基于OBE理念的虚拟仿真实践教学体系建设与探索

付晓明　尚家杰　张欣悦　李文涛

摘  要：实践教学是工程教育的重要组成部分，是培养和提高学生工程实践能力和科技创新能力的重要途径。该文剖析当前形势下农业机械化及其自动化专业实践教学环节存在的主要问题，总结虚拟仿真实践教学体系建设的实施举措，形成以行业对实践能力需求为引导、以学生发展为主线、以提高学生实践和创新能力为核心的“2+4+1”农机专业虚拟仿真实践教学体系。在实践教学各环节构建虚拟仿真实践平台、完善考核机制，通过虚拟仿真实践训练与实体实训的融合，促进农机专业人才的综合能力培养。

关键词：农业机械化及其自动化专业；实践教学体系；OBE工程教育；虚拟仿真平台；综合能力培养

中图分类号：G642      文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2024）16-0123-05

Abstract： Practical teaching is a crucial component of engineering education， serving as an essential avenue for cultivating and enhancing students' practical engineering abilities and technological innovation capabilities. This article examines the primary issues inherent in the practical teaching of agricultural mechanization and automation in the current context. It summarizes the implementation measures for the construction of a virtual simulation-based practical teaching system， developing a "2+4+1" virtual simulation practical teaching system for agricultural machinery majors. This system is guided by industry demands for practical abilities， centered on student development， and emphasizes enhancing students' practical and innovative abilities. It constructs virtual simulation practice platforms and improves assessment mechanisms across various stages of practical teaching. By integrating virtual simulation practice training with physical training， it promotes the comprehensive cultivation of agricultural machinery professionals.

Keywords： agricultural mechanization and automation major; practical teaching system; OBE engineering education; virtual simulation platform; comprehensive ability training

近年来，随着我国现代化农业的快速发展，我国正处于从传统农业逐渐向精准农业、信息农业、智慧农业转变的重要环节，农业生产对农机专业人才提出了更高的要求。我国农林院校所开设农业机械化专业教学主要以理论教学为主，学生对农业机械的实体了解较为匮乏。由于农业机械化及其自动化专业（以下简称“农机专业”）理论知识架构要与农艺相结合，所面对的对象（如农作物、土壤、水、风和天气）千变万化，因此培养的学生不仅要有理论水平，更要有较强解决复杂农业工程实际问题的能力和创新能力[1]。因此，如何培养面向社会需求的高素质复合型农机专业人才是农林高校亟需考虑的重点问题。

当前，随着中国工程教育认证逐步推进，OBE（Outcomes-based Education）教育模式与教育理念在诸多高校工程实践教育中得到了广泛应用，并取得不错的教学效果[2]。黑龙江科技大学针对机械设计制造及其自动化专业实践教学环节存在的问题，在实践教学各个环节的教学目标规划基础上构建了基于OBE理念的机械类专业实践教学体系[3]。甘肃农业大学机电工程学院针对新冠感染疫情的形势，学生不能返校，采用虚拟仿真实验教学，运用此方式教学促使学生的专业兴趣和创新意识明显提高[4]。南京理工大学基于新工科理念构建了基于IdeaVR软件的虚拟仿真实验平台，该平台开发设计了机械安全虚拟仿真实验教学系统，提升了机械安全课堂教学素材的广度、深度及教学手段的前沿性[5]。辽宁工程技术大学将虚拟仿真技术引入资源勘探工程专业教学，促进学生的学习积极性和自主性，有效提升了教学效果和质量[6]。电子科技大学将虚拟仿真技术融入传统机电一体化实验教学中，不但节省了教学资源，还培养了其工程实践能力[7]。越来越多的高校运用OBE教育理念将虚拟仿真技术与实践教育相结合，使学生能更加深入学习专业知识，提高实践和创新能力。

本文以OBE工程教育理念为背景，通过农机专业虚拟仿真实践教学体系建设，强调实践教育产出，探讨虚拟仿真实践教学模式和方法，为其他专业实验和实践教学模式提供参考和借鉴。

一  实践教学存在问题剖析

（一）  实践条件局限性

目前，在农机专业实践教学过程中主要涵盖农业认知实践、拆装与测量实习与农业机械化生产实践等主要实践内容。但部分实践项目受到季节、场地、气候与成本等多方面因素的限制，部分实际操作环节突显出较强的局限性[8]。例如，以往在农业认知实践中，主要以学生到田间农业生产现场结合基础知识通过实践方式掌握部分农作物生长特点及其农业生产过程，使学生了解农机专业在农业生产中的重要作用。但由于区域限制、作业周期、时间成本等因素影响，在实践过程中，学生无法全面了解农作物的种植特点和完整生产过程，实践过程缺乏连续性和沉浸性；在拆装与测量实习中，主要以实践基地现有的部分农业机械与关键部件为实践操作对象，学生通过对其拆装与测量的实践过程，了解部分农业机械的结构与工作原理。但现有用于实践的农业机械种类和数量不足，若完善各类农业机械教具必将导致实践成本的大幅增加，同时由于农业机械的更新换代速度较快，农机拆装实践基地难以与实际应用的农业机械保持一致。因此，当前实践条件难以满足农机专业人才实践能力培养的需求[9]。

（二）  实践内容多样化不足

农机专业实践教学体系各实践教学环节的内容较为单一，缺少以学生综合实践能力提升为基础的多样化教学内容。例如，在农业机械化生产实践环节，应该以农业生产对农机专业人才的能力需求为引导，围绕农业机械化生产过程开展涵盖主要作物机械化生产模式、农机实践操作、故障诊断与农机作业标准化管理等多方面实践内容。但目前实践环节缺少与农业机械学、农机运用与管理、农业机械化生产学等主要理论课程融合的多样化实践教学内容。学生不清楚实践环节的作用，实践内容缺少综合性的联系，导致学生对实践学习的积极性较低。学生实践主要为应付考核，因此不能发挥学生的主观实践意识和创新能力，不利于培养学生分析和解决问题的综合实践能力。

（三）  实践教学手段单一

目前农机专业的实践过程与理论结合的实际操作相对较少，实践教学过程中仍然以示范与观摩为主[10]。例如，在农业机械化生产实践环节，为保证学生安全且不影响农业生产，学生无法真正做到对农业生产设备进行实际操作，并且对生产规范缺少实际的了解，实践过程也无法模拟各类生产作业过程，从而不利于学生综合实践能力的培养。

因此，构建虚拟仿真实践教学体系，一方面可以有效地与专业知识体系结合，学生可以通过仿真操作和实践学习对完整专业知识体系有系统的理解和掌握；另一方面可以通过完整的虚拟实践体系，丰富实践教学内容和手段，解决实践条件和不确定性因素的限制，安全地、系统地、全面地培养学生综合素质，提高学生的实践积极性和创新实践能力。

二  虚拟仿真实践教学体系构建

（一）  实践教学体系反向设计

在实践教学过程中，以OBE教学理念为基础，不仅要考虑学生在实践课程结束后所达成的课程目标及专业培养目标，还要以此为基础进行反向构建实践教学内容。农机专业虚拟实践课程OBE教育模式以社会需求为引导，通过实践课程培养目标，建立装备设计与研发和农机运用与管理双方向实践教学结构，反向设计支撑该目标的虚拟实践教学体系和培养目标，从而制定实践课程体系和虚拟实践教学模块。虚拟实践教学模块由农业认知、典型农机装备结构与原理、农机作业和农机运用与管理四个实践教学模块组成，可根据培养方向和培养目标对分类培养重点实践环节灵活设置不同实践模块所占比重，并对学生经过虚拟实践环节后的知识体系、操作技能、综合能力进行量化反馈和综合评价。将OBE教学理念应用于农机虚拟实践教学，形成以成果为导向的两个方向、四个实践模块、一个综合能力评价的“2+4+1”农机专业虚拟实践教学体系，具体实施理念与实践教学体系如图1所示。

（二）  实践教学体系课程内容构建

根据OBE理念对农机专业实践教学体系内容进行构建与优化，分模块设置阶段性成果。在原有实践体系基础上融入虚拟实践模块，并与农机专业课程理论体系相结合，每个模块后设置阶段性成果，可使学生在虚拟实践环节中深入理解理论知识，进一步明确学习目标，为实践体系提供实践经验积累和实际操作技能的支撑。在虚拟实践教学过程中，以社会需求农机专业人才工程技术和创新实践能力为依托，以实践能力所必备的专业理论体系为支持，围绕农业基础认知、典型农作物及其配套机械化与智能化装备、农业生产过程与管理等进行讲解、分析与评价。通过教师指导与示范，学生们进行虚拟实践操作，并共同探讨和研究相关技术特点，让学生结合所学理论知识，通过实践调研和综合设计，总结出现有技术和相关机具的优缺点，培养学生综合素质与创新实践能力。农机专业虚拟实践教学体系课程设计思路见表1。

三  虚拟仿真实践教学平台模块与评价体系建设

我国地域差异性大，农作物及种植模式多样，农业机械同样种类繁多，农业机械教学单纯靠课堂的理论知识难以使学生深入学习领会，通过虚拟仿真的手段使农业机械教学实现了农学、机械、电子、液压和控制多领域、多学科的交叉融合[11-13]。根据OBE理念，对农机专业虚拟实践体系课程内容进行优化，分模块建立虚拟实践教学平台，涵盖农业认知、典型农机装备结构与原理、农机作业和农机运用与管理四个实践教学模块，并分模块设置阶段性成果。各实践教学模块与农学基础、农业机械学、农机运用管理学等专业课程相结合，优化实践教学实施过程，完善考核与评价体系。

（一）  平台模块建设

1  农业认知虚拟实践教学平台

以主要农业作物为基础，利用全息投影技术，构建农作物全生长期状态虚拟仿真平台。通过农业认知虚拟实践，了解现代农作物的生长习性，将农业基础理论知识渗透到实践中，强化理论和实践的结合，提高学生对现代农作物特点、栽培与措施等多方面的认识和理解。

2  典型农机装备结构与原理虚拟实践教学平台

以耕作机械、播种机械、收获机械等典型农机装备为基础，利用VR虚拟现实基础，构建农机装备结构与原理虚拟仿真平台。学生可以通过虚拟仿真操作，对典型农机装备进行拆装实践操作，充分了解农业机械结构特点与工作原理，弥补传统农业机械学实验和拆装实习中机械类型多样化不足、实践内容与操作单一等缺点。将农机装备虚拟实践环节与课程设计相结合，进一步提高学生对现代化农机装备特点与原理的理解，增强学生的创新设计思维与能力。

3  农机作业虚拟实践教学平台

以典型农作物的机械化耕作、播种、田间管理与收获等农业生产环节为基础，通过农机具模拟操作技术，建立农机作业虚拟实践平台。学生可以通过仿真驾驶操作，对玉米、大豆、小麦及部分经济类作物的全程机械生产过程进行虚拟实践操作。了解农业机械化生产过程，认识农机作业环节和基本操作方法，提高学生对现代化农业全程机械化生产的认识和理解。

4  农机运用与管理虚拟实践教学平台

以典型农业生产企业的农机配备、维护、调整与标准化管理为基础，整合农机作业虚拟实践平台，运用农业物联网、田间智能化管理、农业大数据管理技术，建立农机运用与管理虚拟实践平台。将农机运用管理学、精准农业技术及现代企业管理等课程与农机运用与管理虚拟实践环节有机融合。学生可以通过农机管理虚拟实践平台，对农机配备、维护及标准化管理过程进行模拟操作，通过平台模拟数据的分析与决策，对智慧农业中的农业物联网与田间智能化管理过程有进一步的了解和认识。

（二）  评价体系建设

完善考核机制与评价体系是有效保证实践教学高质和高效运行的重要环节。以成果导向为基础，将OBE教育理论贯穿虚拟实践教学环节，强调对学生实践能力的综合评价。在实践考核过程中将结果与过程相结合，评价与考核指标见表2。在评价体系中将学生的学习成果与能力提升作为评价实践教学成果的评价依据，整合虚拟仿真实践教学与实体实践教学，形成虚拟仿真实践教学评价体系。实践内容、方法及考核过程与实践教学所支撑的毕业要求匹配，客观反映毕业要求对实践能力指标的达成情况。通过与校外多家农机行业优秀企业建立校企联合培养的产教融合模式，一方面使实践指导教师和学生深入企业，促进师资水平、实践教学与创新创业等方面的发展；另一方面请企业技术骨干与校外行业专家进行实践指导与质量评价，形成校企联动的实践教学过程质量监控机制，促进实践教学质量的持续提升与改进。实践评价体系中明确虚拟仿真实践教学各环节评价内容、质量要求、考核方式，各实践模块以分析问题、解决问题、创新能力等学生综合能力提升为核心，考核对各环节实践评价内容的达成情况，并通过成果汇报、过程评价、自评和互评等多种方式客观反映学生各方面能力的达成度，从而实现以学生发展和能力提升为中心的实践教学过程。

四  虚拟仿真实践教学实施与建设成果

在虚拟仿真实践教学过程中分别通过实践内容分析、实践方案设计、仿真实践操作、成果汇报与实践经验总结五个阶段开展实践教学。学生以团队合作的方式针对各虚拟仿真实践模块进行实践内容的查阅和分析，以及相关文献资料的搜索和总结，根据虚拟仿真实践内容和要求进行实践方案设计，并分小组讨论交流，确定最优设计方案，重点培养学生的团队协作能力、沟通交流能力、创新实践能力。各团队展示实践成果，并提交实践报告，同时各实践团队之间进行实践经验学习交流，重点培养学生的表达、交流能力和综合素质。

经过实践教学可知，虚拟仿真实践平台的应用极大地提高了农机专业实践效率和效果，学生参与实践教学的积极性明显增加，创新思维和创新意识得以增强。另外，对于部分实践项目，学生还可以通过网络平台进行远程的虚拟实践学习和考核评价。一方面学生通过该平台可以对实践内容进行提前预习和课后复习，对理论课程进行补充学习，另一方面有效解决了在新冠感染疫情封闭期间专业实践环节难以实施的难题。

五  结束语

根据OBE工程教育理念，以社会需求的农机专业人才工程技术和创新实践能力为导向，以实践能力所必备的专业理论体系为支持，建立了“装备设计与研发”和“农机运用与管理”双方向实践教学结构。将虚拟仿真技术融入实践教学，构建了农业认知、典型农机装备结构与原理、农机作业和农机运用与管理四个虚拟仿真实践教学模块和一个综合能力评价体系，形成以成果为导向的两个方向、四个实践模块、一个综合能力评价的“2+4+1”农机专业虚拟实践教学体系。通过虚拟仿真实践训练与实体实训的有机结合，提高学生动手能力、创新能力和团队协作能力，进一步促进农机专业人才的综合能力培养，推动我国现代化农机教育事业的发展。

参考文献：

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[8] 赵悦，王倩，张英华，等.植物生长与田间管理虚拟仿真教学系统的建设[J].高等农业教育，2019（1）：87-91.

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基金项目：黑龙江省高等教育教学改革研究项目“专业认证背景下的农业工程实验教学示范中心教学模式创新与实践”（SJGY20200066）；黑龙江省教育科学规划重点课题“基于普通农业院校新工科的工程实践教育体系与平台构建”（GJB1421190）；黑龙江省教育科学规划重点课题“适应产教融合发展的农业工程类专业人才培养模式构建与实践”（GJB1421191）；黑龙江八一农垦大学教育教学研究课题“工程专业认证视域下机电一体化技术课程教学与思政一体化育人模式探索与实践”（NDJY2215）；黑龙江八一农垦大学研究生教育教学改革项目“新形势下专业学位研究生培养模式的研究”（YJG202208）

第一作者简介：付晓明（1987-），男，汉族，辽宁宽甸人，博士，副教授，硕士研究生导师。研究方向为农业机械化工程装备自动控制教学与科学研究。

*通信作者：尚家杰（1987-），男，汉族，山东东平人，博士，工程师，农业工程国家级实验教学示范中心副主任。研究方向为免耕播种装备教学与技术研究。