新農科背景下園藝虛擬仿真平臺的構建與應用

徐莉清，袁芳亭，郭大勇，傅 強，周繼榮，方燕妮

(華中農業大學園藝林學學院，湖北武漢 430070)

園藝是水果、蔬菜、花卉、茶葉四大經濟作物的總稱，園藝產品在人們的生活中逐漸占據重要的地位，無論是在提高人民健康水平方面，還是在美化和改善環境方面，都具有重要意義。隨著栽培技術的改進和機械成本的降低，我國園藝產業正在迅猛發展，園藝產品種植面積在我國種植業總面積中位居第二，產值位居第一[1-3]。目前我國園藝產業產值已超過3.5萬億，占農業種植業總產值的60%以上，是農民增收的支柱產業之一[4]。園藝產業的可持續發展是保障我國國民健康的基礎、帶動農民致富的手段、平衡農產品進出口貿易的工具和反映社會進步的標志，是解決人民“吃好”的健康產業，保障農民收益的富民產業，保護綠水青山的生態產業，與人民的生產生活息息相關。現代信息通信技術和互聯網技術的進步為現代園藝的發展提供了創新驅動力。利用人工智能技術可以進一步改進教學方法，因此利用虛擬仿真實驗平臺為新型園藝人才培養服務，是將新一代信息技術與園藝專業課程深度融合，是現代園藝課程體系改革的首要任務和必然趨勢。

1 園藝專業建設虛擬仿真實驗平臺的重要性和迫切性

1.1 園藝學科發展對本科人才培養提出新要求2017年，十九大報告提出鄉村振興戰略；2018年，教育部提出“新農科” 建設；2019年，安吉共識、北大倉行動、北京指南三部曲持續推進新農科建設，要求高等農業院校注重多學科對農科人才培養的滲透，要加強農科人才對現代農學及其相關技藝、技能的掌握，培養具有創新思維、實用技能的復合應用型農林人才[5]。2020 年中央一號文件《中共中央 國務院關于抓好“三農”領域重點工作確保如期實現全面小康的意見》明確指出：隨著數字化信息技術之間的深度融合和應用，現代農業將以全新的方式推動傳統農業的轉型與升級。園藝產業作為現代農業的重要組成部分，越來越受到人們的廣泛關注。園藝學科作為一個非常典型的應用學科，將植物學、遺傳學以及生態學等多門學科進行跨學科交叉。園藝專業培養體系的特點是理論與實踐緊密結合，實踐教學在專業人才培養方面有重要意義。園藝人才培養應當緊跟新農科建設的步伐，將現代生物技術、信息技術等多門學科融合，利用現代信息和通信技術推動園藝專業教學改革，發展智慧園藝，著力提升園藝專業人才的創新意識、創新能力與科研素養，培養園藝專業學生的綜合實踐能力。華中農業大學園藝學科未來將圍繞“綠色園藝、智慧園藝”人才培養目標，構建新的人才培養模式，這對學生的知識和素質培養提出了新要求。

1.2 新農科建設要從多維度培養高素質園藝類復合型人才新農科理念下的現代農業已成為在產業融合的基礎上發展兼有科學技術與人文風格的多功能產業，其內涵的豐富性要求人才對農業的了解涉及多種途徑、多向維度、多個層次。因此，新農科建設要從現代園藝產業轉型的新變化、實施鄉村振興戰略的新需求、新時代教改的新趨勢等維度培養高素質園藝類復合型人才。除了園藝專業知識外，信息技術以及物理、化學、數學等理工學科的知識與技能也是新農科復合型人才必不可缺的素養與能力。虛擬現實作為農業信息技術的重要組成部分，不僅已成為現代農業中的一個相對獨立的技術領域，支撐科學計算可視化、虛擬農業、數字農業等應用，而且為其他農業信息技術的推廣傳播提供新的技術手段和平臺工具，它已經成為科學技術探索中除理論研究、科學實驗之外的第三種手段[6-9]。隨著我國農業教育改革的深入，結合華中農業大學實際和園藝林學實驗教學中心多年來的經驗，現代實驗教學中心急需將實踐教學平臺建設與教學模式改革有機結合，不斷改進實驗課程模式，構建集實踐教學、虛擬現實、物聯網等于一體的實驗平臺。

1.3 將科研成果轉化為教學資源，實現優勢資源的社會共享培養具有創新精神和實踐能力的高級專業人才是高等教育的主要任務，教學、科研是高校教師的兩大職責。科教融合是現代高等教育的核心理念，將科研成果轉化為教學資源就是科教融合的有效途徑之一。農林高校科研成果特色鮮明，教師們將自己的科研成果轉化為生動的案例融入實踐課堂，使專業理論知識和實踐有機結合。這不僅能拓展本科教學資源，增強教學內容的時代性、先進性，而且能讓學生接觸新知識，激發學生的學習興趣，增強學生學習的主動性，鍛煉學生的思維能力。同時，這也有利于學生將理論知識和實踐密切聯系，培養科研思維與能力，激發學生的科研潛力和創業動力。教師在指導學生實踐的過程中，能直接了解學生學習中的短板，有利于今后在教學中更好地改進教學內容和方法。如果處理好教學與科研的關系，二者就能形成良性循環，促進科研與教學的共同發展。隨著信息化時代的來臨，多媒體技術、網絡技術在教學中的應用越來越廣泛，微課、慕課、虛擬仿真等新的教學方法也被廣大師生接納和采用。高校需要搭建可將科研成果轉化為教學資源的數字化平臺，讓各種資源共享共用，讓優質資源為全國更多高校的師生享用和借鑒。

1.4 實踐教學需要創新教育信息化思維目前各高校擴招學生人數不斷攀升，但教學設備、場地和專業師資隊伍沒有等比例增加，繁重的教學任務和重復機械的教學嚴重影響教師的積極性和學生的學習效果。首先，線上線下教學相結合的實驗教學新模式可以幫助教師從繁重、機械、重復的課堂教學中解放出來，留出更多精力與學生網上或面對面交流討論；其次，線上課程突破了時空的限制，重新調整課堂內外的時間，實現異步學習；學生根據自己的學習時間安排自主、異步學習，隨時隨地獲取知識， 課堂時間用于高階知識技能訓練、難點探討，彌補因實踐環節學時所占比重低而帶來的不足[10]。此外，基于數字化的虛擬現實技術與互聯網技術構建的線上虛擬仿真平臺可以客觀記錄學生的學習過程和學習效果，便于教師追蹤學生實踐學習情況，形成完整的教學效果考核、評價和反饋機制，從而提高教學過程管理和考核評價體系。

2 園藝類虛擬仿真實驗教學平臺的構建

2.1 平臺的基本架構在“互聯網+”環境下應用園藝類虛擬仿真資源，彌補單一實體實驗的不足，需要解決虛擬仿真資源在網絡空間的存儲、輸出、應用、管理與安全性等問題。華中農業大學園藝林學學院構架了三位一體的虛擬仿真實驗教學平臺。以功能完善的校級虛擬仿真綜合管理平臺作為一級管理平臺，很好地實現了網頁版虛擬仿真資源的使用。在學院層面，逐步完善了計算機房、VR和CAVE虛擬仿真實驗室，學生可利用機房和虛擬仿真實驗室或自己的電腦來完成各類虛擬仿真資源的學習，這是二級運行平臺。最后，由管理員和師生共同組成三級使用平臺。學生可以自主選擇時間，在線完成實驗內容并提交報告。平臺也支持師生在線交流討論，使用數據管理和分析等功能，較好地實現了虛擬仿真實驗的管理、維護升級、使用和答疑等。

2.2 虛擬仿真資源建設按照國家級虛擬仿真實驗項目金課“兩性一度”的標準，園藝林學實驗教學中心以園藝類基礎核心課程和專業特色課程為重點發展方向，以培養高水平復合型園藝人才為主要目標，以實踐能力和創新能力培養為核心，建立虛擬仿真實驗、實體實驗、校內外實習實踐相結合的教學模式。自2018年以來，該校園藝林學學院通過面向產業的深度校企合作，搭建實驗教學、技術培訓和科學研究“三位一體”的實驗教學體系，建設園藝植物栽培育種、生物技術、貯藏加工、智能應用4個方向的虛擬仿真實驗教學資源，可服務對象多，適用范圍廣(高階性)，實驗設計新穎、靈活，制作要求形象生動、交互性好(創新性)，實驗需要一定的知識儲備才能完成，并具有完整的評價系統，方便進行使用者成績評價，有利于使用者向更高標準進步(挑戰性)，實現校內教學科研和校外產學研的共享。迄今為止已建設虛擬仿真實驗項目 11個，其中2個項目獲批國家級虛擬仿真實驗“金課”，充分體現虛實結合、虛實互補的原則，較好地實現了真實實驗難以實現的教學功能。

2.3 “三階段三精準”虛實結合的實踐教學模式虛擬仿真實驗教學體系是采用線上線下虛實結合的方式，實現師生之間、教學之間的良性互動。為了方便區分，將教學過程分為課前、課中和課后3個階段。對應3個階段，實現3個教學目標：第一階段，學生通過線上虛擬實驗自主學習，掌握整個知識體系的構成，了解實驗的知識重點和難點，發現自身知識的薄弱點，實現“精準定位”，以虛導實；第二階段，教師針對仿真實驗中發現的操作問題和知識難點，引導學生開展探究式學習，實現“精準導學”，虛實互補；第三階段，學生根據自身的實習表現，再次進行線上復習，教師通過在線交流對學生實施點對點的拓展或補充，實現“精準鞏固”，以虛固實。實驗指導教師普遍反饋學生經過3個學習階段后對知識體系的理解更完整，參與實驗后能更快找到感覺，上手更快、更自信，提問交流更加積極主動，動手能力明顯提高。實習匯報和討論環節學生思路更加清晰，匯報和討論的內容更加豐富、更有深度，考核成績也明顯提高。

3 虛擬仿真平臺的建設成效

3.1 激發了學生的自主學習興趣園藝植物生長周期普遍較長，考慮到面積大、管理環節多等因素，傳統實踐實習大多安排在夏季或冬季，氣候環境條件惡劣影響了學生參加教學實習的積極性。虛擬仿真實驗內容為學生再現實習場景，提供了一個沉浸式的虛擬仿真學習環境。線下實習能鍛煉學生的實際動手能力，提高技術水平。二者的結合有效激發了學生的自主學習熱情。另外，基于虛擬仿真平臺開發的教學軟件將圖、表、視頻、3D動畫和實地操練等應用到各個實驗環節中，并設置有趣的提問、情景考核和實習匯報。教學形式多樣，增加了實習的趣味性，寓教于樂。虛擬仿真平臺開放使用，學生可以利用課余時間完成線上實驗，化零為整，提高時間利用效率。學生要使用VR和CAVE資源，預約后也可以自主進入仿真實驗室自主使用。實驗后臺可實時記錄學生的學習動態，有利于教師實時反饋與監督，促進學生自覺學習。學生的學習興趣被大大激發，學習動力更強[11]。

3.2 實現教學主體的轉換采用“三階段三精準”實踐教學模式，將園藝類的實踐教學過程分為學生課前線上自主學習階段、課中自我經驗積累階段和課后線上虛擬實驗自我鞏固3個階段，學生由傳統的被動學習轉變為主動學習。教師的作用如下：實習前幫助學生發現學習的重點和難點問題；實習過程中引導學生探索解決問題的方法，在學生反復練習過程中發現學生技術薄弱點，進行精準指導；實習課后提供及時在線答疑，讓學生在交流過程中鞏固知識。教師由傳統的主導角色轉換為輔助身份，始終陪伴在學生各個學習階段。這種教學方法成功實現了實踐教學主體的轉換。學生不僅掌握了實驗技能，而且鍛煉了發現問題、解決問題的能力。3個階段的虛實結合有利于學生將各個實踐環節有機結合起來，知識體系更加完整，對重點難點掌握得更牢固，切實提升了實踐教學效果。

3.3 提升實踐平臺綜合水平基于VR、CAVE等虛擬現實技術構建的園藝類虛擬仿真教學平臺，配置了完善的硬件系統和信息化的管理方式，實踐教學模式由傳統的線下實際操作轉化為現今的線上、線下混合式模式，實現個性化、多樣化的教學。通過虛擬仿真資源的開發，將果樹、蔬菜、觀賞花卉和茶樹等園藝植物相關的實驗內容進行合理整合，既避免了教學資源的重復建設，節約了資金，又可留出更多學時讓教師引導學生進行設計性創新實驗，有效推動了實驗教學改革。虛擬仿真平臺采用信息化管理，學生可利用課余時間完成虛擬實驗，化零為整，提高時間利用效率。實驗后臺可實時記錄學生的學習動態，有利于教師實時反饋與監督，促進學生自覺學習。此外，同行業專家和學者觀看了華中農業大學園藝林學學院優秀科研成果轉化的虛擬教學資源后給予了高度評價，園藝類虛擬仿真平臺已成為華中農業大學園藝林學學院對外宣傳展示的窗口之一。

4 結語

信息技術的迅猛發展和5G技術的普及，給傳統農科人才培養提供了巨大潛能。各類基于信息技術的虛擬仿真平臺已經能夠滿足園藝等農科專業實驗實踐的需求。華中農業大學園藝林學學院結合園藝學科的定位與發展規劃，通過構建多元化、多功能的虛擬仿真平臺，有效推動了實驗教學方法改革，優化了實踐教學體系，使專業實踐教學更好地體現出現代園藝人才培養的質量要求，提高了學生的創新意識、創新能力與科研素養，有力推動了園藝學一流人才培養體系改革。