基于多課程融合的虛擬仿真實驗的設計與教學實現
——以玫瑰設施栽培虛擬仿真實驗為例

吳琴香 李志強 孫敏紅 唐 麗

(中南林業科技大學林學院，長沙 410004)

隨著信息技術的發展，虛擬仿真以其形象生動、效果直觀、安全性高[1]等優點越來越廣泛地應用于高校實驗教學之中。有別于傳統實踐教學，虛擬仿真實驗教學依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，學生在虛擬環境中開展實踐學習，借助互聯網信息技術，充分滿足了實踐學習需求和教師的教學需求，打破了傳統實踐教學的局限性，最大可能地滿足了教學內容的實踐要求，提升了實踐教學效果[2]。將虛擬仿真技術應用于實踐教學，是高校實踐教學改革的重點。

一、園藝專業實踐教學面臨的問題

(一)植物栽培周期長，實踐教學學時有限

傳統的實驗教學方法落后，學生難以感知植物繁育栽培全過程，影響其實踐認知體系的形成。以往受園藝植物生長時間長、實驗場地和設施要求高、實驗教學學時有限等因素的限制，很難在短時間內完成植物栽培全過程實驗，這也導致學生只能在有限的課時中進行走馬觀花式的觀摩學習或完成個別環節的操作，而缺乏對設施栽培完整過程的認知，且短時間內難以生動實際地觀測到設施栽培環境調控的實驗結果。

(二)實踐教學硬件條件與教學需求不匹配

大多高校都存在實踐教學涉及的教學實習基地、實驗室建設滯后，對實踐教學的經費投入不足等問題，難以完全滿足實踐教學的要求。中南林業科技大學園藝專業近5年來每年招生人數近70人，招生人數增加，實驗室儀器設備臺套數受教育經費限制，設備數量與學生使用需求不匹配。通過校企合作建設的教學實踐基地，以生產功能為主，學生在教學基地實習時以見習為主，動手操作較少。實踐教學“硬件”建設與教學需求不匹配，導致實踐教學的次數與質量大幅降低。利用虛擬仿真實驗平臺，可解決儀器設備少、見習難動手的問題。

(三)以單一課程為中心組織的實踐教學效果不佳

園藝專業是應用性較強的專業，實踐教學又是專業人才培養過程中的重要一環。根據本科人才培養方案，中南林業科技大學園藝專業從第五學期開始開設專業課，陸續開設“園藝植物栽培學”實驗及實習、“園藝植物育種學”實驗及實習、“設施園藝學”實驗及實習、“園藝產品貯藏加工學”實驗及實習、“花卉學”實驗及實習、“園藝植物病理學”實驗、“園藝植物昆蟲學”實驗、“土壤肥料學”課程實習、“園藝植物生物技術”實驗以及綜合生產實習等，由該門理論課教師承擔課程的實驗和實習教學任務。綜合生產實習為集中時間段實習，具體組織及實施均由各課程主講老師安排。以課程為中心組織實踐教學，實踐技能訓練時突出某一門課程的訓練，但缺乏教學內容上的聯動與綜合，導致實踐內容重復或相似、教學效果下降和教學資源浪費。

二、園藝專業的“設施園藝學”課程和“園藝植物栽培學”課程的教學特點

根據植物生產類教學質量國家標準，“設施園藝學”課程主要包含設施類型與結構、設施環境與調控、設施規劃與設計、園藝植物的設施栽培等內容。“園藝植物栽培學”課程主要講述園藝植物的生長發育規律、環境條件的影響、植物的繁殖、園地選擇與建園、土肥水管理、植物生長發育的調控和采收與商品化處理等內容，旨在使學生系統掌握園藝植物生長發育規律與技術調控、栽培管理等方面的知識和技能。

在園藝專業本科人才培養方案中，“園藝植物栽培學”與“設施園藝學”為園藝專業核心課程，分為理論課程和實踐課程兩個部分。在教學內容上，教師應與時俱進，將最新的栽培技術與園藝設施應用到教學中；在教學理念與方式上，要強調學生參與與互動，以培養學生的實踐能力與創新能力；在教學手段上，需充分利用信息化工具，建設“開放式”課程。

三、基于多課程融合的虛擬仿真實驗的設計思路

(一)基于多課程相關知識的融合設計實驗

多課程融合的虛擬仿真實驗教學中，教師以觀賞植物生產為中心，以設施栽培為載體，將觀賞植物繁育、栽培、管理等植物生產過程串聯，實現多門課程內容有機結合，強化對學生實踐技能的培養。玫瑰設施栽培虛擬仿真實驗主要知識點涉及設施類型及環境調控、玫瑰扦插繁育、玫瑰栽培肥水管理、玫瑰栽培整形、玫瑰早產與豐產關鍵技術、病蟲害防治6個知識點，可實現“設施園藝學”“園藝植物栽培學”“花卉學”“園藝植物病理學”4門課程相關知識點的有效銜接，幫助學生對植物生產全過程形成整體認知。

(二)構建模塊化實驗內容體系

多課程融合的虛擬仿真實驗教學中，教師設計的實驗內容安排由淺入深，由簡單到綜合，由基礎到創新[3]，教學設計更符合學生認識規律和實際水平。實驗教學模塊由基礎型實驗到綜合型實驗，再到設計型實驗，難度依次提升。其中設計型實驗要求學生自己查閱資料、設計方案、完成任務。實驗模塊中還提供必選模塊和可選模塊，必選模塊為學生必須完成的考核點，可選模塊為選做，促使學生通過相關知識的獲取和了解，更深入地了解課程內容，同時又可避免因實驗人數過多，實驗報告趨同的弊端，培養學生的探索創新意識。

(三)采取“虛實互補”形式呈現實驗過程

實踐教學中，中南林業科技大學與湖南慕她生物科技公司合作建立湖南香料、香精產業培植校企合作創新創業教育基地，以校內的香料植物科研團隊長期積累的研究成果為技術支撐，教師利用現代化信息技術，情景再現玫瑰設施栽培及管理全過程。學生在線完成玫瑰設施栽培等操作，全面、直觀地了解玫瑰栽培及加工過程，克服實踐教學中植物栽培周期過長的難題。在此過程中，學生還可到校企合作創新創業教育基地，進行關鍵環節的實物操作[4]，形成“虛實互補”的實驗教學模式。

四、基于多課程融合的虛擬仿真實驗教學的實現路徑

(一)構建虛擬仿真實驗教學系統

虛擬仿真實驗教學系統以設施栽培環境為原型，依托虛擬仿真技術還原玫瑰扦插、玫瑰栽培管理、玫瑰豐產技術的實踐操作。該實驗系統界面有視頻簡介、實驗簡介、仿真實操、在線交流、課后測試5個功能模塊，仿真實操有練習模式和考核模式2種模式，“練習模式”為實驗練習界面，可多次進入，反復練習，而“考核模式”則是實驗考核界面。

玫瑰設施栽培虛擬仿真實驗平臺通過仿真油用玫瑰栽培生產，設置逼真的實驗場景，使學生有身臨其境的感受。學生通過仿真實驗練習后，能夠掌握玫瑰栽培管理過程工藝流程，熟悉玫瑰栽培的生產過程和操作要領，實驗流程如圖1所示。另外仿真系統中各模塊都具有非常鮮活的模擬現場，學生進行人機交互操作，可對相關設備和參數進行設置，及時看到操作效果。

圖1 玫瑰設施栽培虛擬仿真實驗操作流程圖

實驗中學生將依次進入“栽培設施構成”“玫瑰扦插繁育”“玫瑰設施栽培管理”“玫瑰早產、豐產栽培技術”4個子模塊，根據植物生長環境和生長階段依次進行實驗。實驗中按照系統提示完成在線交互操作和答題，系統可自動生成使用者在每個階段的操作參數列表和對應的統計結果?！霸耘嘣O施構成”模塊的教學重點是設施構成，“玫瑰扦插繁育”模塊的教學重點是玫瑰扦插的流程，“玫瑰設施栽培管理”模塊的重點是玫瑰肥水管理、植株整形修剪、病蟲害防治，“玫瑰早產、豐產栽培技術”模塊的重點是玫瑰壓條的時間選擇和壓條方法。

(二)采用項目教學法加強實驗技能和綜合能力培養

玫瑰設施栽培虛擬仿真實驗的4個子實驗中，有基礎型實驗1個、綜合型實驗2個、設計型實驗1個，依次對應不同的實驗課程及知識點(見表1)。實驗技能培養側重學生動手能力及創新精神的培養。虛擬仿真實驗教學以油用玫瑰生產為學習載體，使學生直接獲得生產經驗，搭建起課程與就業間的橋梁，同時調動了學生實驗操作的自主性，反思實驗設計和過程，培養學生創新性思維。項目教學法是指在課程教師的指導下，從資料收集與查閱、方案設計到項目的實施與評價，都由學生自己負責，最終完成一個獨立的項目，從而使學生掌握項目中各個環節所需的理論知識[5]。玫瑰設施栽培虛擬仿真實驗注重調動學生的主觀能動性，其中玫瑰設施栽培管理模塊為設計型實驗，學生自主制定玫瑰幼苗定植階段的管理方案，系統根據學生輸入的管理方案模擬植物生產狀況。實驗結束后，學生就實驗情況制作PPT匯報文件并進行展示，老師對學生提問判斷學生掌握情況，以項目驗收的方式檢驗學生實驗結果，最后總結形成項目報告。

表1 玫瑰設施栽培虛擬仿真實驗教學知識點分布

(三)實施多元化實驗考核

傳統的實驗考核方式重視實驗報告與實驗結果，不能客觀反映學生實際水平，導致“高分低能”現象。采用多元化的科學考核體系，不僅可以改善實驗教學效果，還有利于培養具有創新精神和實踐能力的專業人才[6]。中南林業大學玫瑰設施栽培虛擬仿真實驗的考核成績由課前預習(占總成績10%)、在線測試成績(占總成績30%)、項目報告(占總成績40%)和課后測試(占總成績20%)4個部分組成，每項指標分別給予權重，最終確定綜合評定成績，能夠客觀地反映出學生的真實水平和學習態度。

五、基于多課程融合的虛擬仿真實驗教學的實施條件

(一)綜合性教學團隊

玫瑰設施栽培虛擬仿真實驗項目的教學團隊由中南林業科技大學園藝專業9名教師和校企合作企業的3名高級技術人員共同組成。其中企業選派的技術人員直接參與線上交流和線下實踐基地的生產指導，為虛實結合的實驗教學模式提供技術保障。

這種形式也避免了以往一個教師只承擔一門專業課程教學的弊端。組建大園藝生產類課程實踐教學團隊，從整體的角度考慮，避免教師只局限于單門課程獨立教學導致的教學內容重復或教學內容不全；又可以從專業的角度，將課程學習、實驗平臺有機融合在一起，起到強強結合、突出技術優勢的作用；還可以開闊教師的視野，從專業而非課程的角度系統地培養學生實踐能力，使其學有所用，學以致用。

(二)充足的學時

近年來，園藝專業實踐教學越來越受到各高校的重視，中南林業科技大學在本科人才培養方案中，加大了實踐課時時長。在不增加學分的基礎上，把實踐課時16個課時、1個學分，修改為32個課時、1個學分，實際加大了實踐課程學時量。玫瑰設施栽培虛擬仿真實驗涉及多門課程實踐操作，故將其安排在第六學期，授課4學時，并將其作為綜合實習的組成部分納入教學大綱，可作為綜合實習的預習，也可作為綜合實習的檢測實驗。

(三)“教”與“學”雙向評價

現有的教學評價機制主要從學生端進行，以學生的成績為主要評價依據，難以調動學生深入學習的積極性。本項目從“教”與“學”兩端建立評價機制，促進教師實踐教學水平提高，培養學生實踐創新。在“教”這一端，主要通過提高教師綜合能力，學生、教學督導、行業專家等及時對教師實踐教學進行評價，衡量“教”的效果，并將評價結果及時反饋給教師改進，從而提升教學水平。在“學”這一端，從課前預習、在線測試成績、項目報告和課后測試4個部分衡量學生“學”的效果，重點以項目報告的形式考核學生實踐技能掌握和素質提升情況。

六、基于多課程融合的虛擬仿真實驗教學的實施效果

(一)實踐教學內容得到整合，形成知識鏈條

以案例為串聯線索的多課程融合教學比傳統教學有明顯的優勢：通過案例應用引導學習，提高了學生的學習興趣；多課程融合加強了各門相關課程的學習效果，形成完整的知識鏈條。多課程融合教學也給教師和學生帶來了更高的要求：教師要對涉及的各門課程相關知識非常熟悉，能夠將有關知識點聯系起來進行歸納、總結、提煉；學生要具備一定的專業基礎及學習能動性，課程學習中要及時查漏補缺，確保學習成效。

(二)信息化教學優勢得到發揮，調動學生學習主動性

玫瑰設施栽培虛擬仿真實驗基于PC端設計，具有移動性、開放性、交互性等特點，擺脫了傳統教學過程中實驗教學時間和空間上的限制。學生可“隨時隨地”地開展在線實驗設計和操作，可實時追蹤玫瑰生長發育全過程，這是傳統實驗所無法完成的。這一實驗方式不僅開拓了學習者的知識視野，也顯著地提高了學習興趣。另外利用虛擬仿真手段直觀呈現實驗原理和技術，提高了實驗課的直觀性和新穎性，為學生學習起到了明顯的示范作用。通過虛擬仿真實驗平臺模擬設施栽培中的調控關鍵技術，還解決了植物生長期與實驗期不統一的矛盾，大幅縮短實驗觀察期，生動形象地展示實驗結果。同時，也解決了設施園藝實驗設備設施短缺的問題，大幅節約了實驗資源。

(三)實踐教學的滿意度得到提高

玫瑰設施栽培虛擬仿真實驗項目從2018年開始作為中南林業科技大學園藝專業綜合實習內容，2019年開始應用于農藝與種業研究生教學課題，3年來服務學生200余人。作為開放性實驗項目，該項目還適用于農學、林學、園林植物與觀賞園藝、植物學等多個專業。虛擬仿真實驗項目使用后的在線評價結果，年平均滿意度為90.93%。從虛擬仿真實驗是否達到實驗目的這一條的反饋來看，學生一致認可。但也存在網速和電腦設備配置參差不齊，導致實驗時流暢度不佳，影響實驗體驗感的反饋。

(四)產學研得以緊密結合，啟發創新性研究

以玫瑰設施栽培虛擬仿真實驗項目為紐帶，將虛擬教學、科學研究與職業技能培養相結合，建設專業性、綜合性、開放性為一體的實驗、實訓、科研環境，從而可以啟發師生開展創新性研究。通過項目訓練，激發了學生主動進行創新性研究，2018年有園藝專業學生在中文核心期刊《經濟林研究》上發表論文《不同激素及基質對大馬士革玫瑰扦插生根的影響》，2019年學生的論文《厚樸新品種‘武林木蘭’的選育》獲得第五屆全國高校植物生產類大學生實踐創新論壇優秀論文，2019年課程教師的“油用玫瑰在長株潭重金屬Cd污染區的修復潛力研究”項目獲湖南省林業廳立項支持?？梢姡瑤熒膶嵺`操作能力與創新能力均得到較大提升。

綜上，玫瑰設施栽培虛擬仿真實驗利用現代信息技術與實驗教學的深度融合，豐富了實驗教學方式和認知方式，解決了當前園藝植物栽培、設施園藝教學中重課程、輕綜合的問題。實驗內容的多課程聯合，拓展了實驗教學內容的廣度與深度，幫助學生在知識點學習中形成前后融會貫通。線上實驗和線下實驗的結合，實現了實驗教學的“虛實結合、優勢互補”的特點，使學生的動腦與動手能力均得到提升。

資助項目：湖南省教育廳教改項目“基于虛擬仿真的線上線下混合式園藝生產類實踐教學研究”，項目編號HNJG-2020-0363；湖南省教育廳教改項目“新形勢下農林高校園藝專業創新型人才培養模式探究”，項目編號HNJG-2020-0362；湖南省教育廳教改項目——“雙創”需求下的生態學專業實驗課程教學優化探索，HNJG-2019-0366。