作物栽培與耕作學虛擬仿真實驗教學系統的開發與應用

李志敏 張紅瑞 楊靜 賈琳 熊淑萍

關鍵詞：作物栽培與耕作學;虛擬仿真;實驗教學

黨的十九大關于教育改革的論述，強調要通過信息技術與教育的深度融合來促進教育質量全面提高。在“互聯網+教育”的新時代背景下，為了促進信息技術與實驗教學相融合，加強高等教育實驗教學優質資源的建設與應用，2013年以來，教育部分年度分批次建設了一批起引領和示范作用的虛擬仿真實驗教學中心，接著又面向全國普通本科高等學校開展了示范性虛擬仿真實驗教學項目建設。為響應新一輪科技革命和教育改革，河南農業大學農學院農學專業的核心課程——作物栽培與耕作學，以國家一級學科“作物栽培與耕作學”為依托，以“小麥、玉米作物學國家重點實驗室”為原型，整合了多年來在小麥、玉米復種兩熟耕作栽培技術方面取得的科研成果，開發了小麥-玉米兩熟綠色耕作管理虛擬仿真綜合實驗。這里就此虛擬仿真綜合實驗項目的開發和應用進行介紹，以給擁有相關專業的兄弟院校在建設農學類虛擬仿真實驗項目時提供參考。

作物栽培與耕作學是農學的一個分支，是農業科學的一門綜合性應用性基礎學科，主要研究作物生長發育規律及其與外界環境的關系，作物的種植制度（作物布局、復種、輪作，間作，混作，套作等） 以及與之相適應的土地保護培養制度（農田整治、水土保持、肥力培養和土壤耕作等），探討作物高產、優質、高效的理論和措施，以創造優良農業生態環境的技術科學[1-2]。作物栽培與耕作學兼具微觀上的技術指導和宏觀上的技術調控，具有顯著的綜合性、區域性和應用性特點，時間跨度大（從一季作物到一個輪作周期），涉及因素多（多種作物-土壤-氣候-社會技術資源），野外工作量大（大田生產），操作體驗性強。因此，長期以來，現有的耕作學實驗材料和學時很難將以上內容綜合在一起及因地因時制宜地呈現給學生完整的耕作管理技術體系。特別是隨著學生離地化程度的加劇，學生缺少生產體驗和感性認識，對一個地區或者生產單位甚至一種作物生長過程中的耕作管理技術缺乏直觀認識和實踐性體驗，造成耕作學教學的雙重困局，一方面教師在教上局限于“黑板上種田”，另一方面學生在學的過程中“死記硬背”。

基于互聯網的開放共享特性、VR技術和沉浸式仿真效果，本項目利用Unity3D、3D Studio Max 和Adobe Flash 技術，整合了多年來在小麥、玉米復種兩熟耕作栽培技術方面取得的科研成果，設計了管理目標確定、關鍵技術組裝、農事活動操作交互仿真實驗教學系統，對小麥玉米兩熟農田綠色耕管技術體系以形象化、具體化的教學描述，構建了“小麥-玉米兩熟綠色耕作管理過程”交互式虛擬仿真平臺，組建了學習、漫游、考評一體化的實驗平臺，將“互聯網+”應用到特色實驗教學中。

一、麥-玉兩熟綠色耕作管理虛擬仿真綜合實驗的教學內容

小麥、玉米是我國的兩大糧食作物，小麥、玉米一年兩熟是中原地區最主要的種植模式，對保障國家糧食安全意義重大。因此，小麥、玉米一年兩熟綠色生產耕作管理技術一直是作物學教學和科研工作的重點和熱點。作物的生產系統是一個“天-地-作物-人”相互作用、相互制約的復雜生態系統。“小麥、玉米復種兩熟生產”系統包涵了“溫、光、水等氣候要素（天）、土壤環境（地）、技術條件（人） 和作物”等多重要素，其最終產量與效益取決于“氣候與作物、土壤與作物、作物與作物、技術與作物”之間的相互關系。本實驗依據以上“小麥、玉米復種兩熟生產”系統各要素之間的關系和作物的生長發育特點，結合不同生育階段管理目標，以作物田間生長過程為序，虛擬仿真了小麥、玉米生產大田耕作管理全過程，并按實驗操作過程完成交互，完整再現了小麥、玉米的“產前整地，產中管理和產后收獲”“兩大作物、三大環節、十四個生育階段”（見圖1） 的生產過程及相應耕作管理技術體系，實現了對不同階段相應關鍵農事活動的虛擬操作訓練。其主要包括對玉米的播前準備、播種期、苗期、穗期、花粒期、收獲期等6個生育階段和小麥備播期、播種期、冬前期、越冬期、返青拔節期、拔節抽穗期、灌漿期、成熟期等8個生育階段，共14個生育階段對應知識點的互動（視頻解說、分鏡展示、虛擬操作、聲音解說等）。

二、麥-玉兩熟綠色耕作管理虛擬仿真綜合實驗在教學方法上的創新性

小麥-玉米兩熟綠色耕作管理虛擬仿真綜合實驗在教學過程中采用“課堂講解+虛擬仿真+知識測驗+生產實踐”四位一體的教學方法，采用虛擬仿真沉浸式、綜合問題討論式、探究互動式等教學手段，以第一人稱的視角，給定生產單位“河南省長葛市萬畝現代化農業生產基地”小麥、玉米的一體化綠色生產這一命題，讓學生進入虛擬場景，圍繞該生產單位“種什么？種多少？種在哪？怎么種？”四個問題，按照作物的生長發育過程，講解每個階段作物生產耕作管理的原理、重點和技術要點，然后，學生登錄“小麥、玉米兩熟綠色耕作管理虛擬仿真”平臺，進行相應階段耕作管理技術動畫觀摩和農事活動的虛擬操作，通過操作演練，達到熟練掌握該階段麥田耕作管理技術的目的，之后再進行知識測驗，提交相應實驗報告。最后在生產實習中，針對“兩大作物”主要生育階段的關鍵技術環節進行現場生產實踐，鞏固教學效果。虛實結合，有效推進了線上線下相結合新型教學模式的應用，增強了學生的感知認識和直觀體驗，解決了由于實驗材料和實驗時間的季節性限制等問題以及老師黑板種田、學生紙上談兵、實驗無法有效開展的最大困局。

三、麥-玉兩熟綠色耕作管理虛擬仿真綜合實驗的預期目標及其在評價體系上的創新

本項目具有科學性和知識性、啟發性和挑戰性、通識性和體驗性三大特點。實驗以小麥、玉米兩大作物田間生長過程為主線，將小麥、玉米生產管理知識和技術有機融合，形成“小麥、玉米復種兩熟生產系統”，通過對“小麥、玉米復種兩熟生產系統”知識的歸納學習和相應環節農事活動的操作訓練，以期達到以下目的：使學生進一步明確“作物與作物、作物與環境、作物與技術”之間的相互關系，樹立農業生產系統觀和整體觀;強化學生對小麥、玉米生長發育特點、不同生育階段的管理目標和相應階段關鍵技術等知識的學習，使學生全面掌握具有顯著“長時間、多時空”特征的小麥、玉米兩熟生產技術體系;提高學生對農業生產管理和農事操作活動的感性認識與生產實踐操作能力，提升學生綜合素養和創新創業能力;突破實驗設備、實驗材料、實驗季節和實驗場地限制，解決實驗教學過程中因“時間跨度廣（兩季作物，周年生產）、涉及因素多（作物-天氣-土壤-技術）、野外工作量大（大田作物生產）、操作體驗性強而學生離地化程度嚴重”形成的新時期的“麥苗韭菜分不清”的“紙上談兵”困局。

根據本實驗項目特點，確定實驗項目的考核成績為全形成性成績（占100%），包括實驗報告的書寫情兄、小組討論與交流分享、后臺記錄平臺操作效果等“三結合”（見圖2）。其中，實驗報告占50%，包括學生對實驗原理的理解、實驗沒計、實驗步驟，和實驗關鍵技術等四部分組成，整體反映學生對該綜合試驗的掌握情況。自評與互評占20%，以心得體會的分享為考核方式，在分享過程中要求每個實驗小組成員進行自我評價和互相評價。主要考核學生對實驗原理、實驗過程的理解及相關知識的掌握情況，同時，老師也可以及時了解實驗教學過程中存在的問題，以便及時調整教學內容和教學手段。后臺記錄評價占30%，主要包括學生的出席情況、實驗操作的完整性、實驗操作的正確性等三個方面，是對學生本次實驗過程中的實驗操作技能和能力的綜合評價，完成各個操作環節和知識點考核，由實驗帶課老師根據學生的操作情況給出成績。本實驗以往的實驗考核采用的是“平時成績+實驗報告”的評價辦法，現在為“實驗報告的書寫、小組討論與交流分享、后臺記錄平臺操作效果三結合”、線上線下相結合的評價體系，保證了學生的出勤率，提高了學生參與實驗的積極性和主動性，培養了學生主動思考的科學意識，更有助于教師及時了解教學過程中存在的問題，提高教學質量。

四、麥-玉兩熟綠色耕作管理虛擬仿真綜合實驗的實驗方法和操作要點

本仿真實驗的操作，以小麥、玉米復種兩熟生產系統為整體，以小麥收獲后玉米備播開始至次年小麥收獲為一個生產周期，根據作物不同生長發育階段生育特點及其與天氣、土壤等的關系，確定管理目標并組裝相應的關鍵技術順次進行，共14個作物的生產發育階段，每個階段有3～5個相應的生產管理操作任務需要完成，相應階段的任務完成后方可進入下一個階段訓練。

實驗日常教學可在具備計算機教學環境、網絡正常連接的實驗室進行，在2個學時時間內，學生以第一人稱視角，采用類游戲的實驗操作方法，通過動畫觀摩、問題回答、計算機虛擬操作等環節，進行沉浸式體驗，借助鍵盤與鼠標協同操作，完成問題的回答和知識模塊的選擇、農事活動的操作等主線任務。實驗場景主要包括玉米耕作栽培虛擬可視化和小麥耕作栽培虛擬可視化兩大模塊，兩大模塊相互獨立又有機融合，在實驗操作過程中，須順序完成玉米“播前準備、播種期、苗期、穗期、花粒期、收獲期”6個生育階段相應實驗操作任務后，再進入小麥“備播期、播種期、冬前期、越冬期、返青拔節期、拔節抽穗期、開花成熟期、成熟期”8個生育階段的耕作栽培管理操作。通過以上環環相扣的虛擬仿真和計算機操作，在給學生以身臨其境的感性認識和直觀體驗的同時，增添了學習的趣味性、激發了學生的學習興趣。學生利用此資源，可以在2個學時有限的時間內，了解小麥和玉米的生長發育特點和關鍵技術環節，全面掌握小麥、玉米兩熟生產耕作管理技術體系，熟練相應農事操作過程。

本虛擬仿真實驗項目，遵循了國家“金課”的“高階性、創新性、挑戰度”，即“兩性一度”標準，無論是在教學理念、教學內容、還是教學方法上，都符合國家虛擬仿真實驗教學項目的要求，符合經濟社會快速發展對人才培養的新要求，適應信息化條件下知識獲取方式和傳授方式、教和學關系等發生變化的要求。縮短了最新專業知識和技術投入到實驗教學的時間，拉近了實驗教學與真實工程實踐之間的距離，拓展了實驗教學的廣度和深度，同時也拓展了實驗教學方法的廣度與深度，拓寬了學生的視野[3]。充分實現了以學生為本，以能力培養為核心，充分發揮數字化實驗教學資源的共享優勢。實踐表明，本虛擬仿真實驗極大地突破了傳統實驗教學的束縛，節約了實驗教學成本，是對傳統教學理念、教學模式、教學方法和手段的深刻變革。學生根據自己的時間來安排學習虛擬仿真實驗項目，調動了學生自主學習的興趣和主觀能動性，提升了學生的創新能力、專業實踐能力、信息化應用能力，提高了素質型應用型人才培養成效。

虛擬仿真實驗教學項目的實施，推進了現代信息技術融入實驗教學項目，延伸了教學時間和空間，是提升實驗教學質量和水平的重要措施。