新农科背景下园艺虚拟仿真平台的构建与应用

徐莉清，袁芳亭，郭大勇，傅 强，周继荣，方燕妮

(华中农业大学园艺林学学院，湖北武汉 430070)

园艺是水果、蔬菜、花卉、茶叶四大经济作物的总称，园艺产品在人们的生活中逐渐占据重要的地位，无论是在提高人民健康水平方面，还是在美化和改善环境方面，都具有重要意义。随着栽培技术的改进和机械成本的降低，我国园艺产业正在迅猛发展，园艺产品种植面积在我国种植业总面积中位居第二，产值位居第一[1-3]。目前我国园艺产业产值已超过3.5万亿，占农业种植业总产值的60%以上，是农民增收的支柱产业之一[4]。园艺产业的可持续发展是保障我国国民健康的基础、带动农民致富的手段、平衡农产品进出口贸易的工具和反映社会进步的标志，是解决人民“吃好”的健康产业，保障农民收益的富民产业，保护绿水青山的生态产业，与人民的生产生活息息相关。现代信息通信技术和互联网技术的进步为现代园艺的发展提供了创新驱动力。利用人工智能技术可以进一步改进教学方法，因此利用虚拟仿真实验平台为新型园艺人才培养服务，是将新一代信息技术与园艺专业课程深度融合，是现代园艺课程体系改革的首要任务和必然趋势。

1 园艺专业建设虚拟仿真实验平台的重要性和迫切性

1.1 园艺学科发展对本科人才培养提出新要求2017年，十九大报告提出乡村振兴战略；2018年，教育部提出“新农科” 建设；2019年，安吉共识、北大仓行动、北京指南三部曲持续推进新农科建设，要求高等农业院校注重多学科对农科人才培养的渗透，要加强农科人才对现代农学及其相关技艺、技能的掌握，培养具有创新思维、实用技能的复合应用型农林人才[5]。2020 年中央一号文件《中共中央 国务院关于抓好“三农”领域重点工作确保如期实现全面小康的意见》明确指出：随着数字化信息技术之间的深度融合和应用，现代农业将以全新的方式推动传统农业的转型与升级。园艺产业作为现代农业的重要组成部分，越来越受到人们的广泛关注。园艺学科作为一个非常典型的应用学科，将植物学、遗传学以及生态学等多门学科进行跨学科交叉。园艺专业培养体系的特点是理论与实践紧密结合，实践教学在专业人才培养方面有重要意义。园艺人才培养应当紧跟新农科建设的步伐，将现代生物技术、信息技术等多门学科融合，利用现代信息和通信技术推动园艺专业教学改革，发展智慧园艺，着力提升园艺专业人才的创新意识、创新能力与科研素养，培养园艺专业学生的综合实践能力。华中农业大学园艺学科未来将围绕“绿色园艺、智慧园艺”人才培养目标，构建新的人才培养模式，这对学生的知识和素质培养提出了新要求。

1.2 新农科建设要从多维度培养高素质园艺类复合型人才新农科理念下的现代农业已成为在产业融合的基础上发展兼有科学技术与人文风格的多功能产业，其内涵的丰富性要求人才对农业的了解涉及多种途径、多向维度、多个层次。因此，新农科建设要从现代园艺产业转型的新变化、实施乡村振兴战略的新需求、新时代教改的新趋势等维度培养高素质园艺类复合型人才。除了园艺专业知识外，信息技术以及物理、化学、数学等理工学科的知识与技能也是新农科复合型人才必不可缺的素养与能力。虚拟现实作为农业信息技术的重要组成部分，不仅已成为现代农业中的一个相对独立的技术领域，支撑科学计算可视化、虚拟农业、数字农业等应用，而且为其他农业信息技术的推广传播提供新的技术手段和平台工具，它已经成为科学技术探索中除理论研究、科学实验之外的第三种手段[6-9]。随着我国农业教育改革的深入，结合华中农业大学实际和园艺林学实验教学中心多年来的经验，现代实验教学中心急需将实践教学平台建设与教学模式改革有机结合，不断改进实验课程模式，构建集实践教学、虚拟现实、物联网等于一体的实验平台。

1.3 将科研成果转化为教学资源，实现优势资源的社会共享培养具有创新精神和实践能力的高级专业人才是高等教育的主要任务，教学、科研是高校教师的两大职责。科教融合是现代高等教育的核心理念，将科研成果转化为教学资源就是科教融合的有效途径之一。农林高校科研成果特色鲜明，教师们将自己的科研成果转化为生动的案例融入实践课堂，使专业理论知识和实践有机结合。这不仅能拓展本科教学资源，增强教学内容的时代性、先进性，而且能让学生接触新知识，激发学生的学习兴趣，增强学生学习的主动性，锻炼学生的思维能力。同时，这也有利于学生将理论知识和实践密切联系，培养科研思维与能力，激发学生的科研潜力和创业动力。教师在指导学生实践的过程中，能直接了解学生学习中的短板，有利于今后在教学中更好地改进教学内容和方法。如果处理好教学与科研的关系，二者就能形成良性循环，促进科研与教学的共同发展。随着信息化时代的来临，多媒体技术、网络技术在教学中的应用越来越广泛，微课、慕课、虚拟仿真等新的教学方法也被广大师生接纳和采用。高校需要搭建可将科研成果转化为教学资源的数字化平台，让各种资源共享共用，让优质资源为全国更多高校的师生享用和借鉴。

1.4 实践教学需要创新教育信息化思维目前各高校扩招学生人数不断攀升，但教学设备、场地和专业师资队伍没有等比例增加，繁重的教学任务和重复机械的教学严重影响教师的积极性和学生的学习效果。首先，线上线下教学相结合的实验教学新模式可以帮助教师从繁重、机械、重复的课堂教学中解放出来，留出更多精力与学生网上或面对面交流讨论；其次，线上课程突破了时空的限制，重新调整课堂内外的时间，实现异步学习；学生根据自己的学习时间安排自主、异步学习，随时随地获取知识， 课堂时间用于高阶知识技能训练、难点探讨，弥补因实践环节学时所占比重低而带来的不足[10]。此外，基于数字化的虚拟现实技术与互联网技术构建的线上虚拟仿真平台可以客观记录学生的学习过程和学习效果，便于教师追踪学生实践学习情况，形成完整的教学效果考核、评价和反馈机制，从而提高教学过程管理和考核评价体系。

2 园艺类虚拟仿真实验教学平台的构建

2.1 平台的基本架构在“互联网+”环境下应用园艺类虚拟仿真资源，弥补单一实体实验的不足，需要解决虚拟仿真资源在网络空间的存储、输出、应用、管理与安全性等问题。华中农业大学园艺林学学院构架了三位一体的虚拟仿真实验教学平台。以功能完善的校级虚拟仿真综合管理平台作为一级管理平台，很好地实现了网页版虚拟仿真资源的使用。在学院层面，逐步完善了计算机房、VR和CAVE虚拟仿真实验室，学生可利用机房和虚拟仿真实验室或自己的电脑来完成各类虚拟仿真资源的学习，这是二级运行平台。最后，由管理员和师生共同组成三级使用平台。学生可以自主选择时间，在线完成实验内容并提交报告。平台也支持师生在线交流讨论，使用数据管理和分析等功能，较好地实现了虚拟仿真实验的管理、维护升级、使用和答疑等。

2.2 虚拟仿真资源建设按照国家级虚拟仿真实验项目金课“两性一度”的标准，园艺林学实验教学中心以园艺类基础核心课程和专业特色课程为重点发展方向，以培养高水平复合型园艺人才为主要目标，以实践能力和创新能力培养为核心，建立虚拟仿真实验、实体实验、校内外实习实践相结合的教学模式。自2018年以来，该校园艺林学学院通过面向产业的深度校企合作，搭建实验教学、技术培训和科学研究“三位一体”的实验教学体系，建设园艺植物栽培育种、生物技术、贮藏加工、智能应用4个方向的虚拟仿真实验教学资源，可服务对象多，适用范围广(高阶性)，实验设计新颖、灵活，制作要求形象生动、交互性好(创新性)，实验需要一定的知识储备才能完成，并具有完整的评价系统，方便进行使用者成绩评价，有利于使用者向更高标准进步(挑战性)，实现校内教学科研和校外产学研的共享。迄今为止已建设虚拟仿真实验项目 11个，其中2个项目获批国家级虚拟仿真实验“金课”，充分体现虚实结合、虚实互补的原则，较好地实现了真实实验难以实现的教学功能。

2.3 “三阶段三精准”虚实结合的实践教学模式虚拟仿真实验教学体系是采用线上线下虚实结合的方式，实现师生之间、教学之间的良性互动。为了方便区分，将教学过程分为课前、课中和课后3个阶段。对应3个阶段，实现3个教学目标：第一阶段，学生通过线上虚拟实验自主学习，掌握整个知识体系的构成，了解实验的知识重点和难点，发现自身知识的薄弱点，实现“精准定位”，以虚导实；第二阶段，教师针对仿真实验中发现的操作问题和知识难点，引导学生开展探究式学习，实现“精准导学”，虚实互补；第三阶段，学生根据自身的实习表现，再次进行线上复习，教师通过在线交流对学生实施点对点的拓展或补充，实现“精准巩固”，以虚固实。实验指导教师普遍反馈学生经过3个学习阶段后对知识体系的理解更完整，参与实验后能更快找到感觉，上手更快、更自信，提问交流更加积极主动，动手能力明显提高。实习汇报和讨论环节学生思路更加清晰，汇报和讨论的内容更加丰富、更有深度，考核成绩也明显提高。

3 虚拟仿真平台的建设成效

3.1 激发了学生的自主学习兴趣园艺植物生长周期普遍较长，考虑到面积大、管理环节多等因素，传统实践实习大多安排在夏季或冬季，气候环境条件恶劣影响了学生参加教学实习的积极性。虚拟仿真实验内容为学生再现实习场景，提供了一个沉浸式的虚拟仿真学习环境。线下实习能锻炼学生的实际动手能力，提高技术水平。二者的结合有效激发了学生的自主学习热情。另外，基于虚拟仿真平台开发的教学软件将图、表、视频、3D动画和实地操练等应用到各个实验环节中，并设置有趣的提问、情景考核和实习汇报。教学形式多样，增加了实习的趣味性，寓教于乐。虚拟仿真平台开放使用，学生可以利用课余时间完成线上实验，化零为整，提高时间利用效率。学生要使用VR和CAVE资源，预约后也可以自主进入仿真实验室自主使用。实验后台可实时记录学生的学习动态，有利于教师实时反馈与监督，促进学生自觉学习。学生的学习兴趣被大大激发，学习动力更强[11]。

3.2 实现教学主体的转换采用“三阶段三精准”实践教学模式，将园艺类的实践教学过程分为学生课前线上自主学习阶段、课中自我经验积累阶段和课后线上虚拟实验自我巩固3个阶段，学生由传统的被动学习转变为主动学习。教师的作用如下：实习前帮助学生发现学习的重点和难点问题；实习过程中引导学生探索解决问题的方法，在学生反复练习过程中发现学生技术薄弱点，进行精准指导；实习课后提供及时在线答疑，让学生在交流过程中巩固知识。教师由传统的主导角色转换为辅助身份，始终陪伴在学生各个学习阶段。这种教学方法成功实现了实践教学主体的转换。学生不仅掌握了实验技能，而且锻炼了发现问题、解决问题的能力。3个阶段的虚实结合有利于学生将各个实践环节有机结合起来，知识体系更加完整，对重点难点掌握得更牢固，切实提升了实践教学效果。

3.3 提升实践平台综合水平基于VR、CAVE等虚拟现实技术构建的园艺类虚拟仿真教学平台，配置了完善的硬件系统和信息化的管理方式，实践教学模式由传统的线下实际操作转化为现今的线上、线下混合式模式，实现个性化、多样化的教学。通过虚拟仿真资源的开发，将果树、蔬菜、观赏花卉和茶树等园艺植物相关的实验内容进行合理整合，既避免了教学资源的重复建设，节约了资金，又可留出更多学时让教师引导学生进行设计性创新实验，有效推动了实验教学改革。虚拟仿真平台采用信息化管理，学生可利用课余时间完成虚拟实验，化零为整，提高时间利用效率。实验后台可实时记录学生的学习动态，有利于教师实时反馈与监督，促进学生自觉学习。此外，同行业专家和学者观看了华中农业大学园艺林学学院优秀科研成果转化的虚拟教学资源后给予了高度评价，园艺类虚拟仿真平台已成为华中农业大学园艺林学学院对外宣传展示的窗口之一。

4 结语

信息技术的迅猛发展和5G技术的普及，给传统农科人才培养提供了巨大潜能。各类基于信息技术的虚拟仿真平台已经能够满足园艺等农科专业实验实践的需求。华中农业大学园艺林学学院结合园艺学科的定位与发展规划，通过构建多元化、多功能的虚拟仿真平台，有效推动了实验教学方法改革，优化了实践教学体系，使专业实践教学更好地体现出现代园艺人才培养的质量要求，提高了学生的创新意识、创新能力与科研素养，有力推动了园艺学一流人才培养体系改革。