依托虚拟仿真平台作物育种学课程实验教学改革探索——以马铃薯育种技术为例

姜丽丽，孙丽芳，郭永霞，王霞，高树仁，金光辉，郑雯

（黑龙江八一农垦大学 农学院，黑龙江大庆 163319）

信息时代的到来，对高校传统的实验课程教学提出了新的挑战。虚拟仿真实验技术是指通过计算机构建出仿真的实验场景，突破原有实验条件限制，不受时间和空间的制约[1-2]而进行实验。教育部非常重视虚拟仿真实验教学项目的开发与建设，2017 年7 月，教育部办公厅印发《关于2017—2020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》，提出：以完整的实验教学项目为基础，建设示范性虚拟仿真实验教学项目，形成专业布局合理、教学效果优良、开放共享有效的高等教育信息化实验教学项目示范新体系，支撑高等教育教学质量全面提高[3]。以虚拟仿真实验教学项目为载体，加快虚拟工厂、智能实验室等的建设，并利用信息技术来发展实验教学，能够以实验教学的信息化促进高等教育的发展[4-6]。

乡村振兴工作的重点包括加快农业农村大数据应用，推进智慧农业发展，推动数字化应用场景研发推广，现代农业将以全新的方式推动传统农业的转型与升级[4-5]。作物学作为现代农业不可或缺的一部分，越来越受到社会的重视。农学专业培养体系的特点是理论与实践紧密结合，培养学生可持续发展的意识及使学生掌握农业生产的技能与方法，实践教学在专业人才培养方面有重要作用[6-7]。需将现代农业生产技术、新一代信息技术等多门学科融合，着力提升农学专业人才的创新意识、创新能力与科研素养，培养农学专业学生的综合实践能力[8-10]。

黑龙江八一农垦大学农学专业是首批国家级卓越复合应用型人才培养模式改革试点专业和国家一流本科专业建设点。该校紧紧围绕建设特色鲜明的高水平现代农业大学的办学定位，立足服务垦区和龙江区域经济发展，面向现代化大农业产业人才需求，培养德智体美劳全面发展，掌握现代作物栽培和育种基本理论、基本知识和实践技能，富有创新创业意识和能力的拔尖创新型和复合应用型农业技术人才。拔尖创新型人才注重科研创新能力培养，复合应用型人才注重综合应用技能培养[11-13]。

1 作物育种学实验课程实验教学现状

作物育种学是黑龙江八一农垦大学农学专业的必修课，课程针对作物育种理论知识安排了相应的实验内容。由于作物育种是一个漫长而又复杂的过程，该课程在本科三年级上学期开课，此时为北方的秋冬季节，学生参与田间育种实验也只能看到秋收的过程，对于前期准备工作、播种、杂交授粉、田间管理等环节难以参与其中，学生对所学育种理论的理解浮于表面。

1.1 知识点缺乏连贯性

由于马铃薯育种技术知识点分散，马铃薯属于无性繁殖作物，理论与实践之间跨度较大。图像处理涉及理论知识点多，不同章节的理论没有必然的学习次序，由于课时有限，学生与教师之间互动较少，学生接受知识较被动，且与实践环节脱节，学习效率较低。

1.2 实验资源有限

马铃薯育种技术实验需要多个环节，从播种到收获每个环节都需要准备大量种子材料及实验用品，课堂上教师讲授仅限于书本和课件中的理论知识，马铃薯育种所需相关设备及材料不能满足实验教学需要，学生凭观看课件理解实验内容，知识掌握程度各异，实验效果也不甚理想。

1.3 学生动手能力的差异使得教学效果不理想

马铃薯育种需要较强的动手能力，而学生的实践能力不同，大部分学生把时间用在认知材料和掌握仪器操作环节，无法投入更多精力去理解和整合整个育种过程。有些实验需要去育种基地完成，但受到诸多因素影响，加上育种基地设施不完善，导致教与学的效果都不理想。

基于以上问题，在黑龙江八一农垦大学虚拟仿真实验室平台的申报与建设过程中，课程组着手对作物育种学中马铃薯育种技术课程的实验内容进行改革，借助虚拟仿真软件的开发提升课程教学质量。课程组依托虚拟仿真平台的实验课程改革，结合作物育种技术特点，先后开发了玉米新品种选育和马铃薯育种技术虚拟仿真实验软件，虚拟仿真实验软件的应用，不但提升了学生的学习兴趣及积极性，也帮助学生体会虚拟仿真技术的科学性及多元性特点，从而加深学生对育种实验的全面了解。

2 实验课程改革

2.1 课程理念

（1）农学院作物育种学课程组遵循以学生为中心、问题导向、持续改进的教育教学理念，构建了“整合教学内容、融合教学模式、结合教学育人、混合教学形态”的创新举措。2020 年引入中国农业大学作物育种学智慧树共享课程，开展线上线下混合式教学，成效显著，学生反馈较好。2021 年作物育种学获批黑龙江省线上线下混合式一流课程。马铃薯育种技术虚拟仿真技术是课题组“以虚促学、以虚证实、虚实结合”教学理念的践行。借助虚拟仿真平台提供的服务器资源，利用虚拟软件配置的真实环境，完成系统性综合实验。

（2）开辟虚拟实践带动创新的新架构。马铃薯育种技术虚拟仿真实验教学的核心是将过去需要线下完成的长周期育种实验变革为虚拟界面操作方式，课程组构建了以“兴趣—专业—创新”逐层次递进、以马铃薯育种技术各环节为主线的新实验教学体系，培养学生实践创新能力的系统性综合实验逐渐替代传统的以巩固知识点为目的的单元验证性实验。

2.2 改革措施

2.2.1 理论教学模式改革

课程组对作物育种学实验基础理论部分的讲授方式实施了改革，突出作物育种中主要概念的基本性质和实际意义，强调学生重在理解，弱化记忆。在授课过程中，教师结合自身科研项目，针对不同作物在育种过程中需要注意的问题进行讲解，引导学生思考如何简化、分解复杂问题。增加授课中的思政元素，引入育种家的科研事迹，加强师生间互动，教学示例紧扣育种主题，贴近时事与生活，使理性教育和感性认识能够更好地融合[14]。

2.2.2 教学资源升级

改革前，学生仅能通过教师发布的教学课件或者教材进行预习。近几年，随着网课频率增加，课程组引进智慧树中国农业大学作物育种学共享课程作为授课中的学分课资源，学生可在课前通过观看相关章节视频完成预习，并完成章节测试。课程组充分利用智慧树平台，除共享课外，还建立了翻转课堂，将教学资源上传平台供学生预习和复习使用，有效解决了由于课时限制学生没有机会延伸阅读课程相关内容、各类文献等问题。课程组在平台中设置了课后作业，便于学生巩固课堂所学知识，在理论课期末考核中学分课成绩（包括教学视频观看和完成单元测试）占比25%，翻转课成绩（包括翻转课互动和课后作业）占比25%，期末考试成绩占比50%，合理优化了考核评价体系，让学生将更多精力用在平时的学习和积累中。

2.2.3 实验形式改革

课程组经过研讨，对作物育种学实验课的授课形式进行了改革，将传统的固定上课时间以及固定机房上机实验方式改为让学生自由掌握实验节奏，学生可以随时下载虚拟仿真实验软件或者线上访问虚拟仿真平台进行实验。此授课形式能够充分发挥学生学习自主性，使学生主动在课余时间进行相关知识点及马铃薯育种技术的针对性学习。

3 马铃薯育种技术虚拟仿真实验

结合作物育种的特点，课程组设计开发了马铃薯育种技术综合性虚拟仿真实验软件，内容针对马铃薯育种各环节进行虚拟场景操作与追踪。实验涉及马铃薯有性杂交技术及后代选择技术等4 个模块，通过模拟育种虚拟场景，使学生沉浸式体验育种的各环节，对于提高学生实践能力具有很大作用。

3.1 实验教学流程

马铃薯育种技术虚拟仿真实验教学流程如图1 所示，主要包括4 个环节：（1）实验开始之前，教师讲解实验目的，帮助学生绘制实验的思维图谱，让学生对实验项目有基本认知；（2）在实验过程中，学生根据软件提示逐步完成实验操作，巩固知识点；（3）所有实验操作完成之后，系统会显示分数，学生撰写心得体会，教师将实验操作系统评分（占比80%）和心得体会评分（占比20%）折算反馈给学生；（4）在验收环节，教师讲授基本知识后，对关键步骤进行解释和指导，最后通过问答形式评估学生的完成情况。这些环节需要学生自觉学习和设计，并在虚拟平台上完成实验。

图1 马铃薯虚拟仿真实验流程图

3.2 考核评估方式

课程组在设计马铃薯育种技术虚拟仿真实验脚本时将考核的知识点设置成题目，题目类型以选择题为主，学生进行虚拟仿真实验时可通过系统提示进行下一步的操作，4项主题实验满分100分，每项实验25分，分值包括操作得分和做题得分。学生在实验操作中逐渐意识到每一步操作的重要性，同时也能加深对操作步骤的印象，有效提升学习主动性和动手操作能力以及实验的完成度。

3.3 实施成效

以虚拟仿真的方式进行综合性项目实验教学，改变了作物遗传育种课程传统的实验教学方法。黑龙江八一农垦大学农学院2018 级农学专业进行马铃薯虚拟仿真实验时测试班级仅有一个，共30 人。马铃薯育种技术虚拟仿真实验在2019 级农学专业和种子科学与工程专业推广，学生学习人数累计达到272 人，2020级学生学习人数达到285 人。云南农业大学农学专业引用马铃薯虚拟仿真实验进行测试，共有133 人完成测试，效果良好。本文通过调查问卷方式，收集2020、2021 学年的授课班教学反馈，结果表明：学生的学习积极性、创造性普遍有所提高，并对采用虚拟仿真技术进行综合性实验持肯定态度。调查问卷统计结果如图2 与图3 所示。

图2 虚拟仿真实验对学生能力的提升效果

图3 促进学生能力提升的因素

4 结语

在高校“双一流”建设的背景下，虚拟仿真实验具有一定优势，不仅突破了时间和空间的限制，还能增加实验场景的真实性。然而虚拟仿真实验并不能完全取代传统马铃薯育种实验，两者需要进行融合，构建虚实结合的作物育种教学实验体系。同时，作物育种虚拟仿真实验教学也需要不断突破与创新，使其更加接近真实实验过程，从而提高实验效率，提高教学质量。