3D虚拟仿真技术在高校“动物生产学”教学中的应用与实践

廉红霞 王林枫 付彤 李改英

[摘 要] 为提高学生培养质量，基于动物科学专业“动物生产学”课程的特点，通过3D虚拟仿真技术这一现代科技手段构建教学新系统、建立动物生产学虚拟实验室、构建新的学习评价系统。从而改善教学模式，丰富教学内容，改进教学效果。

[关键词] 3D虚拟仿真技术;动物生产学;教学模式;信息化教学

[基金项目] 2019年河南省教育科学“十三五”规划课题“3D虚拟仿真技术在高校动物生产教学中的应用研究”（[2019]-JKGHYB-0039）;2018年河南省教育科学“十三五”规划课题“互联网背景下企业可视化信息共享平台在高校动物生产教学中的应用研究”（〔2018〕-JKGHYB-0033）

[作者简介] 廉红霞（1977—），女，河南焦作人，博士，硕士研究生导师，河南农业大学副教授，主要从事反刍动物营养研究;王林枫（1968—），男，河南汝阳人，博士，硕士研究生导师，河南农业大学副教授，主要从事反刍动物营养研究;付 彤（1976—），男，河南辉县人，博士，硕士研究生导师，河南农业大学副教授（通信作者），主要从事反刍动物饲料与营养研究。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）40-0258-02    [收稿日期] 2020-04-06

教育强国是中华民族伟大复兴的基础工程，必须把教育事业放在优先位置，加快教育现代化。动物生产学是农业高校动物科学专业的核心课程，实验课具有很强的实践性和应用性，是动物生产学的重要组成部分，是培養学生动手能力和良好素质的有力手段[1]，在教学内容和教学方法上都有很高的要求。目前国内各院校动物生产学实验教学普遍得不到重视[2]，经过多年对动物生产学的实践教学的改革探索，提出将3D虚拟仿真技术应用于高校动物生产学教学与实践。

一、3D虚拟仿真技术的发展及应用

教育部颁布的《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》提到，推动信息技术与高等教育深度融合，创新人才培养模式，高校教学信息化的创建成为现代教育事业发展的全新趋势[3]。教学信息化能够有效实现教学资源及管理工作数字化、网络化及信息化。随着现代科技的迅猛发展，不断涌现出各种新的教学手段，虚拟仿真技术是近几年来国内外科技界关注的一个热点，它的兴起，为人工智能的发展开创了新的研究和发展领域，虚拟仿真技术已广泛应用于航空航天、医学实习、军事训练、建筑设计、教育培训等众多领域。

2013年教育部印发了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》，其主要目的在于提高实验教学水平，深化教学知识体系的融合，突破实验教学中成本高、周期长，时空局限等多种因素的限制[4]。虚拟仿真技术的应用，可以提高学生思维的灵活性和跳跃性，培养学生自主学习能力和实践能力。虚拟仿真技术教学综合运用了虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库以及网络通信等多种高科技技术，通过虚拟技术模拟现实世界构建一个真实可视化的实验操作环境和实验对象，形成了一个优于传统教学方法的实验教学平台，使学生能在虚拟、开放、自主的实验环境中开展高效、经济的实验，实现了在真实实验情况下不具备的教学效果[5，6]。

二、“动物生产学”引入3D虚拟仿真技术的必要性

在教育与技术飞跃发展的今天，在课堂讲授过程中合理地运用实验的教学方法能很好地弥补传统教学方法的不足。《动物生产学》作为农业大学动物科学专业学生必修课，具有很强的实践性和应用性，是课程体系的重要组成部分。然而，由于认识不足和条件所限，学生在校学习的仅仅是理论，并没有真正接触生产实践，对生产实践的认识只是停留在课本的概念上，难以对真正的动物生产形成完整的概念，影响了教学效果。虚拟现实仿真平台，具有强大的实时功能，能够真实模拟生产过程，提供多种交互手段。将3D虚拟仿真技术引入“动物生产学”教学，运用实验手段提高课堂教学的有效性，为理论教学带来仿真手段和技术实现水平的革命性进步。

将虚拟仿真教学技术引入“动物生产学”理论与实验教学，与传统的教学手段相互补充，有效地为学生提供更加接近真实的学习环境，激发学生的学习兴趣，有效提高教学效果和质量。虚拟仿真技术的应用对于营造创新型人才培养环境，激发学生学习动力等方面意义重大。使抽象枯燥的课堂理论教学结合生动的实际生产过程，让学生在快乐中学习知识，增强教学效果，提高学生的素质。将为高校提供低成本、高效率的教学实验手段，为本科教育带来了全新的教学理念和教学模式。

三、“动物生产学”3D虚拟仿真技术教学体系的构建

“动物生产学”教学体系中3D虚拟仿真技术的构建如上图所示，具体包括如下三个方面。

（一）构建理论教学新系统

在大学的多媒体教室，教师在讲解动物生产理论课时，遇到不易描述的细节内容，可通过互联网调出动物生产企业生产和管理的视频信息，有针对性地形象解释其结构、功能、运行等具体细节。使远程和近程“合体”，理论和实践“结合”，抽象与具体“相融”，构建“全息”教学系统，加快学生的理解，增强课堂教学的效果。

（二）建立动物生产学虚拟实验室

对具有一定规模、复杂及高消耗的实验;概率较低、偶然接触到的内容;复杂事物的变化过程，及一些危险实验的反应过程构建以计算机仿真技术为主的生物仿真引擎、仿真数据库、虚拟实验环境界面和网络化硬件平台等几部分组成动物生产学虚拟实验室，应用于动物生产学实验教学，包括：（1）建立动物生产企业虚拟环境界面，让学生对养殖场整个生产过程、操作过程有详尽的学习，开展场区设计、群体周转计划制定、生产成本核算等综合实验。（2）构建动物生产仿真数据库，完成整个生产期的周转计划。（3）建立生物仿真引擎，开展动物的发情鉴定、人工授精、胚胎发育等仿真实验。（4）构建动物生产的营养摄入、生理指标及生产性能等仿真数据库，综合分析，完成生产的预警系统及营养诊断。

（三）构建学习评价系统

利用3D虚拟技术平台对学生的学习过程、操作过程、考试等进行分析与评价，并将学生的学习成果利用3D虚拟平台展示出来。

四、3D虚拟仿真技术在“动物生产学”教学体系中的应用效果

3D虚拟现实技术可将动物生产中长期、复杂或微观的场景进行虚拟展示和虚拟复原，从而使生产脱离地域限制，实现资源共享。亦可与动物生产过程、微观实验操作进行完美的结合。利用虚拟现实技术把枯燥的理论变为鲜活的图形，使学生可交互式参与，引发学生浓厚的兴趣，从而达到理论联系实际的目的。可见，本研究主张采取的“理论讲解+实际场景”的视频信号是典型的复合型信号，伴随有文字、声音、颜色、动作等多种信息，在大脑形成的印象会更深、更久，增强教学效果。

参考文献

[1]刘安芳，肖文川，王飞，等.论四阶段教学法在《动物生产学》中的应用[J].四川畜牧兽医学院学报，2006，16（2）：73-76.

[2]李淑红，王京仁，成钢，等.专题式教学结合网络多媒体在《动物生产学》教学中的应用[J].家畜生态学报，2013，34（3）：94-96.

[3]教育信息化十年发展规划（2011-2020年）[EB/OL].（2012-03-13）[2018-11-25].http：//www.moe.gov.cn/ewebeditor/uploadfile/2012/03/29/20120329140800968.doc.

[4]关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知（教高司函〔2013〕94号）[EB/OL].（2013-08-13）http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/A08_gggs/A08_sjhj/201308/t20130821_156121.html

[5]李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设，提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32（11）：5-8.

[6]许丽，王鸿鹏，刘觉晓，等.面向虚拟仿真实验教学的高校公共实验室研究[J].实验技术与管理，2019（11）：262-265，269.