基于“新农科”的动物科学类虚拟仿真实验教学效果评价初探

冯 健,张 源,李官浩,金 鑫

(1.延边大学农学院 吉林,延吉 133002; 2.东北寒区肉牛科技创新教育部工程研究中心 吉林,延吉 133002; 3.延边大学医学院 吉林,延吉 133002; 4.延边大学实验动物中心 吉林,延吉 133002)

进入新世纪以来,教育部针对新农业、新乡村、新农民、新生态的特点,提出了加快新农科建设,为农业农村现代化提供强有力的人才和科技支撑。2019年6月,在教育部新农科建设组主办的会议上,全国五十多所涉农高校共同发出了“安吉共识”,为新农科建设提出了新的发展理念和建设思路。之后,为了进一步深化高等农林教育改革,相关高校又提出了“北大仓行动”。2019年底新农科建设北京指南工作研讨会召开,推动了高校新农科建设落地生根,发芽开花[1]。在新农科建设体系中,动物科学类相关专业是重要的组成部分。因此,在新农科背景下,探索课程体系建设、人才培养模式、教学效果提升等方面的新发展路径和方法,是教学改革的重点内容。

在新农科背景下,动物科学类实验课程在动物科学相关专业教学和人才培养过程中具有重要地位。随着新农科对人才培养要求的不断提高和评价标准的不断细化,培养具有综合素质和实践能力的复合型、应用型人才以及加强产学研相结合的课程教学是当前动物科学本科教学的关键性因素[2]。动物科学专业的课程体系和应用前景决定了在新农科建设过程中,培养动物科学人才的实践能力、创新能力等的重要意义。实验教学是动物科学类课程中有效提升实践应用能力、提高人才培养质量的关键[3]。当前部分高校动物科学专业教育实验教学改革和发展过程中发现了许多问题,同时也遇到了一些“卡脖子”的瓶颈,影响了教学效果和人才培养。特别是传统的动物科学专业实验教学课程需要使用大量的实验动物开展教学活动。然而受到经费、安全、实验动物准备与管理、不能大量重复操作等因素的制约,教学效果受到了很大的影响[4]。

虚拟仿真技术作为目前课程教学改革的热点,可通过计算机技术和网络技术开发虚拟实验组件,模拟和再现真实的实验场景和过程实施教学[5]。在动物科学实验教学中,通过虚拟现实与仿真领域(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)、人工智能(AI)以及物联网技术的综合应用,可以推进现代信息技术与新农科教育实验教学的深度融合,模拟呈现动物科学类实验所需的设备、实验工具及实验动物等,3D显示操作流程。在这一过程中,学生可以更好地了解并掌握实验实训中需要完成的任务,对课程的主要内容也能够有更深层次的“感同身受”。特别是在以往一些实验教学课程的开展过程中,学生对实践操作有一定的陌生感,影响了实验教学的成效。通过虚拟仿真技术平台,学生可以先了解实验操作的流程,理解实验原理,熟悉实验方法。这样将来在具体工作实践中,或者在实习见习过程中,就能够做到理论与实践的良好结合,避免了“眼高手低”的窘境。

作为国家第一批卓越农林人才教育培养计划改革试点专业,延边大学动物科学专业发挥自身特色优势,积极致力于新农科背景下应用虚拟仿真技术实现动物科学类实验教育教学改革发展。本研究以延边的大学动物科学专业开设的动物科学类虚拟仿真实验平台教学为例,探究虚拟仿真技术在提升实验教学效果方面的有益经验,为培养复合型应用型创新农科人才提供借鉴依据。

1 新农科背景下动物科学类实验教学的现状

新时代高等教育发展要求产、学、研相结合,而实验教学是三者结合中发展的桥梁和纽带[6]。动物科学类实验教学是培养学生实践操作能力、创新思维能力、知识应用能力的有效手段。实验教学中涉及的知识点多、重点难点多,一般需要学生通过反复实践操作才能够完全掌握相关内容。在以往的动物科学专业相关实验教学中,为了让更多的同学有机会亲手实践,需要准备大量的实验动物,消耗大量的实验试剂和耗材。许多高校在实验教学过程中很难保障充足的实验教学经费,同时近年来实验动物价格日益增高、实验试剂成本逐渐提升等,都制约了动物科学类实验教学发展,也限制了学生的创新思维能力和动手操作能力的提升。在新农科背景下,动物科学专业教育改革对实验教学提出了新的要求,但按照传统模式进行动物科学类实验教学,很难实现培养目标。虽然近年来一些企业和高校开发出一些实体仿真教具,但大多数仿真教具存在单价较高、训练功能单一、实践效果较差等问题。

2 虚拟仿真实验教学体系优势

2.1 虚拟仿真教学体系拓展教学空间

虚拟仿真技术应用于动物科学类实验教学中,能够进一步将传统的教学空间从现实中拓印到网络空间,从而避免了现实空间的束缚和条件的限制。特别是对于场地空间环境有限以及日常实验教学经费紧缺的高校来说,通过虚拟仿真教学体系的建设,可以实现教学空间的扩大、教学内容的丰富、教学成本的降低、教学场景的多元、教学形式的创新等多重利好,值得推广普及。同时,虚拟仿真实验教学体系可以实现同一实验的多次重复操作,为学生提供了更多更好的实验训练,克服了以往受经费所限,而不能多次重复练习的问题[7]。延边大学动物科学专业在动物科学类实验教学中使用虚拟仿真实验平台,采用三维仿真技术,所有的三维场景和动作均可以被操作者介入进行交互式操作,将传统动物实验无法展现的一些视角盲点,使用计算机图形模拟技术通过软件进行直观呈现。虚拟仿真实验教学系统支持VR端和PC端,既能降低学校的硬件成本,又能保证每个学生都有实训操作的机会。学生进行虚拟动物实验时无需消耗真实的实验动物,虚拟仿真技术可将符合教学实践要求的新的实验设备“搬”进虚拟空间中,创造出先进的实验条件,有利于学生开展探究性实验,并通过多次反复练习来加深技能训练成效。同时,虚拟仿真实验教学可以不完全依赖于课程体系中的教学课时,在课余时间也可以向学生开发,同时也不需要专职教师或实验技术人员在课余时间进行实验工作准备和实验后的整理工作,从而大大减轻了一线教师和实验技术人员的工作负担,为获得良好的教学效果提供了保障。

2.2 虚拟仿真教学体系实现虚实交融

在传统的教学模式中,班级是教学授课的基本形式。在同一班级的教学过程中,由于需要同时上课、同时结束,如果教学进度加快,可能导致部分后进同学有可能跟不上队伍,而放慢教学进度,则会使部分先进同学感觉“吃不饱”。同时,传统的课堂教学形式,主要是老师教授知识和进行实验示范操作,学生只能先听讲再练习。这样在具体操作的过程中,可能会遗忘一些关键步骤,导致实验失败或者未能获取理想的实验结果,进而导致实验教学效果大打折扣。虽然教材和实验指导书中对实验步骤和过程都有详细的描述,但是在具体操作过程中,学生对于生动的实验演示的理解和领会程度是高于书面演示。所以,通过虚拟仿真实验教学体系,学生可以在操作的过程中,随时观摩教学和演示,通过动态的画面更好的记忆实验过程与步骤,其效果远超静态的书面演示和一次性课堂教学演示。同时,对于比较复杂的实验操作,学生可以反复观摩、练习,这些都是传统实验教学方式无法实现的。而教师还可以通过实验平台的数据统计,了解学生对各部分知识与操作的掌握情况,从而更好的帮助学生解决难题,打通理论学习与实践操作的壁垒,取得教与学双赢的良好效果。

2.3 虚拟仿真教学体系强化应用能力

虚拟仿真实验教学通过将虚拟现实、智能交互操作系统、大数据收集和数据库整理分析等,将原来单一的实验教学形式进行了极大的丰富和扩容。在具体的教学实践过程中,以往受场地、设备、实验耗材、实验动物等限制,学生往往只能进行模仿性实验或验证性实验,很难有机会进行创新性实验和探索性实验,这在很大程度上限制了实验教学的效果。而通过虚拟仿真实验教学平台,将实验场景、实验设备等通过技术手段呈现在学生面前,学生在学习和掌握课程内的实验技术操作以后,还可以进行探索性的实验设计,并通过虚拟平台模拟可能的实验结果,大大激发了学生的学习热情,提高了学生的学习兴趣,更增强了学生的应用能力[8]。

3 虚拟仿真实验教学成效探析

3.1 以虚补实,提升兴趣

本研究对延边大学农学院动物科学专业2019级学生进行了虚拟仿真实验教学的课后调查,150名学生中90%赞同虚拟仿真实验教学可以有效提升学习兴趣(见表1)。虚拟仿真实验教学能够有效地将抽象的、不易直接观察到的实验场景真实的展现在学生的面前,较少学生对实验学习的畏难情绪和对动手操作的抵触情绪,提升学生对实验学习的兴趣。

表1 畜牧、兽医类实验虚拟仿真教学效果调查

3.2 虚实相生,强化能力

本研究的调查还发现,150名学生中认为虚拟仿真实验教学能够有效提升创新能力和思维的占绝大多数(93.33%,见表1),反映了虚拟仿真实验在能力强化提升上的优势。在实践教学过程中,熟能生巧是一项重要的方式。传统的教学方式很难实现每位学生都能亲自上手实践,而采用虚拟仿真实验平台以后,每位学生都可以亲身实践,并且可以多次、重复实践,大大提升了动手操作能力。

3.3 教学相长,共同提高

虚拟仿真实验教学不仅对学生有益,对于教师也有很大帮助。传统的实验教学需要教师做大量的实验准备工作,在教学过程中还要时刻观察学生的操作是否妥当,避免学生受到伤害。在教学成果检查中往往只能通过现场操作观察和实验报告书写等方式进行。通过虚拟仿真实验,使教师从繁重的实验准备过程中解脱出来,有更多的精力投入到教学过程中。同时教师通过虚拟仿真实验教学平台还可以更好的对学生的知识和能力掌握情况进行分析评价,教学相长,使教育教学更符合新农科发展的要求。

4 结语

作为落实新农科建设和教育教学改革的重要抓手和有效助力,虚拟仿真实验在动物科学专业人才培养过程中发挥着关键作用[9]。动物科学类虚拟仿真实验具有实时交互、全真模拟、反复实践、多重评价等功能,对新农科背景下的动物科学专业教育教学改革发展和培养质量提升有着很好的促进作用[10]。然而在具体运用中,不能仅仅寄希望于虚拟仿真实验可以“一招鲜,吃遍天[11,12]”,而是应当综合应用教学方法、实践理论和先进技术,统筹提升教学成效。