杂交水稻种子生产虚拟仿真实验项目的设计与应用

徐俊英 杨隆维 李志新 邱先进 张文英

(长江大学农学院，湖北 荆州 434025)

杂交水稻种子生产是一项系统工程，由制种基地的选择、父母本播差期的确定、播种、移栽、花期预测和调节、田间去杂和收获等一系列环节组成，整个过程历时6～8个月，且操作环境复杂、难度大、成本高。对于农学等专业的学生而言，难以在有限的学习时间内完成杂交水稻种子生产技术的全部实践内容。开展杂交水稻种子生产虚拟仿真实验教学，不仅逼真地展示杂交水稻的种子生产全过程，降低教学成本、缩短学习时间、规避操作风险，而且可以通过人机互动、多次练习，达到了设立该实验课程要求的认知与实践教学效果[1]。新教育教学手段的引入，极大地提高了学生学习兴趣和效率。同时，虚拟仿真实验教学项目在新时代的背景下以其独特的优越性，越来越多的被应用于教学实践过程中，并取得了非常好的效果[2,3]。

1 实验简介

杂交水稻种子生产内容是高等院校农学、种子工程与科学、植物学等专业必修的实验课程之一，同时也是有水稻种子业务的种业公司新员工培训的必须内容。由于受到课时和实验条件的限制，学生在实地教学中主要是采用参观等进行实验操作，缺乏对杂交水稻种子生产技术系统性的认识。杂交水稻种子生产虚拟仿真实验项目利用现代信息化技术，虚实互补的情景再现了种子生产全过程。对实际教学中无法实施的内容采用虚拟仿真形式表现出来，模拟仿真杂交水稻种子生产所必须的实验环境(包括制种基地的选择、平整苗田、授粉和收获)及大型仪器设备(包括人工气候箱、联合收割机、无人机等)，具体涵盖5大知识点：要求学生学会父母本播差期的确定，在实验中，学生计算后系统会提示正确与否，如果回答错误，实验结果会反馈出来，实验无法继续进行；根据实际生产，学生模拟父母本移栽，设置合理的行比，并适时跟踪；花期相遇是关系杂交水稻种子生产能否成功的关键，本实验模拟了幼穗发育的8个时期，通过剥检幼穗预测父母本花期是否相遇，并要求学生进行模拟剥检，作出正确的判断；作出幼穗发育时期正确的判断，根据水稻发育进程进行激素和肥料调节，保证父母本花期相遇，异交结实；模拟人工辅助授粉。学生通过虚拟实验，在线进行父母本播差期确定、播种、移栽、花期预测与调节等实验操作，并适时对实验结果进行反馈，可以有效解决实地教学过程中的局限性，为《作物育种学》、《作物栽培学》和《种子生产学》等课程的实验开展提供有效的在线辅助。

2 实验项目设计

2.1 进入实验项目

杂交水稻种子生产虚拟仿真实验教学平台打开后的环境界面出现教学模式和考核模式，见图2a，点击“教学模式”模块，进入学生预习知识点界面，要求学生掌握实验目的、实验原理、各环节的作用、相关技术操作的注意事项，明确开展杂交水稻种子生产虚拟仿真实验的重要性。

2.2 实验项目操作环节

实验操作环节在系统教学和农业生产实践相结合的基础上，包括了播种期、田间生长期和成熟期3大模块，具体涵盖了杂交水稻种子生产的关键10个步骤，见图1。

图1 杂交水稻种子生产实验虚拟仿真项目结构示意图

2.2.1 苗床准备

学生点击苗床准备，界面进入苗田，人机互作分为2个环节：学生通过点击鼠标左键，将水管接入机井上，动作完成，得分，没有按规定完成，考核中做扣分处理；设置虚拟拖拉机，通过设置按钮调整机器行驶方向，完成平整苗田。

2.2.2 父母本播差期确定

在生产实践中，父母本播差期计算是关系杂交水稻种子生产能否成功的关键技术之一，也是保证父母本花期理想相遇的基础。本虚拟实验项目通过互动形式向学生介绍了3种常用方法的基本原理和计算方法，即时差法、叶差法和有效积温法。实验设计中，以长江大学自育水稻品种“长农优982”为例，将科研成果应用于教学资源，根据前期积累的科研数据，系统给出参考数值，要求学生会准确应用3种方法进行计算。计算正确实验顺利进行，见图2b，计算错误系统做扣分处理。

2.2.3 种子处理

系统建设了一个虚拟实验室，全过程动画模拟种子处理的3个过程，晒种、浸种和催芽，并进行模型还原出种子播种前发芽的情况，见图2c。学生可以通过点击种子模型，360°观察种子的标准发芽，适时播种。

2.2.4 播种

种子处理完成后，进行人工撒播种子。系统设置一个闪光点，根据键盘所指操作，进行人工撒播。种子均匀地撒在厢面上。为了使学生更加形象地理解水稻秧田的管理，系统设置了人工施肥和打药的动作。

2.2.5 父母本群体结构的建立

当实验培育足蘖壮秧完成后(给出秧苗模型)，根据参数系统设置指示，学生走道指示处开始进行移栽；系统设置一个虚拟秧筐，学生通过点击秧筐栽插秧苗，给出父母本移栽后的虚拟场景，实验中在右下角设置了3个按钮(施肥、打药和除杂)，学生根据实验需要，在特定时期进行相关操作；实验虚拟设置了几株不同于父母本的杂株，要求学生学会鉴别并通过点击除杂按钮进行拔除，这时系统会给出提示。

2.2.6 花期预测

前面步骤的操作，使学生明白确保父母本花期相遇的技术是杂交水稻种子生产的核心技术。本实验通过幼穗剥检法预测花期，教师向学生介绍水稻幼穗分化8个时期的特征，见图2d，要求学生从幼穗分化期开始，每隔3～5d剥查1次，虚拟模型展示出不同时期的幼穗分化情况。最后提问学生根据其幼穗剥检程度(给出分化时期特写)，判断父母本花期是否相遇。

图2 “杂交水稻种子生产”虚拟仿真实验界面

2.2.7 花期调节

通过花期预测发现，父母本花期可能无法理想相遇，则需要尽早进行调节，见图2d，系统给出2种调节措施：肥料调节，学生通过点击肥料进行配比，对水稻进行施肥；激素调节，学生通过点击激素配制，进行喷洒。这个过程中，还需使学生清楚生产中使用的还有其它调节措施，用文字图片形式表现出来。同时说明生产中由于各种原因导致父母本生育进程相差太大无法调节成功，从而影响杂交水稻种子生产，甚至颗粒无收无法弥补。进一步说明虚拟仿真操作的可重复性。

2.2.8 授粉

父母本花期理想相遇后，进入到授粉环节，这是决定杂交水稻种子产量的关键因素。实验中使用动画形式表现出来常用的人工授粉有2种形式，人工竹竿赶粉和拉绳授粉。同时用视频的形式展示大面积生产中采用的机械授粉，见图2e。学生通过观看学习后掌握了生产中小面积和大面积种子生产的授粉方式。

2.2.9 人工割除父本

种子成熟后，先收获父本种子，是保障种子纯度的重要步骤，实验设置按钮，学生点击可以使用镰刀割除父本，见图2f。

2.2.10 机械收获杂交水稻种子

系统用视频的形式展示生产上大面积机械收获的场景。

3 实验效果及考核评价

学生完成实验后点击完成，系统自动计算实验成绩，进入到实验报告模块，学生填写杂交水稻种子虚拟仿真实验的问题和实验心得，自动生成实验报告，系统自动给出分数。

杂交水稻种子生产虚拟仿真实验项目从了解实验目的、实验原理、知识点学习、实验操作、实验结果和实验报告等方面对学生的学习效果进行综合评价，用多元化考核方式，实地教学考核；网络平台记录的学习成果进行全过程考核评价；虚拟仿真实验室操作对学生的知识技能情况进行考核评价。多方面结合对学生的理论知识、实验操作、专业技能等进行多角度、全方位的评价，考核结果可作为教学调整的参考依据，见表1。

4 讨论

杂交水稻种子生产技术虚拟仿真实验教学系统以长江大学农学院自主选育水稻品种“长农优982”为原型，整合项目进展，实现了科研究成果与实践教学充分融合。本项目紧密结合生产实践，依托虚拟现实、3D技术、人机交互和互联网等技术，情景再现了杂交水稻种子生产真实场景，以学生自主学习为核心。教师在教学过程中辅助讲解相关实验目的、原理、关键知识点，引导学生根据课程需要进行课前预习、课中思考、课后讨论、总结，主动完成综合性实验。遵循“虚实结合、能实不虚”的原则，先“虚拟”后“实体”，经典实体实验和虚拟仿真实验相辅相成。熟练掌握杂交水稻种子生产的原理与关键步骤，提高学生杂交水稻种子生产的实践技能。

表1 杂交水稻种子生产虚拟仿真实验评分标准

但是作物生长是一个周期长、系统性强的项目，所以将在反馈评价基础上不断完善本虚拟仿真实验项目，同时继续建设种子加工、种子贮藏、种子检验等系列虚拟仿真实验项目，使种子学课程的虚拟仿真实验实现系列化，拓宽实验教学内容的广度和深度[4]，提高人才培养的效果。目前杂交水稻种子生产虚拟仿真实验项目已免费共享了相关高校，并且面向社会相关企业、机构提供免费教学培训资源，将虚拟仿真教学推广应用至种子生产经营企业，面向社会企业提供岗前培训、新型农民职业培训等服务培养学生的创新能力。