新农科背景下基于VR技术的新型农学类实验教学模式设计与探索

侯文峰　高强　李翠兰　王寅　冯国忠

［摘 要］实验教学是农科专业培养高素质复合型人才的一个重要环节。虚拟现实（VR）技术的快速发展，使其在诸多方面得到了广泛应用。针对传统农学类实验教学存在的诸如成本高、耗时长、效率低等一系列问题，研究并设计新农科背景下基于VR技术的新型农学类实验教学模式势在必行。此外，实现VR实验教学也是推动高等农业院校涉农专业教育信息化建设的重要内容。基于VR技术的新型农学类实验教学模式的应用将极大地降低办学成本、节省教学时间、提高教学效率。

［关键词］新农科；信息化；虚拟现实技术；实验教学

［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）14-0066-05

高等农业院校是培养高水平、高素质农科新型专业人才的摇篮，而理论与实践相结合则是人才培养的一项重要举措。但在实际的实验教学中，农业院校有两个问题需要正视：其一，高校农科类相关实验教学活动，尤其是室外实验教学活动常常受到季节性、地域性等不可抗因素的限制[1]，导致某些实验有时候无法实施或按期完成；其二，目前的农学类实验多是独立性、验证性和示范性的教学实验，缺乏系统性、创新性和综合性的自主探索型实验，教师是整个实验教学活动过程中的核心，学生的科研思维能力和动手实践能力得不到有效锻炼与培养[2]。全国新农科建设工作推进会于2021年10月19日在吉林农业大学成功召开，教育部副部长钟登华同志在会上明确指出，要抓好耕读教育，补齐实践教学短板；要抓好农林紧缺人才培养，培养多类型卓越农林人才[3]。高等农业院校在致力于培养新型农业科技人才的同时，如果仍然沿用以前老旧的实验教学模式，那么这样培养出来的毕业生在走上工作岗位后显然不能够满足我国的农业现代化建设与生产需求。

近年来，随着计算机技术、信息技术、自动化技术等的快速发展，许多充满现代要素的新兴技术已频繁在农业生产中出现并得到了推广和应用。如何结合新兴技术培养出符合我国农业现代化建设和生产需求的高水平、高素质新型农科专业人才，已成为新农科背景下全国高等农业院校所面临的巨大挑战。

一、VR实验教学模式的设计意义

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术，是美国VPL Research公司的创始人Jaron Lanier在1989年最先提出的，又称为灵境技术或虚拟仿真技术。VR技术具有突出的立体动态直观教学优势，除此之外还具有交互性、沉浸性、想象性和多感知性四大特点，因此在教育领域备受重视[4]。2016年，中共中央、国务院印发了《国家创新驱动发展战略纲要》，明确强调要将虚拟现实技术作为战略任务来部署。2017年，教育部办公厅印发了《2017年教育信息化工作要点》，明确指出要推动VR的实验实训平台建设，建成互联网+智慧教育示范基地。2018年，教育部等五部委颁布了《教师教育振兴行动计划（2018—2022年）》，明确指出要充分利用云计算、大数据、VR、人工智能等新兴技术手段推动教师教育信息化教学服务平台的建设和应用。同年，教育部又相继发布了《教育信息化2.0行动计划》和《教育部关于实施卓越教师培养计划2.0的意见》，两份文件都明确指出要通过创新机制，实现多元投入，结合“互联网+”、大数据、云计算、信息惠民、“宽带中国”、数字经济、人工智能使等多项工作齐头并进，推动新技术与高校课程的多维度融合，并在此基础上利用VR、增强现实和混合现实等多种信息技术，建设一批具有交互性、情境化的新型课程资源。由此可见，VR技术在教育领域中的发展及应用前景十分广阔。

在高等教育中引入新颖的VR技术辅助教学，开拓了新的教学方法和授课方式，学生也更愿意去学习和接受这种时代科技的新生产物，有利于提高学生的学习兴趣和教学效果。然而，调查研究发现，目前VR技术在高等院校更多的是应用于景观设计、动物医学、化学工程、电气工程等领域，真正在农学类田间实验场景上的应用相对较少[5-8]。

传统农业生产普遍受到地域性差异、经验性差异和环境不可控等多种因素的影响。此外，吉林农业大学农业资源与环境专业涉及的实验内容多（耕、种、管、收、储）、实验周期长（5月份至10月份）、实验时间紧（东北地区一年一季，5月初至10月初为田间实验有效时间）、实验对象杂（涉及土壤、水分、温度、种子、化肥、病害、虫害、草害、农药、农机、农时、籽粒、叶片、秸秆等）。尽管吉林农业大学农业资源与环境專业已对专业实验课进行了统筹安排与合理规划，设计了匹配作物生长全程的农学类实验模块化教学模式（如图1所示），通过了为期两年的试点教学且取得了较满意的实践教学效果[9-10]，但是在实际操作中仍然困难重重。实验模块化教学模式在应用过程中受时节、天气等自然因素及实验场地与配套设备等硬件条件限制较大。VR技术采用信息技术手段实现研究对象与环境因素之间的交互作用，较传统农业相比，小到植物叶片形态，大到区域农田全景，均可以利用传感器、摄像机等设备采集基础数据后进行可视化精准建模，然后通过VR技术的高仿真性实现对现实场景的真实还原，并将数据生成场景反馈给使用者，让学生可以更加直观地理解植物对不同影响因子的响应。此外，VR技术还可以将之前数月甚至数年的植物生长周期缩短至几小时甚至几分钟呈现出来，同时可以供学生反复观看和使用。由此可见，VR技术可以极大地降低办学成本、节省教学时间、提高教学效率。

当代大学生就读期间绝大部分是在校园中度过的，缺乏对农业、农村和农民的深入了解。此外，一年级学生主要进行公共基础课的学习，接触专业知识、专业教师和专业训练的机会较少，对专业认知较差，普遍缺乏专业归属感和认同感，更谈不上专业兴趣和专业爱好。VR技术可以为学生提供自主学习、探究学习和合作学习的空间，帮助学生尽早建立起对本专业的学习兴趣。而等到专业实验课开课时，学生已在前期对VR实验教学有了一定的了解，不会产生陌生感，在实际应用过程中，能借助虚拟环境更好地掌握基础知识、实验原理及相关实验技能，最终达到实验课的教学目的。

二、VR实验教学模式的设计思路

农学类专业是基础性、应用性、综合性非常强的专业。針对当前农学类实验普遍受限于时节、天气等自然因素及实验场地与配套设备等硬件条件的突出问题，结合新农科背景下国家对新型农业人才的新需求，本研究在结合专业人才培养需求及整合前期匹配作物生长全程的农学类实验模块化教学模式研究的基础上设计了基于VR技术的新型农学类实验教学模式（如图2所示）。

（一）一个理念

教育部于2018年颁布了我国第一个高等教育教学质量国家标准——《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》。在该标准制定的过程中，国家始终把握世界高等教育发展的最先进理念，主要突出了三大原则，即是“学生中心、产出导向、持续改进”。因此，在基于VR技术的新型实验教学模式设计与探索过程中，本研究也基于三大原则进行了探索。

1.突出学生中心。注重激发学生的学习兴趣和自身潜能，提高学生的专业认可度，创新授课形式，改革教学教法，强化动手实践，推动实验教学从“教得好”向“学得好”转变、从“看明白”向“做明白”转变。

2.突出产出导向。主动匹配我国农业生产的最新发展需求，科学合理设定课程目标，更新实验教学内容，切实提高学习目标达成度、社会适应度、条件保障度、质保有效度和结果满意度。

3.突出持续改进。强调要做好教学工作的基础就要建立科学的学习成效评价体系，对基于VR技术的新型农学类实验教学模式进行及时评价、及时反馈并持续改进，推动农学类实验教学质量不断提升。

（二）二个步骤

1.基于前期匹配作物生长全程的农学类实验模块化教学模式的研究，将农学类实验课程按照作物生育期和实验内容进行模块化划分，即划分为基础土壤样品采集与测试模块、田间耕作与栽培施肥模块、苗期生长监测与营养诊断模块、中期病虫草害防治模块、收获测产与品质分析模块、环境效应分析模块。

2.利用VR技术对各个实验模块进行虚拟仿真并进行关联，使学生对各个实验模块既能独立操作，又能根据课程需要相互组合、关联操作，充分发挥实验模块化教学与VR技术高效融合的优势。

（三）三个应用

1.展示应用。应用场景一：微观结构展示，主要应用于植物学、植物生理学、微生物学等相关课程。利用VR设备进行微观视角的观察，实现植物组织、土壤微生物等微观结构的形态展示，很好地弥补了传统二维图像不够直观及三维模型无交互功能的缺陷，使原本抽象的知识点变得更加形象直观、趣味性强、便于记忆。应用场景二：地形地貌展示，主要应用于土壤学、地质地貌学等相关课程。利用VR设备实现各种地形结构的展示，如东北黑土地土壤坡耕地、侵蚀沟发育等，也可展示宏观或微观的土层垂直结构，该应用打破了空间限制，具有形象直观的优点。

2.体验应用。应用场景一：操作性实验体验，主要应用于农业资源与环境综合分析技术实验、土壤资源调查与评价、肥料工艺学等相关课程。使用VR设备模拟现实强酸、强碱、高温等高危操作步骤及实验室不具备的肥料生产环境，如反应釜加工原料、高塔造粒等，具有操作性强、可无限重复、安全环保等特点。应用场景二：虚拟农场实验体检，主要应用于作物施肥原理与技术等相关课程。利用VR技术来模拟作物的生长，让学生可以从任意角度观察作物的发芽、展叶、开花、结果等整个生命进程及耕地、播种、浇水、施肥、除草、收获等农事管理过程，同时还可以通过改变栽培措施和生长环境来观察作物的响应，从而更加灵活地调控作物的生长发育。此外，利用VR技术在虚拟农场中还可以实现田间管理等一系列农事操作，使学生快速掌握农业生产技术，在提高专业教学效果的同时，让学生了解当前世界农业生产现状及存在的问题。

3.互动应用。利用联机，VR客户端可以提供一个能够人机交互、操作安全、效果理想的训练环境，实现学生、教师与虚拟设备、虚拟环境之间的互动与反馈。例如应用在实践教学、实验教学、毕业生产实习等环节，既可以规避实习与实验过程中的危险性，又能够使教师实时掌握和指导学生的实习、实验等，进而实现安全训练和高度交互，有效提高教学效率和教学效果。

（四）四个要素

基于VR技术的新型农学类实验教学模式主要包含四个要素，即一条主线、二个周期、三大领域、六组模块。一条主线，即以农作物生长发育全过程为主线，通过农时和农事的匹配对应，结合培养方案，合理设置实验模块和具体实验内容。二个周期，即两年（四个学期，大二下学期至大四上学期）的模块化实验教学周期，通过将实验内容与农时、农事相融合，重新整合形成了农学类实验模块，实现了实验环节的整体规划和实验模块的有机衔接。三大领域，即实验内容依据培养方案涵盖了土壤、作物和环境三大研究领域。六组模块，即根据课程安排和实验需求将农作物生长发育全过程划分成了6个部分：基础土壤样品采集与测试模块、田间耕作与栽培施肥模块、苗期生长监测与营养诊断模块、中期病虫草害防治模块、收获测产与品质分析模块、环境效应分析模块。

（五）五个创新

1.创新实验教学管理。现代化的实验教学体系必须具备先进的实验教学管理机制，才能满足实验教学科学化、规范化、制度化管理的新需求。

2.创新实验教材选择。教材反映的实验教学改革和研究成果既要体现出专业的基础性又要体现出学科发展的先进性；既要体现出学科的内涵与实验内容的更新，又要展示出现代实验的新技术和新方法。

3.创新实验教学内容。实验内容除了强调专业基础知识外，还需要不断充实和及时更新，以便能够真实反映生产问题和学科发展前沿。

4.创新实验教学方法。实验教学要实现基础与前沿、经典与现代的高度融合，通过VR技术的应用设计以学生自主学习为中心、自我训练为主导的新型农学类实验教学模式。

5.创新实验教学考核方式。传统的学分制考核方式已不适应实验教学需求，而将课堂表现、随堂作业、理论考试、动手实操相结合，可以彻底改变“一考定分”的现状，多维度考查课程教学效果。考核方式的改革能使学生从“要我学”转变为“我要学”。

三、VR实验教学模式的保障机制

（一）建立管理组织，加强VR实验教学监督

为确保基于VR技术的新型农学类实验教学模式的顺利组织、实施及可持续性发展，吉林农业大学资源与环境学院成立了以分管教学副院长为组长，各学科带头人、专业带头人和系主任为副组长的VR实验教学工作领导小组，全面负责对VR实验教学的领导和监督。

（二）精选师资队伍，强化VR实验教学指导

为了保障VR实验教学的教学效果，吉林农业大学资源与环境学院对VR实验指导教师的遴选提出了严格要求，既要有中级以上职称，还要有丰富的实验教学经验和较强的动手实践能力。此外，考虑到资深教师专业基础扎实、知识面广及青年教师充满激情、学习能力强的特点，课程师资设置实现老中青搭配、优势互补。

（三）健全规章制度，规范VR实验教学管理

俗话说无规矩不成方圆，制度就是管理的基础与依据。学校结合学生培养方案，组织专业任课教师撰写不同课程的VR实验教学大纲，对实验教学目标、实验内容、过程要求、实验报告和成绩评定等环节予以充分研讨并做出明确规定。

（四）加强投入支持，改善VR实验教学条件

吉林农业大学资源与环境学院在农学类实验教学改革和教改立项前期开展了大量工作，在教改课题、教学成果及教改论文方面均取得了长足进步。2019年，作物施肥原理与技术成功获批国家级一流本科课程。2021年，“农作物和土壤放射性同位素示踪实验虚拟仿真平台V1.0”项目顺利通过专家组验收并获批软件著作权1项。此外，学校在虚拟仿真实验室的建设上也提供了重要支撑与保障，包括条件支持、经费支持和政策支持等。在具体建设和实施过程方面，依托高等教育出版社提供的整体建设方案及后续运行维护等相关服务，可以保障VR实验教学的顺利开展与可持续应用。

（五）促进区域联合，提高VR实验教学效率

为实现虚拟实验室的跨区域应用，吉林农业大学资源与环境学院集合吉林省4所涉农高校的相关专业，实现专业优势互补和教学资源共享，进而实现VR实验教学资源利用效率的最大化。

四、结语

基于VR技术的新型农学类实验教学模式的设计、建设及应用，将为农学类实验教学的改革提供有利条件，能打破传统农学类实验受天气、农时、农机、场地等因素的限制，为创新人才培养体系的建成提供强力支撑，为学生综合素质的提高提供有效保障，可全面提升新農科背景下农业人才的培养质量，有效提升学生的学习兴趣，同时可降低教学成本、节省教学时间、提高教学效率。VR技术是一项复杂的综合技术集成，由于自身涉及的硬件模块、软件系统和开发工具等较复杂，目前仍缺乏相对统一的行业标准，不同系统之间的兼容性等问题还有待进一步优化完善，这也是当前VR技术在发展中所面临的实际问题。但是，随着VR技术的快速发展，以及基于VR技术的新型农学类实验教学模式的积极探索，我们有理由相信，在不远的将来，基于VR技术的新型农学类实验教学模式将会迎来更广阔的发展空间。

［ 参 考 文 献 ］

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［责任编辑：钟 岚］