基于OBE理念的虛擬仿真實踐教學體系建設與探索

付曉明　尚家杰　張欣悅　李文濤

摘? 要：實踐教學是工程教育的重要組成部分，是培養和提高學生工程實踐能力和科技創新能力的重要途徑。該文剖析當前形勢下農業機械化及其自動化專業實踐教學環節存在的主要問題，總結虛擬仿真實踐教學體系建設的實施舉措，形成以行業對實踐能力需求為引導、以學生發展為主線、以提高學生實踐和創新能力為核心的“2+4+1”農機專業虛擬仿真實踐教學體系。在實踐教學各環節構建虛擬仿真實踐平臺、完善考核機制，通過虛擬仿真實踐訓練與實體實訓的融合，促進農機專業人才的綜合能力培養。

關鍵詞：農業機械化及其自動化專業；實踐教學體系；OBE工程教育；虛擬仿真平臺；綜合能力培養

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2024）16-0123-05

Abstract： Practical teaching is a crucial component of engineering education， serving as an essential avenue for cultivating and enhancing students' practical engineering abilities and technological innovation capabilities. This article examines the primary issues inherent in the practical teaching of agricultural mechanization and automation in the current context. It summarizes the implementation measures for the construction of a virtual simulation-based practical teaching system， developing a "2+4+1" virtual simulation practical teaching system for agricultural machinery majors. This system is guided by industry demands for practical abilities， centered on student development， and emphasizes enhancing students' practical and innovative abilities. It constructs virtual simulation practice platforms and improves assessment mechanisms across various stages of practical teaching. By integrating virtual simulation practice training with physical training， it promotes the comprehensive cultivation of agricultural machinery professionals.

Keywords： agricultural mechanization and automation major; practical teaching system; OBE engineering education; virtual simulation platform; comprehensive ability training

近年來，隨著我國現代化農業的快速發展，我國正處于從傳統農業逐漸向精準農業、信息農業、智慧農業轉變的重要環節，農業生產對農機專業人才提出了更高的要求。我國農林院校所開設農業機械化專業教學主要以理論教學為主，學生對農業機械的實體了解較為匱乏。由于農業機械化及其自動化專業（以下簡稱“農機專業”）理論知識架構要與農藝相結合，所面對的對象（如農作物、土壤、水、風和天氣）千變萬化，因此培養的學生不僅要有理論水平，更要有較強解決復雜農業工程實際問題的能力和創新能力[1]。因此，如何培養面向社會需求的高素質復合型農機專業人才是農林高校亟需考慮的重點問題。

當前，隨著中國工程教育認證逐步推進，OBE（Outcomes-based Education）教育模式與教育理念在諸多高校工程實踐教育中得到了廣泛應用，并取得不錯的教學效果[2]。黑龍江科技大學針對機械設計制造及其自動化專業實踐教學環節存在的問題，在實踐教學各個環節的教學目標規劃基礎上構建了基于OBE理念的機械類專業實踐教學體系[3]。甘肅農業大學機電工程學院針對新冠感染疫情的形勢，學生不能返校，采用虛擬仿真實驗教學，運用此方式教學促使學生的專業興趣和創新意識明顯提高[4]。南京理工大學基于新工科理念構建了基于IdeaVR軟件的虛擬仿真實驗平臺，該平臺開發設計了機械安全虛擬仿真實驗教學系統，提升了機械安全課堂教學素材的廣度、深度及教學手段的前沿性[5]。遼寧工程技術大學將虛擬仿真技術引入資源勘探工程專業教學，促進學生的學習積極性和自主性，有效提升了教學效果和質量[6]。電子科技大學將虛擬仿真技術融入傳統機電一體化實驗教學中，不但節省了教學資源，還培養了其工程實踐能力[7]。越來越多的高校運用OBE教育理念將虛擬仿真技術與實踐教育相結合，使學生能更加深入學習專業知識，提高實踐和創新能力。

本文以OBE工程教育理念為背景，通過農機專業虛擬仿真實踐教學體系建設，強調實踐教育產出，探討虛擬仿真實踐教學模式和方法，為其他專業實驗和實踐教學模式提供參考和借鑒。

一? 實踐教學存在問題剖析

（一）? 實踐條件局限性

目前，在農機專業實踐教學過程中主要涵蓋農業認知實踐、拆裝與測量實習與農業機械化生產實踐等主要實踐內容。但部分實踐項目受到季節、場地、氣候與成本等多方面因素的限制，部分實際操作環節突顯出較強的局限性[8]。例如，以往在農業認知實踐中，主要以學生到田間農業生產現場結合基礎知識通過實踐方式掌握部分農作物生長特點及其農業生產過程，使學生了解農機專業在農業生產中的重要作用。但由于區域限制、作業周期、時間成本等因素影響，在實踐過程中，學生無法全面了解農作物的種植特點和完整生產過程，實踐過程缺乏連續性和沉浸性；在拆裝與測量實習中，主要以實踐基地現有的部分農業機械與關鍵部件為實踐操作對象，學生通過對其拆裝與測量的實踐過程，了解部分農業機械的結構與工作原理。但現有用于實踐的農業機械種類和數量不足，若完善各類農業機械教具必將導致實踐成本的大幅增加，同時由于農業機械的更新換代速度較快，農機拆裝實踐基地難以與實際應用的農業機械保持一致。因此，當前實踐條件難以滿足農機專業人才實踐能力培養的需求[9]。

（二）? 實踐內容多樣化不足

農機專業實踐教學體系各實踐教學環節的內容較為單一，缺少以學生綜合實踐能力提升為基礎的多樣化教學內容。例如，在農業機械化生產實踐環節，應該以農業生產對農機專業人才的能力需求為引導，圍繞農業機械化生產過程開展涵蓋主要作物機械化生產模式、農機實踐操作、故障診斷與農機作業標準化管理等多方面實踐內容。但目前實踐環節缺少與農業機械學、農機運用與管理、農業機械化生產學等主要理論課程融合的多樣化實踐教學內容。學生不清楚實踐環節的作用，實踐內容缺少綜合性的聯系，導致學生對實踐學習的積極性較低。學生實踐主要為應付考核，因此不能發揮學生的主觀實踐意識和創新能力，不利于培養學生分析和解決問題的綜合實踐能力。

（三）? 實踐教學手段單一

目前農機專業的實踐過程與理論結合的實際操作相對較少，實踐教學過程中仍然以示范與觀摩為主[10]。例如，在農業機械化生產實踐環節，為保證學生安全且不影響農業生產，學生無法真正做到對農業生產設備進行實際操作，并且對生產規范缺少實際的了解，實踐過程也無法模擬各類生產作業過程，從而不利于學生綜合實踐能力的培養。

因此，構建虛擬仿真實踐教學體系，一方面可以有效地與專業知識體系結合，學生可以通過仿真操作和實踐學習對完整專業知識體系有系統的理解和掌握；另一方面可以通過完整的虛擬實踐體系，豐富實踐教學內容和手段，解決實踐條件和不確定性因素的限制，安全地、系統地、全面地培養學生綜合素質，提高學生的實踐積極性和創新實踐能力。

二? 虛擬仿真實踐教學體系構建

（一）? 實踐教學體系反向設計

在實踐教學過程中，以OBE教學理念為基礎，不僅要考慮學生在實踐課程結束后所達成的課程目標及專業培養目標，還要以此為基礎進行反向構建實踐教學內容。農機專業虛擬實踐課程OBE教育模式以社會需求為引導，通過實踐課程培養目標，建立裝備設計與研發和農機運用與管理雙方向實踐教學結構，反向設計支撐該目標的虛擬實踐教學體系和培養目標，從而制定實踐課程體系和虛擬實踐教學模塊。虛擬實踐教學模塊由農業認知、典型農機裝備結構與原理、農機作業和農機運用與管理四個實踐教學模塊組成，可根據培養方向和培養目標對分類培養重點實踐環節靈活設置不同實踐模塊所占比重，并對學生經過虛擬實踐環節后的知識體系、操作技能、綜合能力進行量化反饋和綜合評價。將OBE教學理念應用于農機虛擬實踐教學，形成以成果為導向的兩個方向、四個實踐模塊、一個綜合能力評價的“2+4+1”農機專業虛擬實踐教學體系，具體實施理念與實踐教學體系如圖1所示。

（二）? 實踐教學體系課程內容構建

根據OBE理念對農機專業實踐教學體系內容進行構建與優化，分模塊設置階段性成果。在原有實踐體系基礎上融入虛擬實踐模塊，并與農機專業課程理論體系相結合，每個模塊后設置階段性成果，可使學生在虛擬實踐環節中深入理解理論知識，進一步明確學習目標，為實踐體系提供實踐經驗積累和實際操作技能的支撐。在虛擬實踐教學過程中，以社會需求農機專業人才工程技術和創新實踐能力為依托，以實踐能力所必備的專業理論體系為支持，圍繞農業基礎認知、典型農作物及其配套機械化與智能化裝備、農業生產過程與管理等進行講解、分析與評價。通過教師指導與示范，學生們進行虛擬實踐操作，并共同探討和研究相關技術特點，讓學生結合所學理論知識，通過實踐調研和綜合設計，總結出現有技術和相關機具的優缺點，培養學生綜合素質與創新實踐能力。農機專業虛擬實踐教學體系課程設計思路見表1。

三? 虛擬仿真實踐教學平臺模塊與評價體系建設

我國地域差異性大，農作物及種植模式多樣，農業機械同樣種類繁多，農業機械教學單純靠課堂的理論知識難以使學生深入學習領會，通過虛擬仿真的手段使農業機械教學實現了農學、機械、電子、液壓和控制多領域、多學科的交叉融合[11-13]。根據OBE理念，對農機專業虛擬實踐體系課程內容進行優化，分模塊建立虛擬實踐教學平臺，涵蓋農業認知、典型農機裝備結構與原理、農機作業和農機運用與管理四個實踐教學模塊，并分模塊設置階段性成果。各實踐教學模塊與農學基礎、農業機械學、農機運用管理學等專業課程相結合，優化實踐教學實施過程，完善考核與評價體系。

（一）? 平臺模塊建設

1? 農業認知虛擬實踐教學平臺

以主要農業作物為基礎，利用全息投影技術，構建農作物全生長期狀態虛擬仿真平臺。通過農業認知虛擬實踐，了解現代農作物的生長習性，將農業基礎理論知識滲透到實踐中，強化理論和實踐的結合，提高學生對現代農作物特點、栽培與措施等多方面的認識和理解。

2? 典型農機裝備結構與原理虛擬實踐教學平臺

以耕作機械、播種機械、收獲機械等典型農機裝備為基礎，利用VR虛擬現實基礎，構建農機裝備結構與原理虛擬仿真平臺。學生可以通過虛擬仿真操作，對典型農機裝備進行拆裝實踐操作，充分了解農業機械結構特點與工作原理，彌補傳統農業機械學實驗和拆裝實習中機械類型多樣化不足、實踐內容與操作單一等缺點。將農機裝備虛擬實踐環節與課程設計相結合，進一步提高學生對現代化農機裝備特點與原理的理解，增強學生的創新設計思維與能力。

3? 農機作業虛擬實踐教學平臺

以典型農作物的機械化耕作、播種、田間管理與收獲等農業生產環節為基礎，通過農機具模擬操作技術，建立農機作業虛擬實踐平臺。學生可以通過仿真駕駛操作，對玉米、大豆、小麥及部分經濟類作物的全程機械生產過程進行虛擬實踐操作。了解農業機械化生產過程，認識農機作業環節和基本操作方法，提高學生對現代化農業全程機械化生產的認識和理解。

4? 農機運用與管理虛擬實踐教學平臺

以典型農業生產企業的農機配備、維護、調整與標準化管理為基礎，整合農機作業虛擬實踐平臺，運用農業物聯網、田間智能化管理、農業大數據管理技術，建立農機運用與管理虛擬實踐平臺。將農機運用管理學、精準農業技術及現代企業管理等課程與農機運用與管理虛擬實踐環節有機融合。學生可以通過農機管理虛擬實踐平臺，對農機配備、維護及標準化管理過程進行模擬操作，通過平臺模擬數據的分析與決策，對智慧農業中的農業物聯網與田間智能化管理過程有進一步的了解和認識。

（二）? 評價體系建設

完善考核機制與評價體系是有效保證實踐教學高質和高效運行的重要環節。以成果導向為基礎，將OBE教育理論貫穿虛擬實踐教學環節，強調對學生實踐能力的綜合評價。在實踐考核過程中將結果與過程相結合，評價與考核指標見表2。在評價體系中將學生的學習成果與能力提升作為評價實踐教學成果的評價依據，整合虛擬仿真實踐教學與實體實踐教學，形成虛擬仿真實踐教學評價體系。實踐內容、方法及考核過程與實踐教學所支撐的畢業要求匹配，客觀反映畢業要求對實踐能力指標的達成情況。通過與校外多家農機行業優秀企業建立校企聯合培養的產教融合模式，一方面使實踐指導教師和學生深入企業，促進師資水平、實踐教學與創新創業等方面的發展；另一方面請企業技術骨干與校外行業專家進行實踐指導與質量評價，形成校企聯動的實踐教學過程質量監控機制，促進實踐教學質量的持續提升與改進。實踐評價體系中明確虛擬仿真實踐教學各環節評價內容、質量要求、考核方式，各實踐模塊以分析問題、解決問題、創新能力等學生綜合能力提升為核心，考核對各環節實踐評價內容的達成情況，并通過成果匯報、過程評價、自評和互評等多種方式客觀反映學生各方面能力的達成度，從而實現以學生發展和能力提升為中心的實踐教學過程。

四? 虛擬仿真實踐教學實施與建設成果

在虛擬仿真實踐教學過程中分別通過實踐內容分析、實踐方案設計、仿真實踐操作、成果匯報與實踐經驗總結五個階段開展實踐教學。學生以團隊合作的方式針對各虛擬仿真實踐模塊進行實踐內容的查閱和分析，以及相關文獻資料的搜索和總結，根據虛擬仿真實踐內容和要求進行實踐方案設計，并分小組討論交流，確定最優設計方案，重點培養學生的團隊協作能力、溝通交流能力、創新實踐能力。各團隊展示實踐成果，并提交實踐報告，同時各實踐團隊之間進行實踐經驗學習交流，重點培養學生的表達、交流能力和綜合素質。

經過實踐教學可知，虛擬仿真實踐平臺的應用極大地提高了農機專業實踐效率和效果，學生參與實踐教學的積極性明顯增加，創新思維和創新意識得以增強。另外，對于部分實踐項目，學生還可以通過網絡平臺進行遠程的虛擬實踐學習和考核評價。一方面學生通過該平臺可以對實踐內容進行提前預習和課后復習，對理論課程進行補充學習，另一方面有效解決了在新冠感染疫情封閉期間專業實踐環節難以實施的難題。

五? 結束語

根據OBE工程教育理念，以社會需求的農機專業人才工程技術和創新實踐能力為導向，以實踐能力所必備的專業理論體系為支持，建立了“裝備設計與研發”和“農機運用與管理”雙方向實踐教學結構。將虛擬仿真技術融入實踐教學，構建了農業認知、典型農機裝備結構與原理、農機作業和農機運用與管理四個虛擬仿真實踐教學模塊和一個綜合能力評價體系，形成以成果為導向的兩個方向、四個實踐模塊、一個綜合能力評價的“2+4+1”農機專業虛擬實踐教學體系。通過虛擬仿真實踐訓練與實體實訓的有機結合，提高學生動手能力、創新能力和團隊協作能力，進一步促進農機專業人才的綜合能力培養，推動我國現代化農機教育事業的發展。

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基金項目：黑龍江省高等教育教學改革研究項目“專業認證背景下的農業工程實驗教學示范中心教學模式創新與實踐”（SJGY20200066）；黑龍江省教育科學規劃重點課題“基于普通農業院校新工科的工程實踐教育體系與平臺構建”（GJB1421190）；黑龍江省教育科學規劃重點課題“適應產教融合發展的農業工程類專業人才培養模式構建與實踐”（GJB1421191）；黑龍江八一農墾大學教育教學研究課題“工程專業認證視域下機電一體化技術課程教學與思政一體化育人模式探索與實踐”（NDJY2215）；黑龍江八一農墾大學研究生教育教學改革項目“新形勢下專業學位研究生培養模式的研究”（YJG202208）

第一作者簡介：付曉明（1987-），男，漢族，遼寧寬甸人，博士，副教授，碩士研究生導師。研究方向為農業機械化工程裝備自動控制教學與科學研究。

*通信作者：尚家杰（1987-），男，漢族，山東東平人，博士，工程師，農業工程國家級實驗教學示范中心副主任。研究方向為免耕播種裝備教學與技術研究。