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新农科背景下虚拟仿真教学在牛生产学教学中的必要性探讨

2022-11-28张金璧徐世永邓凯东程泽信

畜禽业 2022年7期
关键词:农科智慧生产

张金璧,徐世永,邓凯东,程泽信

(金陵科技学院,江苏 南京 210038)

0 引言

牛生产学(或名养牛学)作为我国高等农业院校中动物科学专业的一门具有代表性的实用性必修课程,通过紧跟并分析养牛业发展前景,介绍奶牛和肉牛的品种和牛生物学特性,论述奶牛和肉牛的生产力评定方法、现代化育种和繁殖技术、饲养与管理方式、卫生保健与疫病控制等,对牛生产进行系统性的介绍和实训。牛生产学课程教学内容来源于养牛业的生产实践经验积累和学科前沿成果,使学生了解国内、外养牛业的先进理论和技术,把握养牛业的发展现状与动态,掌握养牛生产的基本原理、关键技术要点及因地制宜的生产技术;另外又服务于养牛生产实际,让学生在理论和技术基础上具备提高我国奶牛、肉牛产品的数量和质量、符合我国智慧农业、低碳农业要求的方法、技能和产业思维,从而为智慧农业背景下的现代养牛业发展培养高素质、专业性、综合性人才添砖加瓦。

1 牛生产学教学现状与存在的问题

牛生产学的教学内容涵盖面较广,在该课程的传统教学中,一般有牛品种的识别与鉴定、评分鉴定、机械化挤奶程序、采精授精技术、全混合日粮调制及效果评价等实践课程安排,体现出了该课程紧密结合生产实际的特点。在课程目标设置上,要求学生在掌握基础理论的基础上熟悉生产流程,从而实现为畜牧产业服务的目标[1]。但实际上,近年来随着智慧农业概念的提出和发展,传统畜牧业,尤其是肉牛和奶牛产业,已经开始快速地向智能化、集约化、规模化等现代畜牧业模式转变。为了保证该课程注重实践、强调应用、为解决实际问题服务的特点,实践课程的开展要求也不断提升。课程原有的实践周期较长,实践过程中不确定因素多、教学成本和资源消耗高,还存在一定的人畜共患疫病传播风险,受客观因素的限制,实践安排难度越来越大。因此该专业学生完整有效地参与到整个奶牛、肉牛生产过程的要求也越来越难以得到保障,这在很大程度上制约了学生动手和现场应对能力的培养,限制了该课程教学目标的达成[2]。

2 虚拟仿真技术在课程教学中的发展及应用

虚拟实验平台在课堂教学中的运用是在20世纪80年代,由美国弗吉尼亚大学的Willam Wulf教授首次提出的。平台的开发主要基于实验类课程,基于数据库资源、多媒体及网络通信设备和人机交互等技术,用虚拟技术构建仿真场、对象、工具、并构建起实验操作流程,使学生得以在安全无害、时空自由、自觉自主的虚拟环境中进行实践操作[3]。在此后的几十年中,随着虚拟仿真及人工智能技术的飞速发展,虚拟平台交互性、多元性、无限性的优势展露无遗,被运用在了更多实践或远程课程中,达成了实地教学难以实现的效果[4]。其中,对于特殊的气候地理极端环境、存在危险因素的场所、高成本不可逆的操作、高消耗的大型或综合性的项目,虚拟仿真实验教学具有经济、安全、高效的明显优势。因此,基于虚拟仿真技术的课程平台在国内外许多大学得到了广泛认可和欢迎,在航空航天、外科手术、技术训练、创意设计、教育培训等众多领域得到了应用[5]。随着现代人工智能和通信科技的迅猛发展、教学理念的与时俱进,以及教学手段的不断涌现,虚拟仿真课程同样不断推陈出新,成为了教育界和科技界交叉共融的研究热点和发展领域。

虽然我国虚拟仿真技术在教育中的运用起步相对较迟,但很快受到了国家教育部门的重视和推广。教育部明确提出了信息技术和教学深度融合的教学模式及方法的应用,以及信息化条件下学生自主学习、自主管理和自主服务能力的培养是创新人才培养的重要方面,并对高等教育信息化建设提出了明确要求。还进一步对信息化发展提出了更细致的指导,提出信息技术与高等教育深度融合,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。随后,教育部明确了建设虚拟仿真实验教学中心的主要目的包括提高实验教学水平,深化教学知识体系的融合,突破实验教学中的成本、周期、时空等多种因素的局限。此外,国家虚拟仿真实验教学项目目前位列教育部5类“金课”之一,成为了依托现代教学技术手段而重点打造的一类“金课”[6],可见虚拟仿真实验教学不仅成为了教育信息化发展的必然趋势,而且将会持续对学生实践创新能力的培养、对高等教育质量的提高等方面产生积极而重要的影响。

3 牛生产学课程中虚拟仿真技术运用的必要性

在虚拟仿真技术日新月异的今天,在牛生产学讲授过程中合理地整合虚拟仿真技术,建立互动平台能很好地弥补传统教学方法的不足之处和实地教学的限制,提升教学质量,具体体现在以下方面。

1)突破时空条件的限制。完整参与肉牛的各个生产环节一般需要1年以上的时间,而奶牛的生产周期更为漫长,牛场的防疫流程虽然不似猪场和鸡场严格,但集约化、规模化发展使封闭式管理逐渐成为趋势,教师学生出入不便,因此,完整地参与到整个生产过程几乎不可能实现。而虚拟仿真牧场可以突破时空条件的限制,将生产各环节详细展示在学生面前,使学生能够得到整个生产过程的实践训练,并可以自主选择某些环节有针对性地反复练习。

2)避免各类疾病感染风险和特殊背景影响。养殖场动物疫病发生难以避免,而在无抗养殖的大环境下,动物疫情的发生有抬头趋势,在牛养殖业中,口蹄疫、结核病等的暴发直接限制了教学活动。2019年的非洲猪瘟疫情使生猪养殖实践教学完全停滞,为其他动物养殖实践教学敲响了警钟。其次,牛羊易患的布鲁氏菌病(布病)、家禽易患的高致病性禽流感等重点人畜共患病存在感染风险,一旦暴发则直接对人体健康产生威胁,在此情况下,动科专业的教师和学生必然不能进入养殖企业进行生产实习[7]。此外,应用虚拟仿真教学模式有利于提高特殊社会背景下的教学效果。在特殊背景下,如人类流行性疾病暴发的情况下,实践课程的开展受到了巨大阻力,2019年底和2020年初暴发的新型冠状病毒肺炎疫情就是最直接的例子,由于新冠肺炎的疫情防控形势严峻,从2020年至今,陆续有不同省市的师生无法回到学校所在地,线下课堂教学无法正常开展。即便能够返校,师生出入、养殖场地均受到极大限制。在这样难以预测的情形下,虚拟仿真是唯一稳定可靠的教学方式。为响应教育部提出的“停课不停教,停课不停学”的政策,基于学习通、MOOC、雨课堂等网络教学平台的教学活动被大幅推广[8]。但普遍采用的是教师录制理论及实验视频进行播放观看,学生对生产学中的实践知识由于缺乏动手操作和实地观摩,教学效果受到了较大的影响。而将虚拟仿真平台与线上授课平台相结合,是解决这一问题的绝佳方案。一方面发挥了虚拟仿真教学自身优势;另一方面整合已有的大型线上教学平台资源,让学生将系统知识分散,充分利用碎片化时间进行学习。

3)节约教学成本和资源消耗。牛属于大型家畜,价格较高,而乳用奶牛个体更为昂贵,教学实习基地建设与维持成本、生物安全保障成本均较高。虚拟仿真平台可以大幅缓解教学成本压力,尤其在针对“牛的生物学特征”“繁殖技术”等内容的教学中,学生可以根据自己的实际需要和兴趣,反复地使用虚拟实验动物进行练习。在“常见疾病防治”的教学中,病畜的准备较为困难,危险性较高。通过仿真模拟可以减少病畜运输、接触的风险,同时使学生对疾病的各种传播途径有全面的认识、对疾病发病表现有充分了解。不仅加深了学生对各类疾病临床症状的认识和判断,提高了教学效果,同时减少实际动物的使用,也解决了动物实验、动物解剖等教学内容带来的动物损耗和动物福利问题。

4)符合现代化智慧农业和新农科发展需求。智慧农业集成了计算机、互网络、物联网、传感器及无线通信技术等现代信息技术成果,对农业生产和流通作业进行精确监控和指导。近年来,党中央、国务院出台了一系列政策支持我国农业结构转型与优化,支持智慧农业的发展和创新。如2016年《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》中指出“要加强农业生产与信息技术融合,发展智慧农业”;随后,2018年《中共中央国务院关于实施乡村振兴战略的意见》中明确提出要“大力发展数字农业,实施智慧农业林业水利工程,推进物联网试验示范和遥感技术应用”;2021年《中共中央国务院关于全面推进乡村振兴加快农业农村现代化的意见》提出,发展智慧农业,建立农业农村大数据体系,推动新一代信息技术与农业生产经营深度融合。可见,智慧农业是农业发展的新业态和大趋势,是进一步解放生产力、激发农业转型的内生动力。因此,大力发展智慧农业对促进农业转型升级、提高农业质量效益、增强我国农业竞争力、提升我国农业现代化水平,具有特别重要的现实意义。

然而,在智慧农业发展的道路上,我国还存在各种问题,而复合型高素质人才的不足首当其冲[9]。在促进我国智慧农业大力发展的道路上,开设农林类专业,包括动物科学专业的高等院校责任重大,义不容辞。在这一趋势下,自从2017年下半年起,农林教育专家提出了传统农林学科将难以支撑未来农业发展的教育瓶颈问题,一个由现代生物技术、信息技术和工程技术等交叉知识作为支撑的新农科概念应运而生,新农科与新工科、新医科、新文科一起进入人们的视野。2019年《安吉共识——中国新农科建设宣言》发布,提出在高等学校专业设置中对原有的农科专业进行改造,或新设立农科专业,推进农科与其他学科深度交叉互融,主动适应智慧农业对农科人才需求的转变,也是我国新农科建设工作正式启动的标志性文件。新农科的出现适应了社会新需求,是对传统农林学科的一次重大的“提档升级”,而传统教育手段与信息技术跨界融合的人才培养目标之间不可避免地产生了落差。虚拟仿真平台可以顺畅地融入智能化控制、精细化养殖、数据平台服务、电子商务等现代农业新业态,顺应新农科建设。因此不仅使学生得以掌握数字化畜牧技术,还能使学生构建起基于数字化的新型农业生态观念,培养出适合新形态的农业科研创新、技术推广人才,为完成我国新农科建设提供有力支持,为我国智慧农业的发展提供必要的途径。

5)符合OBE教学理念。OBE(Outcomes-based Education),即成果导向式教育,该教育模式主要基于学习产出的成果,要求学校和教师在制定人才培养目标和教学目标时,先明确学习成果,因材施教,配合多元的、弹性的、个性化的学习要求,让学生通过学习过程完成自我实现的挑战。在教学过程完成后,还可以将教学成果进行分析和反馈,用于改进原有的课程设计与教学方法,进一步提升教学效果。OBE教学理念特别强调教学过程的输出,强调研究型的教学模式,强调因材施教和个性化教学,强调每一个学生个体意义上的成功,对传统的牛生产学教学策略提出了较大挑战[10]。虚拟仿真技术的引入,为成果导向提供了实施和验证的双重可能性。教学任务的设定和实施上,虚拟技术使学习内容、方式与时间都更加自由,学生可以根据各自需求多次学习,反复尝试,扩大了学生的学习机会。教学结果评价上可以采用多元和梯次的评价标准,通过人工智能的辅助,对每个学生个体达成学习成果的内涵和每个学生个体的学习进步情况进行精准评估,不强调学生之间的比较。再通过自动评分标准的设计,根据每个学生个体能达到的教学目标的程度,进行不同的评定等级和针对性评价,从而达到OBE目标。

6)与自主学习、终身学习理念完美融合。随着我国社会经济的快速发展和智慧农业体系转型,社会对实践型人才的需求不断提高,农林类高等院校必须要重视实践型、复合型人才的培养,注重学生自主性的发挥和学习能力的提升,并肩负起一部分面向产业内社会人士终身教育的职责[11]。通过实践教学资源的积累和虚拟仿真教学平台的建设,学生可以不受时间、空间限制地在虚拟平台中开展实践学习活动,极大地丰富了学习内容的可参与性,而不受课堂时间、地点的限制;又可以极大地丰富教学内容,无限扩展课堂知识外延,满足学生的求知欲,激发学生的兴趣,提高学生的自主性。

虚拟仿真平台一般以互联网为依托,而网络学习情境的开放、虚拟、自主、灵活等特点也正是培养学生终身学习能力,且让学生在离开学校后仍能保持自主学习的最优方式。在该课程虚拟教学、实践资源的完善和服务器等硬件条件的保障下,课程资源可以逐渐面向社会开放,形成针对肉牛养殖、奶牛养殖行业培训的虚拟培训中心,担负起服务社会的职责。

4 结语

在新农科建设的背景下,将虚拟仿真教学方式引入牛生产学的实践教学中,不但能突破时空条件的限制,避免各类疾病感染风险,节约教学成本和资源消耗,而且与OBE教学理念及自主学习、终身学习理念完美融合,符合现代化智慧农业发展需求,能极大地弥补传统教学方法的不足和实地教学的限制,提升教学质量,力求达到新农科背景下高校动物学科专业的人才培养目标。

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