构建虚拟仿真实验室促进农学创新人才培养

2019-02-17刘乔斐杨松杰

设备管理与维修 2019年5期

刘乔斐，杨松杰

（安康学院现代农业与生物科技学院，陕西安康 725000）

0 引言

虚拟仿真实验室（Virtual Lab）自1989年由美国佛吉尼亚大学威廉·沃尔夫教授首次提出以来，在世界范围内得到迅速发展[1]。目前，美国、英国、加拿大、澳大利亚、西班牙、新西兰和印度等国多所高校已建立虚拟仿真实验室，致力于构建覆盖全国的虚拟仿真实验网络平台[2]。随着信息产业的不断发展，教育信息化受到党中央、国务院的高度重视。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》指出教育信息化是改革教育理念和模式的深刻变革，是促进教育公平、提高教育质量的有效手段，是建设学习型社会的必由之路[3]。教育部高等教育司于2013—2015年连续发文，要求每年建立百所国家级虚拟仿真实验室。截止2016年全国已建立300所国家级虚拟仿真实验教学中心。在部属高校的带动下，各地方院校也积极开展虚拟仿真实验室的建设工作。

1 虚拟仿真实验室概述

1.1 虚拟仿真实验室的内涵

虚拟仿真实验室是依托虚拟现实、人机交互、多媒体、数据库和网络技术等，用于构建高度仿真的虚拟实验环境和实验场景[4]。在虚拟实验条件下，学生可自主开展虚拟实验，选择实验对象，改变控制因子，观察不同实验结果并进行结果诊断分析，撰写实验报告等过程，以满足教学大纲的要求。虚拟仿真实验的开展离不开虚拟仿真资源的开发。虚拟仿真资源指可以被利用的各种显在的或隐在的条件和要素，一般包括仿真模型、仿真数据、仿真软件和仿真平台等4部分，涉及一切可以利用的基础设施和软件设备[5]。

1.2 虚拟仿真实验室的特点

（1）高仿真性和智能化。在虚拟实验情境中，由虚拟仿真实验室提供的一切器材都具有高仿真性并且具有智能化设置功能，学生可以像现实实验环境一样开展模拟实验，自主操作，观察实验现象。

（2）直观性和开放性。虚拟仿真实验可通过动画演示的方式对一些抽象概念进行形象展示，弥补传统实验教学的不足，加强学生对抽象概念的理解，促进教学效果的提高，并且能够打破时间和空间限制，用户可随时登陆界面进入虚拟实验平台[6]。

（3）安全性和抗干扰性。传统实验中一些具有毒副作用或危险性较高的实验难以开展，虚拟仿真实验能够克服不利因素开展模拟实验，加深学生对知识的理解[6]。另外，虚拟仿真实验还可以避免由于仪器故障、接触不良等因素导致的实验无法按时开展的情况，具备一定的抗干扰性。

（4）经济性。虚拟仿真实验室可以有效避免仪器老化、损坏、折旧等问题，能够满足用户反复使用的要求，因此可节约教学经费，降低实验成本[6]。

2 地方本科院校农学专业开展虚拟仿真实验室的必要性

地方本科院校是我国高等教育大众化的主力军，约占全国本科院校的90%。建设高等教育强国，必须做强地方本科院校。潘懋元先生将地方本科院校界定为以行业性为主导，以专业性为主线，以应用型为主体，以本科为主流，以实践性为主载，培养面向社会一线的应用型高级专门人才[7]。随着创新型国家的号召和创新创业教育的发展，许多高校大力推进创新创业教育建设工作，一些地方本科院校提出了具有行业特色的应用型创新人才培养目标。对于理工农学专业学生来说，实验教学是复习、巩固、加深和拓展理论知识的重要途径，是培养学生动手能力、实践综合能力和创新思维的重要环节。我国多数地方本科院校面临办学经费紧张、师资力量缺乏、实验条件不足等问题，无法满足学生所有的实验项目，极大影响了人才培养的质量[8]。

农学是最悠久的本科专业之一，农学专业实验课程在其课程体系中占据非常重要的地位。农学类作物生产实验课具有很强的季节性、地域性、综合性和持续性的特点，研究对象为复杂的生物有机体，要求具有充足的实验时间、空间和复杂多元的实验条件。传统的实验教学由于时间、空间和资源的限制，难以满足长时间、大尺度、复杂性的实验实训需求。农学专业实验实训亟需利用现代教育信息技术开展相应的虚拟仿真实验平台，与农作物实物、生态实景等相关实验结合起来，相互补充，弥补真实实验教学的不足，改善农学专业实验教学效果。因此，在地方本科院校农学专业中开展虚拟仿真实验室非常有必要。

3 地方本科院校农学专业建设虚拟仿真实验室的路径分析

安康学院坐落于秦巴山区腹地陕西省南部城市安康市，前身是安康师范专科学校，2006年经教育部批准升为本科院校。作为新建地方本科院校，安康学院有办学经费紧张、底子薄、社会认可度不高、师资力量薄弱、学生生源质量不高等问题。学校确立以“服务‘三农’、服务区域经济社会发展”为办学方针，实施适应于秦巴区域特色的应用型创新人才培养目标。农学专业是安康学院重点建设专业之一，于2017年10月入选陕西省省级一流专业建设名单。由于山区地理位置的限制和学校总体办学现状的影响，安康学院农学专业在发展过程中遇到很多问题，其中，最突出的问题是学院实验室建设水平远远落后于学科发展需求。随着省一流专业建设工作的推进，安康学院亟需开展农学专业虚拟仿真实验室建设工作，提高农学人才培养质量。安康学院农学专业虚拟仿真实验室的建设路径可以从4个方面展开。

3.1 紧跟教育信息化发展政策，拓宽实验室建设思路

教育部相关文件要求本科实验教学必须以学生为本，树立传授知识、培养能力、提高素质和协调发展的教育理念，以培养学生的动手能力和自主学习能力为核心，建立有利于培养创新能力的实验教学体系[9]。虚拟仿真实验室的建设应当坚持“科学规划、共享资源、重点突出、提高效益、持续发展”的指导思想，要充分反映出安康学院农学专业学科需求和特点，要有必要的人员保障，以全面提高学生创新思维和创业精神为宗旨，以共享优质实验教学资源为核心，以建设信息化实验教学平台为重点，分年度分批建设[9]。同时鼓励高水平教师积极投入到虚拟仿真实验室建设工作和教学中，推行理论教学和实验教学团队深度融合、密切交流，建立全面严谨的管理规章制度，保障虚拟仿真实验室建设的可行性、高效性和可持续性。

3.2 虚实结合，整合实验资源，完善现有实验教学体系

虚拟仿真实验室的建设应该充分体现“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，完善现有的实验平台，增加虚拟仿真实验项目，将真实实验项目和虚拟仿真实验项目有机结合起来，既让学生参与实际操作，又能弥补真实实验条件无法满足的虚拟实验环节。虚实结合能够提高实验教学效果，有利于培养学生实验探索能力和创新思维。比如在《作物栽培学》的魔芋高产栽培技术实验实训中，由于魔芋的生产周期长且其适生区位于中高山地区，从时间、人身安全和教学经费等方面考虑，教师都不可能带领学生到基地开展实验，虚拟仿真实验室就可以克服以上困难。学生在虚拟实验中通过动画演示和虚拟场景，可以很直观地了解魔芋栽培全过程，观察不同立地条件下魔芋生长动态和病虫害发生现象，加深对魔芋相关知识的理解。

3.3 推进校企合作，加强虚拟仿真实验软件的研发

由于信息专业技术人员的缺失和软件研发技术力量的限制，高等院校很难独立开发完整的虚拟仿真实验软件，因此，需要借助企业的力量联合开发虚拟仿真实验软件。虚拟仿真实验室建设需要学科专业人员和软件技术人员密切合作，借助企业的软件开发能力、售后服务能力，将软件资源的开发、更新、维护和服务等事项交给企业承担，实现校企高度融合，促进虚拟仿真实验室的良好发展[10]。此外，学校应鼓励实验室相关领导和教师积极参加国家虚拟仿真实验室建设工作会议，加强与其他高校的合作与交流，引进外校优质成熟的虚拟仿真实验软件。结合安康学院农学专业特色和实验室情况，通过与企业合作联合开发符合实际需求、特色鲜明的适合安康学院农学专业发展的虚拟仿真实验室软件。

3.4 加强虚拟仿真实验教学管理服务，提高农学专业创新人才培养质量

我国高校虚拟仿真实验室建设一般形成校长统一领导，主管院长和实验室主任两级管理，教师参与和监督的管理模式[9]。高校应从机构设置、经费保障、制度建设和信息管理等方面考虑，加强虚拟仿真实验室的建设和管理服务工作。安康学院农学专业的发展目标是培养适应秦巴山区农业经济特色的应用型创新人才。良好的实验室建设平台可以有效促进应用型创新人才培养质量的提高。因此，为了全面提高农学专业人才培养质量，安康学院应逐步形成以学生为根本，以教学实验为主体，不断提高实验室教师的整体水平，加快推进农学虚拟仿真实验室建设工作，加强虚拟仿真实验室教学管理服务水平，建立完善实验室管理体制和保障机制，鼓励教师对外学习和交流，为农学专业创新人才培养做好服务工作。