現(xiàn)代教學(xué)方法在種子實驗實踐類課程教學(xué)中的應(yīng)用前景分析

2018年教育部發(fā)布的《教育信息化2.0行動計劃》及2019年國務(wù)院印發(fā)的《中國教育現(xiàn)代化2035》等文件提出了信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的核心理念，明確了教育信息化是教育現(xiàn)代化的核心驅(qū)動力[1-2]。種子科學(xué)與工程專業(yè)開設(shè)的實驗課程是基于作物生產(chǎn)類專業(yè)核心課程，包括《種子加工與貯藏》《種子檢驗學(xué)》《種子生物學(xué)》等課程基礎(chǔ)之上的實驗課程。傳統(tǒng)的種子專業(yè)實驗課程授課方式主要為實驗講授結(jié)合實驗操作的模式。授課教師詳細講解和演示實驗的目的、原理和操作要點，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下完成實驗操作。這種授課模式容易導(dǎo)致學(xué)生在實驗過程中存在“依葫蘆畫瓢”的現(xiàn)象，全班同學(xué)基本提交一份相似的實驗報告。另一個問題是教師在演示過程中，無法保證每個學(xué)生都能清楚和完整地觀看教師演示的全過程，從而導(dǎo)致部分學(xué)生難以理解和掌握實驗過程中的細節(jié)和注意事項。

《專業(yè)實踐》是面向農(nóng)學(xué)院農(nóng)學(xué)專業(yè)、農(nóng)村區(qū)域發(fā)展專業(yè)、種子科學(xué)與工程專業(yè)二年級學(xué)生的實踐課程。學(xué)生在學(xué)習(xí)農(nóng)學(xué)相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，通過具體的田間實踐，包括作物主要生育時期外部形態(tài)特征識別、作物常見病蟲害癥狀與基本防治、田間主要雜草識別和防治、作物理論產(chǎn)量和實際產(chǎn)量測定等內(nèi)容，為將來從事農(nóng)業(yè)科研、推廣和管理及其他相關(guān)行業(yè)工作打下堅實的思想和實踐基礎(chǔ)。《專業(yè)實踐》的課程實施主要是理論教學(xué)結(jié)合現(xiàn)場教學(xué)，教師首先對學(xué)生進行理論指導(dǎo)，然后現(xiàn)場在田間地頭進行操作教學(xué)，邊講解邊實踐。傳統(tǒng)的《專業(yè)實踐》課程教學(xué)限制因素較多，其中包括季節(jié)、地域和持續(xù)時間長等特點。研究對象為當季田間栽培的作物，實踐教學(xué)過程中要求具有充足的實驗時間、空間和復(fù)雜多元的實驗條件。

2020年新冠肺炎疫情暴發(fā)初期，揚州大學(xué)按照教育部和學(xué)校的相關(guān)要求，共有1948名專業(yè)教師通過雨課堂、釘釘以及揚州大學(xué)在線教育綜合平臺開展線上教學(xué)。但是，線上教學(xué)主要開展的是理論課程學(xué)習(xí)，對于專業(yè)的實驗、實踐課程，大多是在疫情結(jié)束學(xué)生返校后由學(xué)院組織教師補教相應(yīng)的實驗課程。在此背景下，利用現(xiàn)代教育信息技術(shù)融合農(nóng)學(xué)專業(yè)的實驗與實踐課程，開展相應(yīng)的虛擬仿真、物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺的任務(wù)尤為緊迫。

1虛擬仿真實驗教學(xué)體系構(gòu)建

傳統(tǒng)線上教學(xué)模式存在實驗資源接觸受限的弊端，難以滿足學(xué)生實體實驗設(shè)備操作需求。基于虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建的數(shù)字化實驗平臺創(chuàng)新性地解決了這一教學(xué)痛點，其三維交互式操作界面不僅突破空間限制，實現(xiàn)多視角全景化實驗演示，更內(nèi)置智能教學(xué)輔助系統(tǒng)。該平臺具備雙重教學(xué)功能：其一，通過實時動作捕捉與算法分析，對操作偏差進行即時糾錯提示;其二，依托大數(shù)據(jù)技術(shù)自動生成個性化學(xué)習(xí)檔案，記錄操作軌跡并構(gòu)建錯題數(shù)據(jù)庫，為師生提供精準的教學(xué)反饋。這種虛實融合的教學(xué)模式既保持了傳統(tǒng)實驗的實踐特性，又實現(xiàn)了教學(xué)數(shù)據(jù)的全流程可追溯，顯著提升了實驗教學(xué)質(zhì)量。

2智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)系統(tǒng)

在農(nóng)業(yè)實踐教學(xué)領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了多維度的智慧教學(xué)場景。依托分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)可實時采集溫室大棚、農(nóng)田等場景的環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度、氣體濃度）及作物生理指標，形成動態(tài)數(shù)據(jù)圖譜。學(xué)生通過中央控制系統(tǒng)可遠程調(diào)控灌溉、溫控等設(shè)備參數(shù)，在虛擬操作界面完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全流程模擬。教學(xué)系統(tǒng)特別設(shè)置分階段考核模塊，要求每位學(xué)習(xí)者獨立完成從環(huán)境調(diào)控到數(shù)據(jù)分析的完整鏈路，這種項目式教學(xué)模式有效實現(xiàn)了《種子學(xué)實驗》與《專業(yè)實踐》的課程融通。通過將離散的田間操作轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)化的生產(chǎn)實踐，顯著增強了學(xué)生的技術(shù)應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維。

技術(shù)融合方面，虛擬仿真與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合催生了農(nóng)業(yè)教育新模態(tài)。通過將農(nóng)作物生長模型與生態(tài)環(huán)境參數(shù)動態(tài)關(guān)聯(lián)，構(gòu)建出可交互的虛擬栽培系統(tǒng)。學(xué)習(xí)者既能觀察微觀細胞分裂過程，又能宏觀調(diào)控田間管理參數(shù)，這種多尺度融合的教學(xué)設(shè)計有效提升了農(nóng)學(xué)專業(yè)人才的系統(tǒng)思維能力。

3元宇宙教育生態(tài)構(gòu)建

元宇宙技術(shù)集群（VR/AR/MR、5G、人工智能等）正在重塑教育空間形態(tài)，構(gòu)建出“數(shù)字孿生”教育新范式。該技術(shù)體系通過多模態(tài)交互設(shè)備（視覺頭盔、觸覺反饋裝置等）營造深度沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境，將知識傳遞的延遲度降低至毫秒級。其核心價值體現(xiàn)在3個方面：首先，實現(xiàn)對現(xiàn)實教學(xué)場景的鏡像復(fù)刻與超現(xiàn)實擴展；其次，構(gòu)建“具身認知”學(xué)習(xí)場域，使抽象概念可通過三維建模可視化呈現(xiàn)；最后，形成開放式的創(chuàng)作空間，支持師生協(xié)同進行虛擬實驗裝置創(chuàng)新。這種虛實交融的教育生態(tài)不僅突破傳統(tǒng)課堂的物理邊界，更實現(xiàn)了“認知具象化一實踐虛擬化一創(chuàng)新可視化”的教學(xué)閉環(huán)，為教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了新的實施路徑。

元宇宙教育將帶來未來教育場景和工具，以及教育資源分配的革命。元宇宙在諸如職業(yè)教育、科學(xué)教育、兒童教育等領(lǐng)域存在廣泛的應(yīng)用場景，為跨學(xué)科、跨區(qū)域、即時共享的教育提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)，同時還可以解決困擾教育界多年的教育資源分配不均衡的問題。另外，元宇宙將使教育場景發(fā)生重大的改變，“元宇宙 + 教育”融合發(fā)展，將增強學(xué)生的教學(xué)體驗，為師生提供更具沉浸感的場景。師生不再需要等待作物漫長的生長周期，就可以在短時間內(nèi)沉浸式觀察作物的一生。

4教育主體關(guān)系重構(gòu)與教學(xué)范式轉(zhuǎn)型

元宇宙技術(shù)正在引發(fā)教育關(guān)系的結(jié)構(gòu)性變革，其核心特征體現(xiàn)在3個維度：其一，教學(xué)主客體關(guān)系從單向傳遞轉(zhuǎn)向多維交互，教師角色轉(zhuǎn)型為學(xué)習(xí)生態(tài)構(gòu)建者；其二，學(xué)習(xí)空間完成從物理場所向虛實共生場域的躍遷；其三，認知建構(gòu)方式突破傳統(tǒng)經(jīng)驗局限，形成具身認知與數(shù)字孿生相結(jié)合的新型知識獲取路徑。這種變革推動教育效率產(chǎn)生指數(shù)級提升，具體表現(xiàn)如下。

4.1全息化教學(xué)空間重構(gòu)基于混合現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的元宇宙課堂，通過全息影像交互系統(tǒng)實現(xiàn)教學(xué)場景的拓撲延伸。教師可同步面向物理空間學(xué)習(xí)者與虛擬空間參與者開展教學(xué)活動，兩類群體通過智能終端實現(xiàn)多模態(tài)交互。特別值得關(guān)注的是，異地學(xué)習(xí)者不僅可獲取與現(xiàn)場等同的臨場體驗，其數(shù)字化身更能通過空間定位算法融入實體課堂的互動網(wǎng)絡(luò)[3]。這種去邊界化的教學(xué)組織方式，使得優(yōu)質(zhì)教育資源輻射半徑突破地理限制，形成“單點示范—全域共享”的創(chuàng)新傳播模式。

4.2超現(xiàn)實實驗教學(xué)創(chuàng)新元宇宙實驗教學(xué)系統(tǒng)通過數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建出具有時空延展性的虛擬實驗室。以農(nóng)學(xué)專業(yè)核心課程為例：在《專業(yè)實踐》課程的雜草識別模塊，學(xué)習(xí)者可通過環(huán)境模擬引擎同步參與不同氣候區(qū)的田間實踐；在《作物育種學(xué)》實驗中，雜交操作的微觀機理可通過分子級可視化系統(tǒng)多維度呈現(xiàn)。這種虛實互嵌的教學(xué)設(shè)計，既保留了真實實驗的具象特征，又突破了物質(zhì)條件的約束，實現(xiàn)“教學(xué)做合一”理念的數(shù)字化升級。

4.3認知科學(xué)范式突破元宇宙教育生態(tài)正在催生認知革命的第三路徑一一沉浸式認知建構(gòu)。相較于傳統(tǒng)實驗的實證認知與數(shù)學(xué)建模的抽象認知，基于XR技術(shù)的具身認知系統(tǒng)允許學(xué)習(xí)者通過多感官通道直接“觸摸”知識本體。這種認知方式變革在農(nóng)學(xué)教育領(lǐng)域具有特殊價值：當研究作物光合作用機制時，學(xué)習(xí)者可進入葉綠體三維模型觀察電子傳遞鏈；分析土壤微生物群落時，能夠以第一視角參與物質(zhì)代謝過程。教育神經(jīng)科學(xué)研究表明，這種多模態(tài)感知協(xié)同的認知方式，可使知識保持率提升 40% 以上。

5分布式協(xié)作教學(xué)范式創(chuàng)新

教育形態(tài)演進正沿著“去中心化一再組織化”的路徑發(fā)展，形成以學(xué)習(xí)者為主體的分布式協(xié)作模式。這種新型教學(xué)范式具有3個顯著特征：首先，教學(xué)活動從線性知識傳輸轉(zhuǎn)向網(wǎng)狀認知建構(gòu)；其次，評價體系從結(jié)果導(dǎo)向轉(zhuǎn)為過程性能力認證；最后，師生關(guān)系重構(gòu)為學(xué)習(xí)共同體中的平等節(jié)點。典型案例可見于農(nóng)學(xué)專題研討課程：教師通過虛擬白板發(fā)布作物遺傳改良議題，學(xué)習(xí)者根據(jù)興趣自主組建跨地域研究小組。各小組利用數(shù)字孿生平臺構(gòu)建基因編輯實驗?zāi)Ｐ停ㄟ^云端協(xié)作完成從性狀分析到模擬育種的完整流程。教師角色轉(zhuǎn)型為學(xué)習(xí)腳手架設(shè)計者，主要提供認知工具包和思維方法論。評估系統(tǒng)則通過區(qū)塊鏈技術(shù)記錄每個成員的知識貢獻度，形成可溯源的分布式學(xué)習(xí)檔案。這種教學(xué)創(chuàng)新使學(xué)生的批判性思維指數(shù)提升 35% ，團隊協(xié)作效能提高28%[4]。

值得關(guān)注的是，元宇宙教育新基建的推進需要同步構(gòu)建三大支撐體系：一是建設(shè)教育專用數(shù)字孿生云平臺，二是開發(fā)學(xué)科特異性認知增強工具，三是建立虛實融合的教學(xué)質(zhì)量評估標準。只有實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新與教育規(guī)律的深度耦合，才能真正釋放智能時代的教育變革潛能。近期，哈佛大學(xué)工程和應(yīng)用科學(xué)院正在嘗試一種新的教學(xué)方式，這種教學(xué)方式是上述研討式教學(xué)的升級，其教師傳授知識的方式不再以現(xiàn)場教學(xué)面對面的單向教授為主，而是錯開時間進行。比如單向的教學(xué)可以提前錄制，學(xué)生可以在宿舍、圖書館通過觀看教師提前錄制的視頻來學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)視頻過程中如果遇到不懂的問題可以看回放，可以網(wǎng)絡(luò)查詢。教師跟學(xué)生在一起的時候更多的是解決問題以及討論問題。學(xué)生可以分成小組共同協(xié)作，教師可以幫助每一個小組的學(xué)生解決問題，而機械的知識傳播過程都由學(xué)生在自由時間來完成[5。韓愈的《師說》中曾講過“師者，所以傳道授業(yè)解惑也”，先前的教學(xué)方式更多注重傳授知識，而現(xiàn)在或者未來的教學(xué)方式應(yīng)該通過這種“零課堂”的教學(xué)方式，釋放學(xué)生的創(chuàng)造性思維，發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。現(xiàn)代教學(xué)方法與教學(xué)手段在種子科學(xué)與工程專業(yè)的實驗實踐類課程教學(xué)中的應(yīng)用前景分析總結(jié)為圖1。

圖1現(xiàn)代教學(xué)方法與教學(xué)手段的應(yīng)用前景分析

目前大多數(shù)高校仍是采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，嚴重忽視了學(xué)生的主體作用，制約了學(xué)生自身的主動性，不利于發(fā)展學(xué)生的獨立思考、分析以及解決問題的能力。新冠肺炎疫情加速了高校“信息化”的發(fā)展，同時對傳統(tǒng)的教學(xué)方式提出了挑戰(zhàn)。虛擬仿真技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)教學(xué)方式，推進了教學(xué)改革，以教育技術(shù)的變革帶動了教育內(nèi)容的更新。未來元宇宙教育將重新定義在線教育的發(fā)生空間，變革在線教育的教學(xué)模式和評價方式，支持學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)和全面發(fā)展。美國哈佛大學(xué)獨特的“零課堂”教學(xué)方法的改革，再次為我們提供了新的啟示，未來的教學(xué)要注重學(xué)生的主體地位，注重學(xué)生的自主性、互動性和廣泛的參與性。

參考文獻

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（收稿日期：2025-03-25）