動物類學科虛擬仿真教學的發展探究

李紫聰 曾芳

摘要 虛擬仿真教學近年來在我國得到了較快的發展。以動物類學科為例，介紹了我國該學科虛擬仿真教學的發展歷程和現狀，分析其優點以及目前教學中存在的問題，并對該學科未來的虛擬仿真教學建設提出了一些建議。

關鍵詞 動物類學科;虛擬仿真;教學

中圖分類號 S-01?? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）09-0266-02

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.09.068

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research on the Development of Virtual Simulation Teaching in Animal Subjects

LI Zi-cong1， ZENG Fang2

（1. College of Animal Science， South China Agricultural University， Guangzhou， Guangdong 510642; 2. College of Marine Sciences， South China Agricultural University， Guangzhou， Guangdong 510642）

Abstract Virtual simulation teaching has developed rapidly in China in recent years. Taking animal subjects as an example， this paper introduced the development history and current situation of virtual simulation teaching in this subject in China， analyzed its advantages and the existing problems in current teaching， and put forward some suggestions for the future construction of virtual simulation teaching in this subject.

Key words Animal subjects;Virtual simulation;Teaching

1965年，美國科學家Ivan Sutherland在他發表的論文《終極顯示》中首次提出了虛擬仿真的概念[1]。虛擬仿真利用計算機系統對現實世界進行視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等感官的模擬，生成一種虛擬現實環境，為用戶提供身臨其境的沉浸式體驗，并能在虛擬環境中與人、物等環境對象進行互動。

隨著計算機科學、互聯網技術的快速發展以及教育教學方式的大膽革新，為了適應新時代人才培養的需求，越來越多的高校將虛擬仿真技術運用到教學中。虛擬仿真教學以計算機技術為核心，以互聯網技術為依托，利用虛擬仿真程序建模，結合實物實踐場景以及理論知識創建二維或三維的虛擬環境，來實現學生在線學習的功能，具有不受時空限制、形象生動、效果直觀等優點[2]。

筆者以動物類學科為例，介紹了我國該學科虛擬仿真教學的發展歷程和現狀，分析其優點以及目前教學中存在的問題，并對該學科未來的虛擬仿真教學建設提出了一些建議。

1 我國動物類學科虛擬仿真教學的發展歷程和現狀

我國虛擬仿真教學相較于國外起步較晚。根據教育部《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》（教技〔2012〕5號）的精神，教育部2013年印發了《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》（教高司函〔2013〕94號），這標志著虛擬仿真實驗教學中心建設工作正式啟動[3-6]。從2013年開始，我國連續3年共批準建設了100個國家級虛擬仿真實驗教學中心[3]，具體名單見《教育部辦公廳關于批準北京大學考古虛擬仿真實驗教學中心等100個國家級虛擬仿真實驗教學中心的通知》（教高廳函〔2016〕6號），其中與動物類學科相關的有湖南農業大學的畜禽安全生產虛擬仿真實驗教學中心、東北農業大學的乳品工程虛擬仿真實驗教學中心等。國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設有效推動了高校實驗教學改革和創新工作。

為了快速實現優質實驗教學資源的開放共享和高效集約應用，以全面提高我國高等教育教學質量，我國在加強虛擬仿真實驗教學平臺建設的同時，開展了虛擬仿真實驗教學項目的建設工作[7-8]。2017年，教育部在印發的《教育部辦公廳關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》（教高廳〔2017〕4 號）中提出，我國到2020年將認定約1 000項示范性虛擬仿真實驗教學項目，目的是以高質量實驗教學助推教學質量的提高，助力高等教育強國建設[3]。根據國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺（http：//www.ilab-x.com）的統計，2017—2019年我國已建設示范性虛擬仿真實驗教學項目2 079項，已經通過國家認定的項目有728項;已建設動物類示范性虛擬仿真實驗教學課程56項，其中通過國家認定的項目有29項。在已建設的56項動物類示范性虛擬仿真實驗教學課程中，動物科學23項、動物醫學19項、水產養殖8項、其他6項。這56項課程主要涉及豬、雞、牛、魚等動物的生理、解剖、繁育、疾病防控等內容，大部分由農業類高校建設。

此外，動物類學科虛擬仿真教學的發展歷程還可以通過相關的文獻檢索數據來反映。在中國知網學術文獻總庫（http：//www.cnki.net）高級搜索頁面上，以論文“篇名”中含“虛擬仿真”且“篇關摘”（篇名關鍵詞摘要）中含“動物”，分別以2013年1月1日至2021年7月5日和2001年1月1日至2021年7月5日為時間區間進行檢索，分別檢索到53和54篇相關的論文，即后一個檢索時間區間比前一個檢索時間區間只多1篇動物類學科虛擬仿真相關的論文。這說明在2013年教育部開始在全國布局建設國家級虛擬仿真實驗教學中心之前的13年內，即2001—2013年我國動物類學科虛擬仿真教學還沒開始發展，2013年以后才開始快速發展。這也說明虛擬仿真教學的發展與國家有關政策和規劃息息相關。304FBA33-FCC3-4956-86F7-FC36DF3D6D58

2 動物類學科虛擬仿真教學的優點

動物類學科的實用性較強，具有重實驗、重實踐的特點，要求學生理論聯系生產實際，掌握一定的實驗和實踐操作技能?？商峁﹦游镱悓W科實驗和實踐的養殖場大多在偏遠地區，養殖場一般都有嚴格的防疫要求，不允許隨意進出。此外，動物類學科的實驗和實踐課程涉及豬、牛、羊等動物，成本較高，且其生長、繁殖等周期較長，所以該學科實驗和實踐教學存在難度大、成本高、周期長、具有疫病傳播風險等問題。因此，很難在短時間內進行大規模的現場實驗和實踐教學，這不利于培養學生的實驗和實踐操作技能。虛擬仿真技術的出現為解決上述問題提供了新思路。通過虛擬仿真實驗和實踐教學資源，學生可以隨時、隨地在虛擬環境中開展實驗和實踐活動，有利于提高學生的自主學習能力和實踐操作能力。這種新型的輔助教學方式有利于克服動物類學科實驗和實踐教學原有的不足，激發學生的學習興趣，提升教學質量[9-12]。

動物類學科虛擬仿真教學的優點主要體現在以下方面：①突破了地域和空間的限制。動物類學科的現場實驗和實踐通常在遠離大城市高校數百公里的養殖場，這不利于運送學生去進行現場實驗和實踐。同時，養殖場可提供的教學和演示空間也有限，難以滿足較大規模學生的現場實驗和實踐需要。通過虛擬仿真牧場可以打破地域和空間的限制，讓學生在牧場之外有身臨其境的體驗，并且不受空間限制地開展類似現場的學習。②突破了時間和周期的限制。生產實踐或實習是動物類學科學生的必修環節。學生在該環節需要了解或掌握豬、牛、羊、家禽等的整個生產過程，而這個生產過程較長，一般需要數月甚至數年。實際上，學生不可能有足夠的時間全程參與、跟蹤整個生產過程。通過虛擬仿真可以將畜禽生產過程的重要環節進行提煉和濃縮后再展示給學生。這樣可以打破畜禽生產周期的限制，可在較短的時間內獲得良好的教學效果，顯著提高教學效率。③突破了教學成本和資源的限制。動物類學科中的動物解剖學、動物生理學等實驗課程通常需要屠宰、解剖一定數量的豬、牛、馬、羊等大動物進行教學展示。這些大動物的成本較高，很難保證有足夠數量的動物讓學生能夠近距離、反復觀察和進行實驗操作。因此，利用虛擬仿真實驗讓學生在正式實驗操作前進行充分模擬和仿真，這種模式對于學生把握整個實驗內容以及提高整個實驗的完成質量具有積極的意義。虛擬仿真實驗在提高教學效果的同時，有利于減少動物實驗教學所需屠宰、解剖的動物數量，降低成本，減少動物福利問題。④突破了動物疫病傳播風險的限制。大量學生現場參與動物生產實驗和實踐課程，容易給養殖場帶來動物傳染性疾病防疫問題。例如，在近年來我國暴發非洲豬瘟的情況下，太多的學生到養豬場參與動物生產實驗和實踐課程會給養豬場帶來較高的疾病傳播風險。此外，學生在教學過程中過多地接觸動物，還會有感染人畜共患病的風險，如布氏桿菌病等。因此，通過虛擬仿真教學有利于減少學生到養殖場進行現場學習的機會，減少學生與動物直接接觸所帶來的疾病傳播和感染風險。

3 目前動物類學科虛擬仿真教學中存在的問題

雖然動物類學科虛擬仿真教學有很多優點，且近年來其發展也取得了長足的進步，但目前教學中還存在一些問題：①課程數量偏少，內容不成體系。迄今為止，我國已建設一定數量的國家級、省部級和地方級別的動物類示范性虛擬仿真實驗教學課程，但其數量對于我國龐大的學生規模而言仍然偏少。此外，這些課程內容比較分散，涉及的動物種類較多，導致課程內容無法形成一個比較完整的體系。②場景仿真不足。由于動物實驗和實踐場景的環境因素較為復雜且多變，目前動物類學科虛擬仿真課程的虛擬系統還難以在視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、三維空間結構和比例等方面與真實系統相比。③人機交互不足。在真實的場景或系統中人與動物或場景可以進行多種方式、近距離、深度、頻繁的互動，因而具有生動的趣味性。然而，目前的虛擬仿真課程存在單調、呆板、枯燥、無法互動或互動少等問題。④評價體系不健全。虛擬仿真是一種新的教學方式。目前對相關課程教學效果的評價體系還不健全，這容易導致難以對相關課程的設置和建設進行正確的指導。⑤資源互補與共享不足。動物類學科虛擬仿真課程目前還存在單打獨斗、重復建設的現象，已建設的課程還存在開放和共享不足的問題[3，11，13-14]。

4 建議

針對上述動物類學科虛擬仿真課程教學中目前存在的問題，提出以下建議：①通過充分調研、討論和征求意見，加強頂層設計和規劃，根據動物類學科的特點和教學需求，建設具有完整體系的虛擬仿真課程。②采用最新的虛擬仿真技術，最大限度地逼近真實場景。在虛擬仿真課程系統或平臺投入使用前，組織業內專家進行“仿真性”鑒定評價，確保其模擬水平達標。③與計算機技術和網絡技術緊密結合，增強學生學習過程中的人機交互性;利用人工智能、大數據等信息技術，增強人機交互的智慧化、智能化，便于學生隨時、隨地提問和學習，滿足教學的需要。④加強信息化教學政策研究、理論研究、運行機制和關鍵技術研究等方面的工作，持續改進相關教學評價機制，加強督導考核，不斷健全并完善虛擬仿真教學的綜合評價體系。⑤采用合作互補、強強聯合等方式開展課程建設，通過網絡平臺等加強課程的開放共享，進一步完善運行平臺的兼容性，降低對硬件配置的要求，以便于教學資源的開放共享。

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