雜交水稻種子生產虛擬仿真實驗項目的設計與應用

徐俊英 楊隆維 李志新 邱先進 張文英

(長江大學農學院，湖北 荊州 434025)

雜交水稻種子生產是一項系統工程，由制種基地的選擇、父母本播差期的確定、播種、移栽、花期預測和調節、田間去雜和收獲等一系列環節組成，整個過程歷時6～8個月，且操作環境復雜、難度大、成本高。對于農學等專業的學生而言，難以在有限的學習時間內完成雜交水稻種子生產技術的全部實踐內容。開展雜交水稻種子生產虛擬仿真實驗教學，不僅逼真地展示雜交水稻的種子生產全過程，降低教學成本、縮短學習時間、規避操作風險，而且可以通過人機互動、多次練習，達到了設立該實驗課程要求的認知與實踐教學效果[1]。新教育教學手段的引入，極大地提高了學生學習興趣和效率。同時，虛擬仿真實驗教學項目在新時代的背景下以其獨特的優越性，越來越多的被應用于教學實踐過程中，并取得了非常好的效果[2,3]。

1 實驗簡介

雜交水稻種子生產內容是高等院校農學、種子工程與科學、植物學等專業必修的實驗課程之一，同時也是有水稻種子業務的種業公司新員工培訓的必須內容。由于受到課時和實驗條件的限制，學生在實地教學中主要是采用參觀等進行實驗操作，缺乏對雜交水稻種子生產技術系統性的認識。雜交水稻種子生產虛擬仿真實驗項目利用現代信息化技術，虛實互補的情景再現了種子生產全過程。對實際教學中無法實施的內容采用虛擬仿真形式表現出來，模擬仿真雜交水稻種子生產所必須的實驗環境(包括制種基地的選擇、平整苗田、授粉和收獲)及大型儀器設備(包括人工氣候箱、聯合收割機、無人機等)，具體涵蓋5大知識點：要求學生學會父母本播差期的確定，在實驗中，學生計算后系統會提示正確與否，如果回答錯誤，實驗結果會反饋出來，實驗無法繼續進行；根據實際生產，學生模擬父母本移栽，設置合理的行比，并適時跟蹤；花期相遇是關系雜交水稻種子生產能否成功的關鍵，本實驗模擬了幼穗發育的8個時期，通過剝檢幼穗預測父母本花期是否相遇，并要求學生進行模擬剝檢，作出正確的判斷；作出幼穗發育時期正確的判斷，根據水稻發育進程進行激素和肥料調節，保證父母本花期相遇，異交結實；模擬人工輔助授粉。學生通過虛擬實驗，在線進行父母本播差期確定、播種、移栽、花期預測與調節等實驗操作，并適時對實驗結果進行反饋，可以有效解決實地教學過程中的局限性，為《作物育種學》、《作物栽培學》和《種子生產學》等課程的實驗開展提供有效的在線輔助。

2 實驗項目設計

2.1 進入實驗項目

雜交水稻種子生產虛擬仿真實驗教學平臺打開后的環境界面出現教學模式和考核模式，見圖2a，點擊“教學模式”模塊，進入學生預習知識點界面，要求學生掌握實驗目的、實驗原理、各環節的作用、相關技術操作的注意事項，明確開展雜交水稻種子生產虛擬仿真實驗的重要性。

2.2 實驗項目操作環節

實驗操作環節在系統教學和農業生產實踐相結合的基礎上，包括了播種期、田間生長期和成熟期3大模塊，具體涵蓋了雜交水稻種子生產的關鍵10個步驟，見圖1。

圖1 雜交水稻種子生產實驗虛擬仿真項目結構示意圖

2.2.1 苗床準備

學生點擊苗床準備，界面進入苗田，人機互作分為2個環節：學生通過點擊鼠標左鍵，將水管接入機井上，動作完成，得分，沒有按規定完成，考核中做扣分處理；設置虛擬拖拉機，通過設置按鈕調整機器行駛方向，完成平整苗田。

2.2.2 父母本播差期確定

在生產實踐中，父母本播差期計算是關系雜交水稻種子生產能否成功的關鍵技術之一，也是保證父母本花期理想相遇的基礎。本虛擬實驗項目通過互動形式向學生介紹了3種常用方法的基本原理和計算方法，即時差法、葉差法和有效積溫法。實驗設計中，以長江大學自育水稻品種“長農優982”為例，將科研成果應用于教學資源，根據前期積累的科研數據，系統給出參考數值，要求學生會準確應用3種方法進行計算。計算正確實驗順利進行，見圖2b，計算錯誤系統做扣分處理。

2.2.3 種子處理

系統建設了一個虛擬實驗室，全過程動畫模擬種子處理的3個過程，曬種、浸種和催芽，并進行模型還原出種子播種前發芽的情況，見圖2c。學生可以通過點擊種子模型，360°觀察種子的標準發芽，適時播種。

2.2.4 播種

種子處理完成后，進行人工撒播種子。系統設置一個閃光點，根據鍵盤所指操作，進行人工撒播。種子均勻地撒在廂面上。為了使學生更加形象地理解水稻秧田的管理，系統設置了人工施肥和打藥的動作。

2.2.5 父母本群體結構的建立

當實驗培育足蘗壯秧完成后(給出秧苗模型)，根據參數系統設置指示，學生走道指示處開始進行移栽；系統設置一個虛擬秧筐，學生通過點擊秧筐栽插秧苗，給出父母本移栽后的虛擬場景，實驗中在右下角設置了3個按鈕(施肥、打藥和除雜)，學生根據實驗需要，在特定時期進行相關操作；實驗虛擬設置了幾株不同于父母本的雜株，要求學生學會鑒別并通過點擊除雜按鈕進行拔除，這時系統會給出提示。

2.2.6 花期預測

前面步驟的操作，使學生明白確保父母本花期相遇的技術是雜交水稻種子生產的核心技術。本實驗通過幼穗剝檢法預測花期，教師向學生介紹水稻幼穗分化8個時期的特征，見圖2d，要求學生從幼穗分化期開始，每隔3～5d剝查1次，虛擬模型展示出不同時期的幼穗分化情況。最后提問學生根據其幼穗剝檢程度(給出分化時期特寫)，判斷父母本花期是否相遇。

圖2 “雜交水稻種子生產”虛擬仿真實驗界面

2.2.7 花期調節

通過花期預測發現，父母本花期可能無法理想相遇，則需要盡早進行調節，見圖2d，系統給出2種調節措施：肥料調節，學生通過點擊肥料進行配比，對水稻進行施肥；激素調節，學生通過點擊激素配制，進行噴灑。這個過程中，還需使學生清楚生產中使用的還有其它調節措施，用文字圖片形式表現出來。同時說明生產中由于各種原因導致父母本生育進程相差太大無法調節成功，從而影響雜交水稻種子生產，甚至顆粒無收無法彌補。進一步說明虛擬仿真操作的可重復性。

2.2.8 授粉

父母本花期理想相遇后，進入到授粉環節，這是決定雜交水稻種子產量的關鍵因素。實驗中使用動畫形式表現出來常用的人工授粉有2種形式，人工竹竿趕粉和拉繩授粉。同時用視頻的形式展示大面積生產中采用的機械授粉，見圖2e。學生通過觀看學習后掌握了生產中小面積和大面積種子生產的授粉方式。

2.2.9 人工割除父本

種子成熟后，先收獲父本種子，是保障種子純度的重要步驟，實驗設置按鈕，學生點擊可以使用鐮刀割除父本，見圖2f。

2.2.10 機械收獲雜交水稻種子

系統用視頻的形式展示生產上大面積機械收獲的場景。

3 實驗效果及考核評價

學生完成實驗后點擊完成，系統自動計算實驗成績，進入到實驗報告模塊，學生填寫雜交水稻種子虛擬仿真實驗的問題和實驗心得，自動生成實驗報告，系統自動給出分數。

雜交水稻種子生產虛擬仿真實驗項目從了解實驗目的、實驗原理、知識點學習、實驗操作、實驗結果和實驗報告等方面對學生的學習效果進行綜合評價，用多元化考核方式，實地教學考核；網絡平臺記錄的學習成果進行全過程考核評價；虛擬仿真實驗室操作對學生的知識技能情況進行考核評價。多方面結合對學生的理論知識、實驗操作、專業技能等進行多角度、全方位的評價，考核結果可作為教學調整的參考依據，見表1。

4 討論

雜交水稻種子生產技術虛擬仿真實驗教學系統以長江大學農學院自主選育水稻品種“長農優982”為原型，整合項目進展，實現了科研究成果與實踐教學充分融合。本項目緊密結合生產實踐，依托虛擬現實、3D技術、人機交互和互聯網等技術，情景再現了雜交水稻種子生產真實場景，以學生自主學習為核心。教師在教學過程中輔助講解相關實驗目的、原理、關鍵知識點，引導學生根據課程需要進行課前預習、課中思考、課后討論、總結，主動完成綜合性實驗。遵循“虛實結合、能實不虛”的原則，先“虛擬”后“實體”，經典實體實驗和虛擬仿真實驗相輔相成。熟練掌握雜交水稻種子生產的原理與關鍵步驟，提高學生雜交水稻種子生產的實踐技能。

表1 雜交水稻種子生產虛擬仿真實驗評分標準

但是作物生長是一個周期長、系統性強的項目，所以將在反饋評價基礎上不斷完善本虛擬仿真實驗項目，同時繼續建設種子加工、種子貯藏、種子檢驗等系列虛擬仿真實驗項目，使種子學課程的虛擬仿真實驗實現系列化，拓寬實驗教學內容的廣度和深度[4]，提高人才培養的效果。目前雜交水稻種子生產虛擬仿真實驗項目已免費共享了相關高校，并且面向社會相關企業、機構提供免費教學培訓資源，將虛擬仿真教學推廣應用至種子生產經營企業，面向社會企業提供崗前培訓、新型農民職業培訓等服務培養學生的創新能力。