的體驗感， 有助于提升教學效果。例如飼料加工工藝課程，學生難得進入飼料廠操作機器設備熟悉加工工藝。 利用虛擬仿真技術可以模擬飼料生產的各環節， 從原料進庫到加工直至成品打包出庫， 學生不僅可以操作虛擬的生產設備，還能通過拆裝混合機、制粒機，了解機械內部構造。 學生通過身臨其境地參與飼料加工生產的全流程，達到提高操作能力的目的。利用虛擬仿真技術將人工授精、 胚胎移植等教學內容制作成虛擬仿真實驗課程， 學生可在虛擬場景中反復操作演練，有利于操作能力的培養，既節約了動物成本，又解決了動物福利問題。

無論是實景教學，還是虛擬仿真教學，都可以激發學生的學習動力， 充分發揮學生的主觀能動性，增強課堂教學效果。

3.2 科研方面

內蒙古農業大學實景系統中有國家重點特色實驗室實景（國家乳業重點實驗室實景、馬遺傳育種實驗室實景）及馬野外觀測站實景，學生通過系統可以了解重點實驗室的科學研究主題、 先進的科學手段和方法， 自主學習感興趣的實驗內容和儀器設備的使用方法。依托學科優勢，將教師的科研成果虛擬為仿真實驗教學資源，教研結合，提高學生參與科研的興趣。鼓勵教師將科研內容與“實景+虛擬仿真” 創新教學資源平臺結合在一起，利用虛擬仿真方法模擬實驗過程， 避免進行大批量實驗，節約了時間和材料，科研數據也更加精準。開放科研實驗室，將教學和科研結合起來，鼓勵本科生參與科研活動，盡早接觸課題工作。

3.3 社會服務方面

3.3.1 深度產教融合，培養應用型人才 依托“實景+虛擬仿真”創新教學資源平臺，與國內外多家現代化養殖企業建立企業研發中心。 與企業在學術研究、技術開發及應用實踐上優勢互補，資源共享，相互促進，形成合力，展開“產、學、研、用”深度合作， 挖掘現代信息化技術手段在農業生產各領域潛能，助力鄉村振興，帶動產業發展。 邀請企業人員對動物科學專業學生進行動物生產、 飼料加工、經營管理、產品市場開拓與技術服務等方面的專題培訓，拓寬學生知識面。安排學生寒暑假到畜牧企業實習鍛煉，培養“下得去、干得好、留得住”的畜牧專業應用型人才。

3.3.2 虛擬創新創業平臺， 支持學生創新創業“實景+虛擬仿真” 創新教學資源平臺中設有虛擬創新創業平臺。該平臺與畜牧業、計算機軟件開發企業合作，聯手建設創新創業項目孵化庫，支持學生創新創業。 例如學生可向平臺提出項目申請創辦養殖企業或飼料企業。 虛擬創新創業平臺利用虛擬仿真技術建立牧場或飼料廠等生產環境及配套設施， 模擬養殖場或飼料廠從生產到銷售的全部經營過程，對學生進行創業技能的培訓，學生分工協作完成訓練， 了解完善的創業流程和創業所需的職業素養，實現創業夢想。

圖5 3D 虛擬仿真動物模型

4 小結

隨著信息技術和現代畜牧業的快速發展，培養適應現代社會和畜牧產業發展的創新型、 應用型人才成為農林院校動物科學專業的核心任務。目前， 動物科學專業人才培養的過程中仍存在教材、師資、實驗教學、生產實習等問題。內蒙古農業大學依托“實景+虛擬仿真”創新教學資源平臺，探索出“教學、科研、社會服務”三位一體的動物科學專業人才培養模式。 該培養模式采用實景教學和虛擬仿真教學結合的方法， 充分發揮學生的主觀能動性， 提高了學生的實踐動手能力和創新創業能力，營造了良好的育人生態，對進一步提升一流本科專業的人才培養質量和一流學科的建設具有積極意義。