牛生产学虚拟仿真教学课程建设与应用研究

廉红霞 苏传友 张立阳 高腾云 孙宇 付彤

摘  要：为推动信息技术与高等教育深度融合，该文以高校牛生产学教学需求为导向，聚焦高等教育高质量发展的迫切需要，基于动物科学专业及牛生产学课程教学的特点，从课程建设及应用要解决的重点，教学载体与教学方法、虚拟仿真教学课程内容与组织实施、课程成绩评定方式、课程评价及改革成效等方面，对牛生产学引入虚拟仿真教学、虚实结合的课程建设及应用进行详尽的研究。通过项目实施，构建校企信息共享平台、形成虚实融合教学模式，创新人才培养模式。

关键词：牛生产学；虚拟仿真教学；虚实融合；课程建设；教学模式

中图分类号：G640      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）09-0119-04

Abstract： In order to promote the deep integration of information technology and higher education， this paper is guided by the teaching needs of Cow Production in universities， focusing on the urgent need for high-quality development of higher education. Based on the characteristics of animal science majors and the teaching of Cow Production， this paper focuses on the key points to be solved in course construction and application， teaching carriers and methods， virtual simulation teaching course content and organization implementation， course performance evaluation methods. In terms of course evaluation and reform effectiveness， detailed research has been conducted on the introduction of virtual simulation teaching and the construction and application of virtual reality combined courses in cattle production. Through project implementation， a school enterprise information sharing platform has been constructed， a virtual reality integration teaching model has been formed， and innovative talent cultivation models have been established.

Keywords： cow science; virtual simulation teaching; virtual and real fusion; course construction; teaching mode

教育強国是中华民族伟大复兴的基础工程，必须把教育事业放在优先位置，加快教育现代化，办好人民满意的教育[1]。高校教育信息化的持续发展，可实现整合教学资源，释放人力，减轻教师的教学负担，大大提高其办公与教学的效率；同时，学生通过高校教育信息化，在智慧课堂、在线课堂等平台进行自主学习，补充巩固线下课上所学，完成高效化的学习。在人工智能背景下，对高校教育信息化发展提出了新的要求，需要对教育信息化路径进行准确选择，以全面有效提高教育信息化的水平[2]。在智慧教学改革研究方面，加强跨专业、跨学校、跨地域的教研交流，提升教师在信息化条件下的教学研究意识[3]。

畜牧业是现代农业产业体系的重要组成部分。畜牧业的快速发展，有利于促进农业产业结构升级优化、农牧民增收、农村发展[4]。国务院办公厅印发的《关于促进畜牧业高质量发展的意见》指出，要以实施乡村振兴战略为引领，以农业供给侧结构性改革为主线，转变发展方式，不断增强畜牧业质量效益和竞争力，形成产出高效、产品安全、资源节约、环境友好和调控有效的高质量发展新格局[4-5]。随着经济社会的发展和人们对畜牧产品需求的增加，规模化和集约化养殖已成为当前畜牧生产的主导方式，传统的生产管理模式已经无法满足畜牧业现代化发展的需要。在实现畜牧业现代化发展的过程中，我国畜牧业也面临着自主创新能力缺乏、机械设备精细化程度偏低、环保设备设施不完备等亟须解决的问题[6]。

农业高等院校是培养农业专门技术人才的孵化基地，在推动城镇化、农业现代化进程中具有重要作用，尤其是在培养畜牧科技人才方面承担着重要的责任和义务[7]。动物科学专业为畜牧产业发展提供人才保障。动物科学是生命科学的重要分支，该专业任务是使学生了解和掌握动物生产领域的基本知识与技能，为从事畜牧业研究和生产、牧场管理、农业推广与咨询等工作做好准备。牛生产学是农业高校动物科学专业的核心课程，传统牛生产学教学制约颇多，限制了该课程教学目标的达成[8]，将3D虚拟仿真技术应用于高校牛生产学教学与实践，建立基于3D虚拟仿真技术“虚实结合”的牛生产学虚拟仿真教学资源对我国现代化畜牧业人才培养意义重大。

一  牛生产学虚拟仿真教学课程建设及应用要解决的重点问题

牛生产学智慧教学课程与教学改革要解决的重点问题包括以下方面。

鉴于课程实践性强的特点，合理安排授课内容，增加3D虚拟仿真实验教学内容，突出培养学生实际动手能力。实现课程建设的高阶性、创新性和挑战度的要求。

突出学生为主体的教学模式，打破传统课堂以教师为主的教学模式，突出实践活动组织，培养学生综合能力的目标。

利用本课题建立的校企信息共享平台、网络资源，将现代信息技术与传统教学相结合，建立丰富课程资源，采用灵活的课堂授课方式，提高学生参与教学环节。

完善课程评价体系，通过注重学生学习过程，改革学生评价方式，培养学生创新思维，提升学生综合素质和能力。

二  牛生产学虚拟仿真教学课程建设

（一）  教学载体与教学方法

牛生产学采用虚实融合的新型教学模式，按照 “遵循教学规律、注重教学科研融合、加强校企合作、资源开放共享”的建设思路，遵循“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，按实体、数字和仿真分类进行有效的分类统一治理，建立牛生产学课程资源平台。

项目推进现代信息技术融入实验教学项目、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平。课程负责人承担的虚拟仿真实验教学项目的建设，原本是为了解决实验课时不足的问题，与传统的教学手段相互补充，有效地为学生提供更加接近真实的学习环境，激发学生的学习兴趣，有效提高教学效果和质量。但在实际的实施过程中，却意外发现虚拟仿真实验有助于提高课程思政的实施效果。在牛生产学虚拟仿真教学中，培养了学生生产实践能力，训练学生将动物福利和关爱贯穿于虚拟生产的全过程。这在以往常规的动物生产课程中也是难以实现的。

（二）  课程内容与组织实施

牛生产学使用线上线下混合式、智慧教学模式，超星的教学文本、课件、视频等资源方便学生在线上预习和学习；单元测试和作业便于学生检查自己对知识点的把握。线下对基本概念、基本理论、重点和难点知识进行初步讲解，并且组织学生进行专题讨论、翻转课堂、实验设计和实验操作等，使学生对知识进一步理解、掌握和升华，达到课程设计的知识、能力和素质目标。通过虚实结合的智慧教学新体系，提高本科教学质量，实现“以学生为中心”的教学理念。

牛生产学内容包括绪论、牛的生物学特性、牛的品种及利用、牛的生产力评定、牛的营养需要与饲料调制、奶牛的饲养管理、肉牛的饲养管理及牛场建设与环境控制等内容，涵盖了奶牛及肉牛生产过程中的理论及实践知识。牛生产学的理论教学内容主要包含牛的品种、生产力评定、饲养管理及牧场规划等内容，实验教学内容主要集中于牛奶的生产力评定及牛场的生产实践管理等。课程48学时，其中，理论课时32学时，实验课时16学时。

针对牛生产学课程学时少、知识点多、实践性强的特点，课题组组织教学研讨会，探讨牛生产学教学的重点、难点，引入虚拟仿真技术，施行虚实结合的教学模式。课程确定了20多个教学中的重点和难点，与现代化奶牛场建立信息共享系统，就牛生产学教学中实验时间长、实践性强的内容，制作3个3D虚拟仿真实验，另外从国家虚拟仿真实验教学课程共享平台引入课程教学实验1个，具体见表1。

（三）  课程成绩评定方式

课程采用过程性评价+终结性评价，建立了多元化、动态化、综合化的成绩评定方式。课程成绩由过程考核成绩、实验成绩和期末考试成绩组成，占比分别为20%、20%和60%。过程考评成绩从出勤率、学习主动性、任务方案、学习任务完成结果等方面进行考核；实验成绩由虚拟仿真实验成绩和实践操作及实验报告等方面按比例综合评定；期末考核采用闭卷、笔试形式。其中，虚拟仿真实验部分利用3D 虚拟技术平台对学生的学习过程、操作过程、考试等进行分析与评价，并将学生的学习成果利用3D 虚拟平台展示出来。

（四）  课程评价及改革成效

本课程教学评价均为优秀，课程组老师评分均在95分以上。课堂实施中，课堂师生互动频次明显增加，学生回答问题、学生讨论问题的时间明显增加；翻转课堂极大提高了学生的课堂参与度。

课题组老师均获得全国农林高校“牛精英挑战赛”优秀指导教师称号，共计8人次；指导的侯萌、李盈月、齐昆龙、王梦想和寇宇斐等本科生参加全国农林高校“牛精英挑战赛”，获得一等奖、二等奖共计7人次。

2021年以牛生产学课程组为主要力量举办的动物科技学院“牛韵千载 犇赴未来”牛主题文化节已在人民日报客户端、河南日报、新华网河南频道等30家主流媒体进行报道和展示，2 000余名学生参与其中，充分体现课程在教书育人上的示范作用（图1）[9]。

三  牛生产学虚拟仿真教学应用

课题组对牛生产学虚拟仿真教学课程建设及应用进行了深入研究，按实体、数字和仿真进行有效的分类研究、统筹，建立虚拟仿真资源平台。平台以“互联网+”技术为基础，构建的跨地区、跨行业、跨实验室的多功能综合服务共享平台。施行多维质量评价体系，推动评价主体多元参与，建立了同行教师、管理人员及督导专家等多主体共同参与评价机制。根据评价主体特点设计多样化评价方法，包括即时评价、信息反馈、结课评价、毕业前评价、听课评价、督导评价及巡课评价七种。选取教学态度、教学内容、教学方法、教学能力、学习收获、课堂管理、教师行为、教师状态及学生状态九个指标。实施校院两级管理，学校负责制定总体评价框架及相关评价指标体系优化等工作。

课程体系建设的逻辑起点是育人目标，课程体系的建设不仅包括课程设置，还涉及课程管理和课程资源等内容。加强课程体系建设，围绕教学理念创新、教学内容创新、教学方法创新和教学模式（慕课、翻转课堂、线上线下混合式教学和探究式教學等）等，完善课程体系六要素：课程目标、课程功能、课程内容、课程实施、课程评价及课程管理，通过六要素的完善和提高，融“教、学、做”为一体，强化学生动手操作能力，激发学生内源性学习动力。形成优质的精品教学应用案例相关的课程资源，建立智慧教学示范课程。通过承办智慧教学等相关研究会议，与河南牧业经济学院及牧原、正大、花花牛等现代养殖企业进行区域性协作，以扩大“动物生产学科领域知识图谱的自适应学习研究型智慧教学”研究成果的推广应用。

为提升课程教学的信息化和国际化水平，学校成立了在线教育中心，统筹推进课程建设与运行，展示学科优势特色，为更多学有余力的学生提供多专业学习渠道；开展基于在线课程的校内课堂教学模式改革以及智慧教室的启用，提高学生学习成效，有效推动学校小班教学的内涵建设。

课程组对课程质量的评估和教学进行有效性研究，促进向以学习者为中心的教学转型。注重教学方法和教学手段的改进，结合现代化信息交流手段，广泛利用网络资源，针对牛生产学的教学和学习方法进行探讨，为教学工作奠定了良好的基础。

四  虚拟仿真教学模式特色与创新之处

课题组始终围绕破解当前高校创建“个性化、多样化、终身化”智慧教育新生态面临的关键问题，利用人工智能、大数据、物联网等信息技术深入探索智慧化教育教学改革工作，整体提升智慧教学研究能力，为提升本科高校智慧教学应用水平和优化智慧育人环境提供基础支撑和条件支持。

首先，构建校企信息共享平台，打造“互惠互利”新模式：将企业可视化信息引入高校牛生产学课堂教学，提高教学效果，提高学生专业素养；学生也可到企业去“创业”，为企业输送新鲜血液，实现互惠互利。

其次，形成虚拟现实教学系统及虚实融合的教学模式：将3D虚拟仿真技术引入牛生产学的教学，创新了信息化教学模式——虚拟化教学模式。运用实验手段提高课堂理论教学的有效性，创新教学方法，建立了虚实融合的新型教学模式。

最后，拓展企业与高校的交流。企业通过信息共享为学校提供教学素材，学校为企业提供合理化建议和专业人才，建立资源共享、优势互补的校企合作智慧畜牧产教融合人才培训体系，加强学生智能设备应用实践能力培养。

五  虚拟仿真教学研究的学术价值、应用价值及社会影响

课题依托单位与现代化养殖企业（花花牛等）签订信息共享协议，搭建信息共享平台； 开通学校共享客户端；可通过互联网调入企业生产视频信息，结合实际案例分析，服务教学。通过合理的协调、管理和统筹，使某一区域范围内的各类资源得到最优化的利用。

构建的动物生产仿真数据资源库进行多维度、全方位试行、完善及改进，扩大虚拟现实教学新系统的使用范围，除牛生产学课程之外，也可在动物营养学、配合饲料加工工艺学及家畜环境卫生学等课程的教学中均可使用，扩大项目的推广使用。

依据本项目研究与成果，获准建立河南省2021年度本科高等学校“动物生产学智慧教学研究实验室”，通过网络资源平台建立研究成果共享机制、智慧教学交流学习培训机制，形成开放、共享、有效的新型智慧教学研究实验室，将充分发挥高校及养殖企业在科研、人才、技术等方面的优势，探索智慧教学特色新模式，创新校企合作机制，提高学校人才培养，提升高等教育服务产业的能力。

六  存在的问题尚需深入研究

根据实施情况，牛生产学虚拟仿真教学建设尚存在以下问题。

硬件尚需升级：网络和通信设备达不到要求，在线观看画面容易出现卡顿现象。需改善网络通信质量，使用5G网络观看，可大大改善画面质量。另需加大仿真设备升级投入，以达到沉浸式、交互式体验效果。

教学体系需进一步完善：采用虚拟现实教学新系统授课，随之而来的是智慧课堂特有的新问题，如在线观看企业视频，学生容易被纷杂的内容所吸引，不易聚焦重点；虚拟现实切换，造成学生注意力不集中等问题。需要授课教师提升信息化教学意识及智慧教学研究水平，主动对原有课程教学体系升级更新，以形成全新的虚拟现实教学新体系。

七  结束语

牛生产学从课程内容与组织实施、课程成绩评定方式、课程评价及改革成效等全面引入虚拟仿真教学，构建课程虚实融合教学模式，创新人才培养模式，进一步提升学生综合素养，有效助力“四新”建设。

参考文献：

[1] 曹中秋.习近平教育观研究[D].武汉：武汉理工大学，2021.

[2] 李彦欣.“大数据+人工智能”背景下高校教育信息化的路径选择[C]//第十六届全国信号和智能信息处理与应用学术会议论文集，2022.

[3] 河南省教育厅关于印发《河南省本科高等学校智慧教学三年行动计划》的通知[EB/OL].http：//www.haahe.edu.cn/2021/0806/c185 73a247179/page.htm.

[4] 李軍，潘丽莎.乡村振兴背景下畜牧业高质量发展面临的主要矛盾与破解路径[J].经济纵横，2022（8）：58-64.

[5] 国务院办公厅关于促进畜牧业高质量发展的意见[EB/OL].https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2020-09/27/content_55476 12.htm.

[6] 王海飞，曹越，吴圣龙，等.智慧农业时代背景下畜牧学本科生人才培养方式的探讨[J].教育教学论坛，2020（45）：267-268.

[7] 薛海波，吴文良，李明.我国高等农业教育与农科类人才培养历程及经验启示[J].河南农业，2020（3）：4-10.

[8] 张金璧，徐世永，邓凯东，等.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[J].畜禽业，2022，33（7）：69-71.

[9] 河南农业大学新闻网.人民日报、河南日报、新华网河南频道、大河网、大象新闻等30家媒体报道我校“牛韵千载 犇赴未来”牛主题动物文化节活动[EB/OL].（2021-12-09）.https：//www.he nau.edu.cn/info/1133/29088.htm.