農(nóng)業(yè)高校植物病理虛擬仿真實踐教學(xué)改革探究

摘 "要：文獻數(shù)據(jù)庫檢索結(jié)果表明，農(nóng)業(yè)高校植物病理學(xué)科虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用相對落后，至今未檢索到相關(guān)報道。植物病理學(xué)科是培養(yǎng)未來植物醫(yī)生的搖籃，具有很強的實踐性和應(yīng)用性。然而，該學(xué)科的實踐教學(xué)卻因占地多、成本高、具有偶然性、危險，以及受植物生長周期和季節(jié)限制而難以開展。導(dǎo)致培養(yǎng)的學(xué)生難以解決生產(chǎn)實踐中的問題。鑒于此，該文探討利用虛擬仿真技術(shù)進行實踐教學(xué)改革，以此突破傳統(tǒng)實驗教學(xué)的限制，構(gòu)建虛實結(jié)合的實驗教學(xué)體系，為卓越農(nóng)業(yè)人才培養(yǎng)提供新的途徑。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)高校；植物病理；虛擬仿真；實踐教學(xué)改革；卓越農(nóng)業(yè)人才培養(yǎng)

中圖分類號：G642 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2096-9902（2024）09-0151-04

Abstract： The retrieval results of literature database show that the development and application of virtual simulation technology of plant pathology in agricultural universities is relatively backward， and there are no relevant reports so far. The plant pathology is the cradle of training future plant doctors， which has strong practicality and application. However， the practical teaching is difficult to carry out because of its large occupation， high cost， contingency， danger， and limited by plant growth cycle and season， resulting in that students have difficulty to solve practical problems. Thus， this paper discusses the use of virtual simulation technology to carry out practical teaching reform， so as to break through the limitations of traditional experimental teaching， construct an experimental teaching system with the combination of virtual and real， and provide a new way for the training of excellent agricultural talents.

Keywords： agricultural universities; plant pathology; virtual simulation; practical teaching reform; cultivation of outstanding agricultural talents

農(nóng)業(yè)高校植物保護專業(yè)是培養(yǎng)未來植物醫(yī)生的搖籃，包括植物病理、昆蟲及化學(xué)保護3個學(xué)科方向。植物病理學(xué)是研究植物病害發(fā)生、發(fā)展及防治的一門應(yīng)用學(xué)科。其人才培養(yǎng)目標是“培養(yǎng)高級應(yīng)用型、能解決生產(chǎn)實際問題、保護農(nóng)作物免遭病原菌危害、為糧食穩(wěn)產(chǎn)增收服務(wù)的專業(yè)人才”。該學(xué)科實踐性和應(yīng)用性較強，實驗教學(xué)過程中需要開設(shè)大量實踐操作課程，以增強學(xué)生的動手能力及解決生產(chǎn)實際問題的能力。

隨著國家信息化教育戰(zhàn)略的不斷推進，虛擬仿真技術(shù)在以學(xué)生為中心的實踐教學(xué)改革中發(fā)揮了重要作用[1]。虛擬仿真實驗教學(xué)作為現(xiàn)代“體驗式”教學(xué)的一種新技術(shù)，已經(jīng)在200多個學(xué)科和課程中得以應(yīng)用，幾乎涵蓋了高等教育的所有學(xué)科和課程領(lǐng)域。但是，農(nóng)學(xué)及人文社科的應(yīng)用相對落后[2]。文獻數(shù)據(jù)庫檢索發(fā)現(xiàn)，涉農(nóng)類虛擬仿真實驗建設(shè)相對較少，目前僅在果樹栽培學(xué)[3]、微生物學(xué)[4]、森林病理學(xué)[5]、森林保護學(xué)[6]、植物化學(xué)保護[7]、病蟲害[8]、農(nóng)林院校工科[9]、水產(chǎn)[10]、土壤-生態(tài)綜合[11]及氣象學(xué)[12]等少數(shù)學(xué)科及課程進行了應(yīng)用。但到目前為止以植物病理作為關(guān)鍵詞尚未檢索到相關(guān)文章。

1 "虛擬仿真實驗教學(xué)改革的必要性

農(nóng)業(yè)高校植物病理學(xué)科開設(shè)的課程有普通植物病理學(xué)、農(nóng)業(yè)植物病理學(xué)、園藝植物病理學(xué)、園林植物病理學(xué)、森林植物病理學(xué)、茶樹病蟲害、種子病理學(xué)、植物檢疫學(xué)和微生物學(xué)等。這些課程的實體實驗都存在如下問題。

受植物生長周期及季節(jié)限制：實體實驗的操作對象為植物跟病原物，兩者都屬于鮮活生物體，生長周期長，而且受季節(jié)限制，不在植物發(fā)病期或者錯過植物生長季節(jié)則無法開展實驗。

具有偶然性：植物病害的發(fā)生具有偶然性，并非隨時都能發(fā)生，而是需要在特定植物生長期、有大量病原菌存在、溫濕度光照等環(huán)境條件適宜，沒有人工施用農(nóng)藥等條件都滿足時才發(fā)生。而且經(jīng)常會遇到植物病害發(fā)生時不在教學(xué)期，而教學(xué)需要時植物病害卻不發(fā)生的情況，無法跟教學(xué)日歷相匹配。

具有危險性：植物病害防治過程中需要使用殺菌劑，化學(xué)農(nóng)藥使用不慎會危害學(xué)生及教師身體健康，具有危險性。

污染環(huán)境：實體實驗涉及病原微生物操作及繁殖，處理不慎會造成生物污染；病害防治過程中殺菌劑施用不當會導(dǎo)致化學(xué)污染，都會造成環(huán)境污染，危害生態(tài)安全。

實驗周期長：實體實驗操作復(fù)雜，耗時長，尤其多年生植物根部或枝干部病害鑒定需要持續(xù)1～2年的時間，會出現(xiàn)實驗結(jié)果未出而學(xué)生已經(jīng)畢業(yè)的情況，因而難以開展。

占地多，成本高：植物種植需要大量土地，很多位于城市中心地帶的農(nóng)業(yè)高校很難實現(xiàn)；而且植物種植需要各種機械及技術(shù)工人，實驗過程還需要近百種儀器設(shè)備及放置這些儀器設(shè)備的大量空間，成本較高。

這些因素限制了實體實驗的開展。因此，有必要利用虛擬仿真技術(shù)進行實踐教學(xué)改革，讓過去無法開展的實驗教學(xué)項目成為可能。

2 "虛擬仿真實驗設(shè)計

2.1 "實驗?zāi)繕嗽O(shè)計

病理學(xué)科實驗課程的內(nèi)容大同小異，都是課堂上觀察病害癥狀及病原切片，然后繪制病原形態(tài)圖作為報告上交。這種千篇一律的實驗教學(xué)模式無法吸引學(xué)生的興趣，部分學(xué)生干脆把實驗課當成了臨摹課，直接從書本上照描病原形態(tài)圖，草率完成任務(wù)。缺乏實踐能力培養(yǎng)的結(jié)果是學(xué)生畢業(yè)后無法指導(dǎo)生產(chǎn)。因此，虛擬仿真實驗設(shè)計的目的就是培養(yǎng)學(xué)生鑒定田間未知病害并制定策略進行防治的能力。

植物病害中，真菌病害約占70%～80%，細菌病害約占20%～30%，病毒病害、線蟲及寄生性植物占比較低。鑒于虛擬仿真實驗項目制作成本較高，無法做到面面俱到，本虛擬仿真實驗主要針對真菌及細菌兩大種群病害進行設(shè)計（圖1）。

2.2 "實驗內(nèi)容設(shè)計

為了給學(xué)生提供完整的實踐技能訓(xùn)練，讓學(xué)生把病理實驗過程中“碎片化”的知識點串聯(lián)成一個整體，2種病害虛擬仿真實驗都設(shè)計成了綜合訓(xùn)練實驗，包括了從田間病害癥狀識別到實驗室病原鑒定，以及防控策略制定的全過程。囊括了病理學(xué)實驗過程中基本的知識點及實驗技術(shù)方法，以此來培養(yǎng)學(xué)生整合知識，解決生產(chǎn)實際問題的能力。真菌病害虛擬仿真實驗內(nèi)容如圖2所示。

2.3 "實驗形式設(shè)計

真菌、細菌2個項目都屬于綜合設(shè)計實驗，信息量龐大，操作步驟繁多，如果設(shè)計成一個實驗的話耗時較長，因而實驗采取模塊化形式進行設(shè)計：按照實驗發(fā)生發(fā)展過程及學(xué)生認知規(guī)律把實驗內(nèi)容分成幾個模塊進行制作。模塊之間相互獨立，又互相聯(lián)系，依次遞進構(gòu)成一個整體。

如細菌病害鑒定實驗分為5個模塊，分別為病原菌分離純化、形態(tài)學(xué)鑒定（革蘭氏染色實驗）、DNA提取、16S rDNA序列鑒定、柯赫氏法則驗證等（圖3）。

而真菌項目則比較復(fù)雜：先總分3個大模塊，模塊一為什么要鑒定疑難病害，主要是田間場景及背景知識介紹，說明病害鑒定的必要性并對學(xué)生進行思政教育；模塊二為操作模塊，又細分5個子模塊，分別為病原菌分離、病原菌純化、形態(tài)學(xué)鑒定、分子生物學(xué)鑒定以及致病性回接，介紹如何鑒定病害；模塊三介紹如何制定策略防治病害，并用世界名著《寂靜的春天》對學(xué)生進行思政教育，說明化學(xué)農(nóng)藥大量施用的危害以及植物病害綠色防控的重要性（圖4）。

操作部分的5個子模塊下面又細分成幾個分模塊，比如分子生物學(xué)鑒定模塊又細分為DNA提取、ITS序列擴增、電泳以及ITS序列比對4個分模塊，分模塊之間相互獨立，且又依次遞進形成一個整體（圖4）。

模塊化設(shè)計不僅方便課程與學(xué)生根據(jù)需要選擇相應(yīng)模塊開展實驗，還能夠讓學(xué)生在遇到網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定或者操作過程出現(xiàn)故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)卡頓時，不必從頭開始，避免花費大量時間重復(fù)實驗。這樣不僅能夠節(jié)省時間，還避免從頭開始實驗所產(chǎn)生的煩躁情緒，讓學(xué)生能夠愉快地進行實驗。

3 "虛擬仿真實驗解決的教學(xué)問題

規(guī)避限制因素，讓過去無法開展的實驗教學(xué)項目成為可能：傳統(tǒng)的病理學(xué)實驗周期長、受植物生長及季節(jié)限制、占地多、成本高、存在危險及偶然性等因素，導(dǎo)致無法開展完整的實踐實訓(xùn)內(nèi)容。利用虛擬仿真技術(shù)能夠讓過去無法開展的實驗教學(xué)項目成為可能，為學(xué)生提供實踐訓(xùn)練機會。

改傳統(tǒng)的“驗證性”教學(xué)模式為“體驗式”教學(xué)模式：傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式為驗證性教學(xué)模式，缺乏對學(xué)生動手能力及實踐能力的培養(yǎng)；即便開設(shè)了部分操作實驗，也是數(shù)個同學(xué)一組，組內(nèi)大部分同學(xué)處于觀望狀態(tài)而沒有全程動手操作。利用虛擬仿真技術(shù)進行實踐教學(xué)改革，能夠把驗證性教學(xué)模式改變成人人參與的體驗式操作模式，培養(yǎng)學(xué)生的實操能力及解決實際問題的能力。

將碎片化的實驗教學(xué)內(nèi)容串聯(lián)為一個整體：實體實驗受時空及季節(jié)條件限制開展困難，或者只能開展部分實驗內(nèi)容，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)碎片化，無法形成完整的知識體系。虛擬仿真項目將實驗內(nèi)容整體化，讓學(xué)生能夠全面、系統(tǒng)地進行學(xué)習(xí)，提高他們分析及解決實際問題的能力。

延伸與拓展了實驗教學(xué)內(nèi)容：虛擬仿真實驗在傳統(tǒng)實驗教學(xué)的基礎(chǔ)上，增加了大量現(xiàn)代實驗技術(shù)方法及科研成果，比如單孢分離、濾紙片低溫干燥法保存真菌菌種等最新病理學(xué)專利技術(shù)，以及本校處于國際領(lǐng)先水平的科研成果——真菌病毒介導(dǎo)的“植物疫苗”防治病害等內(nèi)容。在豐富實驗教學(xué)內(nèi)容的同時，也拓展了學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的創(chuàng)新能力及高階思維。

解決實驗教學(xué)過程中的難點問題：真菌單孢分離實驗，需要在顯微鏡下進行連續(xù)操作，除了操作者本人外，其他人無法看到顯微鏡下的微觀圖像及操作過程，理解不了各個動作的操作要點。而虛擬仿真實驗可以對顯微鏡下的微觀圖像可視化，并且將瞬間操作過程進行分解，讓學(xué)生逐一掌握其中的要領(lǐng)。如圖5所示點擊左邊按鈕，實驗就會放大顯微鏡下的圖像以及高亮顯示需要操作的地方，學(xué)生可以全方位觀察了解操作過程并能夠獨立進行實驗操作。

助力2門國家級課程進行實踐教學(xué)改革：植物保護專業(yè)核心課程農(nóng)業(yè)植物病理學(xué)，基礎(chǔ)課程普通植物病理學(xué)都是國家精品資源共享課，兼國家一流本科線上課程。2門課程面向四川農(nóng)業(yè)大學(xué)、甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)等多所國內(nèi)農(nóng)業(yè)高校授課。遺憾的是2門課程都只有理論講解，缺乏實驗操作，無法對學(xué)生進行實踐能力培訓(xùn)。虛擬仿真實驗?zāi)軌驈浹a這個缺憾，助力2門課程實踐教學(xué)改革，達到理論與實踐完整結(jié)合的目的，為培養(yǎng)“具有創(chuàng)新精神，能解決生產(chǎn)實際問題”的植保專業(yè)人才而努力。

實現(xiàn)優(yōu)秀實驗教學(xué)資源開放共享：本虛擬仿真實驗教學(xué)項目自2020年上線以來，不僅本校，西南大學(xué)、甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)、四川農(nóng)業(yè)大學(xué)等高校也利用來開展實驗教學(xué)，目前2個項目使用超過2萬人次。而且不僅本科生，病理相關(guān)課程的研究生、博士生也利用來開展科研實驗，實現(xiàn)了優(yōu)秀實驗教學(xué)資源的開放共享。

4 "結(jié)束語

病理學(xué)實驗教學(xué)利用虛擬仿真技術(shù)進行實踐教學(xué)改革，讓過去因為占地多，受時空、成本、污染、偶然發(fā)生和危險等因素限制而無法開展的實驗教學(xué)項目成為可能，從而突破現(xiàn)實教學(xué)的限制為學(xué)生提供實踐技能訓(xùn)練機會。此外，虛擬仿真技術(shù)還能有效解決實驗過程中的難點問題，融入科研成果拓展實驗教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，從而開拓學(xué)生視野，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力和解決實際問題的能力，為卓越農(nóng)林人才培養(yǎng)和深化教學(xué)改革開辟一條新的途徑。

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