新農科背景下虛擬現實技術在《花卉栽培管理》實踐教學中的應用

張 蔚，周繼榮，王媛媛，張俊衛，胡惠蓉

（華中農業大學園藝林學學院，湖北 武漢 430070）

0 引言

《花卉栽培管理》是園藝、園林等相關專業的專業必修課。該課程要求學習者掌握或了解各類常見花卉的形態特征、栽培技術、繁殖方法與園林應用等實踐知識，能根據不同地區、條件、用途安排指導花卉生產，并能根據所學知識推論并自學教材未涉及的一些花卉大致的栽培方法，是一門實踐屬性極強的課程。以華中農業大學園藝林學學院為例，花卉栽培管理是園藝專業（花卉方向）和園林專業的核心實驗內容，其課堂教學和實踐環節在園藝專業的《花卉學方向教學實習》課程以及園林專業的《花卉學實驗實習》課程中占有相當大的比重。

由于課程的強實踐屬性，以及花卉行業人才，尤其是專業技術型人才缺乏，培養既懂理論又有技能的專門型人才已成為實踐教學與花卉行業的迫切需求[1]。課程要求教師和學生在教學與學習過程中，必須重視對學生動手能力與創新能力的培養[2]。為此，本課題通過立項研究，運用虛擬現實技術開發出花卉容器苗標準化生產虛擬仿真實驗軟件。本項目引入了問題式教學（Problem Based Learning, PBL）模式和情景式項目設計，深入開展了“花卉學”實踐教學模式的探索。

本文分析了《花卉栽培管理》課程實踐教學中凸顯的問題，提出了實踐教學改革的新內涵，力求理論與實踐相融合，教學與科研、生產相融合，并結合已建成的虛擬仿真實驗軟件，分析了其實際的應用效果。

1 《花卉栽培管理》實踐教學存在的痛點

目前，華中農業大學及大部分農林類高校花卉栽培管理的生產實踐教學存在以下痛點：

（1）周期長且花費高。花卉標準化生產多從幼苗開始培養，直至獲得符合出圃質量標準的成品花，整個過程涉及的環節多達15 個模塊實驗，歷時長達6 個月，實驗時間跨度較長[3]。但實際情況常常是課時縮減，整個實踐教學周期被壓縮至6 周以內。并且，如果完全按照預想中的人才培養需求，預計基礎建設投入至少需要200 萬元；如果完全按照目前花卉行業實際生產條件進行模擬，則所需費用更多。

（2）占地受限而學生參與少。受到用地和用材等因素的限制，很難保證每個學生都能全程參與。此外，實際投入生產的苗圃地建設與完善的速度一般較快，而學校的教學實習基地由于經費不足或審批手續較多等原因，很難達到與真正的苗圃地相同的生產條件，導致學生們進行的實踐操作與實際生產有較大差距，學生很難對花卉的標準化生產有直觀、深入且全面的認識與理解。

（3）社會對人才的需求與人才培養方案脫節。2019 年我國啟動了“智慧農業發展戰略研究”重大咨詢項目，其中“園藝作物智慧生產發展戰略研究”是重要的組成部分，華中農業大學鄧秀新院士強調智慧農業首先應該在園藝作物上使用。同年，中國高等農林教育改革唱響三部曲，推動“新農科”建設，變革和發展傳統農科專業結構，搭建人才培養體系和科技創新體系，創建可以支撐農業農村現代化的高等農業教育新體系。在這種形勢下，園藝領域的高等農業教育必須進行結構性調整與升級，從而滿足園藝產業發展的需要、適應國家現代化發展的戰略需求。

隨著國家戰略與行業發展，智慧園藝逐漸成為行業主流。目前，就我院花卉學實驗而言，實踐課程的內容和體系與最先進的生產技術存在一定程度的脫節，學生在校學習的部分知識在實習和工作中已經落伍。為此，我們引入虛擬現實技術，通過建設智慧園藝花卉標準化生產實踐項目來輔助提升我院花卉學乃至園藝學的實驗教學水平。

2 虛擬仿真技術在該課程中的應用

花卉學實驗課程目前多采用傳統教學與網絡教學相結合的普通混合教學模式。基礎性實驗課都是沿用多年的傳統實驗，所學內容較單一，且與產業實際結合不夠緊密、關聯度不夠高，因而影響了學生的學習興趣，致使學生學習缺乏主動性、積極性和創新意識。因此，要實現學生全面自由發展的目標，最行之有效的切入點應是從思想和實踐著手，嘗試改變當今的教學模式，努力探索符合新農科背景下培養全面發展人才要求的實驗教學模式。為此，我們通過虛擬現實技術的引入，將容錯探究式和任務驅動式教學方法綜合運用于基礎認知、綜合分析以及探索創新3 個層面的實驗環節，使學生在實驗操練的過程中，循序漸進地完成“基本原理學習→綜合能力訓練→創新能力培養”的進階任務。

2.1 先進的教學方法與課程設計

智慧園藝花卉標準化生產實踐項目設計了預設問題，要求學生進入虛擬環境進行調查研究。通過包含有預設知識點的問題，啟發學生在接近真實應用的場景中進行學習。學生則通過查閱文獻，搜索網絡，或者咨詢老師以及相互之間開展討論等各種渠道和方式獲取知識，從而對問題進行主動地分析和思考，然后設計出解決方案，最后再回到虛擬現實的情景中進行實踐探索。

這種將情景式教學與PBL 教學結合到一起的教學方式有如下優勢：①讓學生真正接觸到今后可能進入的實際工作環境，不僅能極大地提升學生的學習興趣，有效培養學生搜集和處理知識的能力、研判和解決問題的能力，以及團隊協作與溝通能力等，還能讓學生提前進行思考，及時地對自身學習目標和方法進行調整，從而更加全面自由地發展；②促使教師密切跟蹤本專業及相關領域的技術和發展需要，根據社會和行業需求，不斷改進和完善實驗的教學方法，及時更新教學內容，以滿足實踐教學應緊貼新農科建設與發展需要這一基本要求[4]。

2.1.1 基礎認知實驗教學環節（實驗前準備）

本環節著眼于提升學生對《園藝植物栽培學（花卉各論）》和《花卉學》課程知識點和基本理論的掌握程度，適當覆蓋《植物學》、《植物生理生化》、《植物病理學》、《設施園藝學》、《園藝植物昆蟲學》等課程，以“實驗環節—實驗子環節—實驗步驟”逐級細化的結構來組織實驗教學過程。每一個實驗場景都對應一個獨立的知識點，以子環節為單位組織體驗式實驗過程，實驗過程與知識點相對應，實驗教學內容貫穿于步驟之中。學生通過交互式操作和多角度、全方位的深入觀察，可有效建立對花卉的水肥管理、花期調控、病蟲害防治等知識的全面認知和理解。

2.1.2 交互體驗教學環節（智慧園藝系統硬件設備及軟件操作、生產栽培技術）

本環節包括智慧園藝系統硬件設備、園藝設備操作和花卉生產栽培技術3 個實驗子環節。通過讓學生親身參與規劃設計花卉生產基地、建設生產基地、配置軟硬件設備，栽培管理花卉的實驗過程，培養學生綜合運用專業知識，分析、處理問題的能力。同一種花卉在不同的溫度、濕度、光照等環境條件下，使用不同的基質配比，其在整個發育過程中會呈現出不同的狀態，最終的成品質量會有很大差別，而學生可以對此展開動態的觀察分析工作。本環節有效解決了實物教學實驗成本高、學生受眾面小、實驗操作難度大、重復性差、極端實驗情況危險性大、操作失誤不可逆以及某些實驗環境不可達等難題，達成了虛擬仿真實驗的基本目標。

2.1.3 容錯探究教學環節（生產栽培技術）

本環節要求學生掌握花卉標準化栽培技術的基本方法。學生可以根據實際情況反復調整實驗方案，優化溫度、濕度、培養時間等關鍵實驗參數，觀察不同參數對實驗結果的影響，獲得自主的實驗結果。學生對問題的描述，結果的形成原因，改進措施等方面進行深入分析，撰寫實驗報告。本環節中，設置了容錯探索型實驗過程設計，不再強調唯一正確的參數和結果，而是促進學生應用所學知識，設計不同參數，從而得出不同的結果。該設計賦予了每位同學不同的實驗體驗，最后生產出多種顏色、多種品級的花卉，充分體現了“以學生為中心”的教學理念，見圖1。

圖1 花卉容器苗標準化栽培實踐教學流程

2.2 大品種、小模塊的模塊化內容設計

本項目采用的虛擬仿真實踐平臺基于荷蘭福納瑞和全國多家花卉生產企業多年生產的數據。學生可以自由設置溫度、濕度以及栽培基質等控制參數，100 名學生可以得到多種結果。讓學生在項目中進行反復試錯，從而培養學生的創造性思維和能力。將網絡信息技術與實驗教學加以深度融合，利用仿真建模、人機交互、多媒體以及內嵌算法等技術，使學生身臨其境。在虛擬實驗場景中，我們還構建了智慧園藝花卉標準化生產系統，包括氣象監測系統、室內環境監測系統、土壤墑情系統、蟲情測報系統、噴淋灌溉系統、苗情監測系統、視頻監控系統、水監測系統等。利用物聯網的科技手段，結合大數據和人工智能等技術手段，解決傳統農場中的痛點，實現花卉標準化生產的智能化，生長過程要素數據化測量。

本項目設計有兩種常見花卉，分別是蝴蝶蘭與繡球花，總共包含8 個知識點，18 個操作步驟。在教學中，教師可以在課堂上集中講解，學生也可以利用課后碎片化的時間，獨立學習和演練。特別值得一提的是，學生還可以針對自己的薄弱環節，在項目中對不同的知識點進行單獨地練習和鞏固，見表1。

表1 花卉容器苗標準化栽培項目知識點

2.3 課程的思政教育內涵

園藝屬于涉農專業，受學科專業認知度和社會認可度的影響，常被誤認為是科學技術含量少、就業層次低、沒有前途的專業，這導致園藝專業的學生對所學專業缺乏自信；同時部分學生對專業特點、優勢、發展前景等缺乏深層次的認識，甚至嫌棄園藝專業[5]。這種專業不自信與嫌棄專業的態度不僅使學生失去專業學習興趣、缺乏專業學習動力，而且導致對口行業就業率低，造成教育資源的巨大浪費。

本項目讓學生了解現代園藝從業者不再是“面朝黃土背朝天，風吹日曬滿身土”的經驗式、高勞作的園藝生產和經營模式，而是可以插上智慧生產的翅膀，實現園藝生產的高度規模化、集約化、工廠化。幫助學生認識到現代科技在本專業中的強大作用，培養學生的科學精神與愛國情懷，切實提高專業自信。

3 虛擬現實技術在教學中的應用

3.1 目前使用情況

本平臺于2019 年3 月正式投入使用，截至2022年3 月，2 年時間內共有4300 多人次的使用記錄。該平臺同時還向兄弟院校進行共享開放，外校的使用也達到一定人次，充分切合了教育部對虛擬現實平臺開放共享的要求。

3.2 不足與展望

現階段，由華中農業大學建設并運行的智慧園藝花卉標準化生產實踐項目的教學重點是花卉容器苗的栽培技術。通過該項目的引入，有效提升了《花卉栽培管理》課程的教學質量，激發了學生的學習興趣。但是，《花卉栽培管理》實踐教學不僅只有容器苗的花卉栽培，還涉及組培苗生產技術等重要內容。這些內容在現有的實踐教學體系內很難有效實現，但同樣可以通過虛擬仿真技術予以解決。因此，未來在教學內容上還可進一步延伸與拓展。此外，目前運行的網頁版虛擬教學軟件是利用unity3D 技術開發而成的。隨著增強現實、混合現實以及擴展現實技術的成熟與元宇宙概念的提出，未來可運用更先進的開發引擎，升級現有技術，進一步優化項目，提升用戶體驗，增強項目的沉浸感。