虚拟仿真技术在果树栽培学实验教学改革中的应用研究

邓英毅 屈啸 覃婵婵 彭杰椿 段承煜 覃富强

[摘 要] 现代高校创新创业应用型人才的培养离不开实验实践教学。果树栽培学的真实实验教学存在周期长、占地多、成本高、缺乏连续性与一致性等特点，所以虚拟仿真实验教学是深化果树栽培学实验教学改革的一个重要手段，通过对虚拟仿真技术在果树栽培学实验中的应用研究，探讨该技术在果树栽培学实验教学中应用的必要性，提出果树栽培学实验教学项目和教学共享平台的构建模式，不仅丰富果树栽培学实验教学内容，而且能够培养学生的实践创新能力，是推动应用型本科人才建设的一个重要手段。

[关 键 词] 虚拟仿真技术；果树栽培学实验；教学改革；应用研究

[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2019）01-0094-02

一、虚拟仿真技术在果树栽培学实验教学中应用的必要性

现代高校创新创业型应用型人才的培养离不开实验实践教学。果树栽培学实验教学是园艺学等专业学生需要掌握的一门专业实验技能课程，实践性强，所以，该门课程必须构建“实践认识、实践训练、实践创新”的实验实践教学体系，才能培养适应时代要求的拔尖园艺创新创业人才。在果树栽培学的真实实验教学中存在以下特点。

果树生长周期和生命周期长，很多果树都是一年才能完成从枝梢生长发育到开花结果的一个生长周期，完成一个生命周期需要几十年甚至上百年，真实的实验很难看到整个果树生长发育的动态过程。因此，学生在真实的实验教学中较难看到果树萌芽、抽梢等营养生长以及开花结果、果实和种子发育等生殖生长的整个连续循环过程，在有限的时间和地点内不能系统掌握果树的品种培育、育苗、建园、栽植、土肥水管理、采收、采后处理等动态过程。

果树栽培学的真实实验缺乏连续性与一致性，如某种果树的整形修剪实验，需要对该果树进行不同方式的整形修剪并观察其反应包括剪后枝梢的生长发育和开花结果情况、对树体通风透光性和果实品质等的影响，这需要一年甚至几年的时间，但真实实验的教学时间往往是1～2个学期，在有限的时间内学生较难看到整个修剪反应的连续性和一致性。

果树栽培学真实实验占地多，栽培和管理成本高，校内教学实验用地有限，果树种类和品种繁多、先进的栽培技术也多种多样。如果都栽植各种类和品种的果树以及实施不同类型的栽培技术则需要很大的土地面积，但大学的校内教学实验用地非常有限，在有限的实验实践教学基地内很难实现果树各个种类和优良品种的种植及实施各种先进栽培管理模式。另外，果树的栽植、土肥水管理、整形修剪、病虫害防治、采收等环节都需要大量的人力、物力，开展实验所需要的材料和管理成本非常高。

因此，在传统真实果树栽培学实验中存在周期长、占地多、成本高等特点，学生只能在限定的时间和地点，利用有限的实验材料和条件，完成特定的实验内容，甚至有些实验过程由于时间、场地、经费等条件的限制无法实际开展。

虚拟仿真（Virtual Reality）技术是采用先进计算机多媒体和图形处理技术进行模仿真实系统的技术，构建逼真的三维场景和人性化的交互操作系统。自1989年被美国William Wolf 教授首次提出后，国内很多高校陆续进行虚拟仿真实验平台的建设为实验实践教学改革提供了新思路。虚拟仿真技术在很多领域得到了应用，如电工电子、机械工程、材料科学与工程、计算机、制造业、化学工程等。在果树领域中张建瓴等采用pro/E实体造型技术，设计了一种果树仿形喷雾装置的虚拟样机并对喷雾作业过程进行了虚拟仿真；杜小强等设计了一种果品振动采收和小型侧翼折展式林果收集虚拟装置；胡秀珍等利用L系统建模进行了梨树质感模型三维可视化研究；王建超设计优化了悬挂式丘陵山地果园作业升降虚拟平台和装配。

但在高校果树栽培学实验教学实践中，虚拟仿真技术的应用还很少，目前还未见有相关研究报道。因此，为了全面提升学生的专业实践操作水平和能力，提高学生的创新能力，开展虚拟仿真技术在果树栽培学实验教学改革中的应用研究非常有必要。

二、果树栽培学虚拟仿真实验教学模式的构建

根据“虚实载体、对象和手段相结合”的理念，依托广西大学农学院的植物生产与调控虚拟仿真实验教学中心，利用CAD、3DMAX、Photoshop、SKetchup、JAVA和EAI等计算机软件和网络技术进行果树栽培学（南方）虚拟仿真实验项目的建模（图1），该模块主要由总论模块和各论模塊两大部分组成，每一部分又分别分为12个项目内容，可根据教学的学时数适当增减教学的项目内容。

果树栽培学虚拟仿真实验教学共享平台由十大部分组成（图2）：注册和登录界面、实验前的理论知识学习、实验教学展示和学生操作实践、互动交流与智能指导、实验报告撰写和提交、实验教学管理、实验教务管理、实验室开放预约管理、实验教学资源管理和信息反馈等。通过注册和登录界面，教师、学生和管理者可以设置相关信息并进入门户网站；通过系统里的理论知识学生可对实验进行预习；在实验过程中可通过逼真的展示教学、模拟操作、师生互动与智能指导提高教学的效果；学生可以通过系统中自动生成的知识撰写、提交实验报告，教师可在系统中批改实验报告和评定学生成绩；通过虚拟仿真实习学生可在系统中提出自己的感受和心得，根据反馈的意见不断进行修改完善；教务管理者也可以进入系统进行相应的管理。

三、果树栽培学虚拟仿真实验教学的实施及建议

果树栽培学内容庞杂、涉及的知识点多，实践性和应用性强，由于果树栽培受季节性、气候性和地域性等的限制，单靠传统教学不能达到理想的教学效果。利用虚拟仿真技术，可构建逼真的果树栽培学实验教学实践的虚拟场景，建立起来的果树栽培学虚拟实验软件和平台，对学生进行教学演示，通过学生个人操作实践、师生互动、实验体会和报告的撰写及实践结果考核等，检查各个模块的功能效应，并根据使用反馈的信息情况不断进行改进和优化，能确保最大限度地贴近教学实际，解决学生真实实验受到时间、空间、季节、天气、实验场地和实验成本等的制约所带来的问题，在虚拟的环境中学习、实践、锻炼，提高学生对果树栽培学实验实践教学环节中涉及的各项指标、参数以及操作过程中细节的理解，使学生在多媒体实验室就可以学到适应现代生产需要的果树栽培学实验实践技能，切身体会到果树栽培中的果树生长发育和栽培管理过程，使其有身临其境的感觉，可激发其学习的兴趣和提高其学习的积极性。将虚拟仿真技术引入果树栽培学实验教学中不断进行改革实践和探索，通过不同的途径和方法，可提高课堂教学质量和学生学习效率，使理性和实践有效结合，从而培养学生的实践创新能力，是推动应用型本科人才建设的一个重要手段。

参考文献：

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编辑 马燕萍