农业高校智慧实践教学体系构建

摘" 要：农业高校涉农专业实践教学活动因受植物生长周期及季节限制，加上植物种植占地多、成本高而开展困难。随着我国高校教育改革工作的推进，以及人工智能、大数据等现代信息技术与教育教学的深度融合，华中农业大学作物学国家级实验教学示范中心通过确立智慧实践教学理念，设立智慧实践教学目标，组建以互动显微镜、“有教灵境”为代表的智慧实践教学场景，构建智慧实践教学管理平台，创建数字化实践教学资源，以及开展智慧实践教学活动等举措重构实践教学体系，从而打破时空限制，培养理论知识扎实、实操能力过硬、兼具现代信息技术与传统农业技能的创新应用型人才。

关键词：农业高校；智慧教学；实践教学；体系构建；创新应用型人才

中图分类号：G642.0" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2096-9902（2025）04-0155-05

Abstract： Practical teaching activities for agriculture-related majors in agricultural colleges and universities are difficult to carry out due to plant growth cycles and seasons， as well as the large area and high cost of plant planting. With the advancement of education reform in China's colleges and universities and the deep integration of modern information technologies such as artificial intelligence and big data with education and teaching， the Crop Science National Experimental Teaching Demonstration Center of Huazhong Agricultural University has established the concept of smart practical teaching， set up smart practical teaching goals， and established interactive microscopes， smart practical teaching scenarios represented by \"teaching spiritual environment\"， build a smart practical teaching management platform， and create digital practical teaching resources. As well as carrying out smart practical teaching activities and other measures to restructure the practical teaching system， thereby breaking the limitations of time and space and cultivating innovative and applied talents with solid theoretical knowledge， excellent practical skills， and both modern information technology and traditional agricultural skills.

Keywords： agricultural university; smart teaching; practical teaching; system construction; innovative and applied talent

农业高校是培养未来农业专业人才的摇篮，其主要任务是培养能够解决农业生产实践问题的创新应用型人才，为农业生产及农村现代化服务，其专业实践性非常强，教学过程中需要开设大量实践课程对学生进行实践能力训练，以培养他们解决农业生产问题的能力。然而大多数实践课程因植物生长周期长而且受季节限制，加上植物种植占地多、成本高而开展困难，导致培养的学生解决生产实践能力欠缺。

随着智慧教育时代的到来，以及大数据、人工智能在教育教学上的应用，利用信息化、数字化手段构建智慧实践教学体系，不仅能够打破时空条件限制，让过去无法开展的实践教学项目成为可能，而且能够实现教育的个性化、智能化及互动化发展，从而培养符合社会需求的创新应用型人才[1-3]。

智慧教学是教育现代化的必由之路[4-7]。教育部于2018年印发《高等学校人工智能创新行动计划》，中共中央、国务院印发《中国教育现代化2035》，以及教育部2024年全国教育工作会议上提出对高校应用型人才培养机制进行优化和创新，强调高校要将人工智能、大数据等现代信息技术和实践教育深度融合，推进实践教育数字化，构建实践教育新形态，创新实践教学新模式，满足多元化的实践教学及个性化的学习新需求，从而推动智慧教育时代下应用型人才的培养[8-12]。

本文以华中农业大学作物学国家级实验教学示范中心为例，探索通过确立智慧实践教学理念，设立智慧实践教学目标，组建以互动显微镜及“有教灵境”为代表的智慧实践教学环境，构建智慧实践教学管理平台，创建数字化实践教学资源，以及开展智慧实践教学活动等举措多管齐下，从而促进实践教学智能化转型，为培养一流拔尖创新人才服务。

1" 确立智慧实践教学理念

华中农业大学智慧实践教学理念以学生为中心进行确立，强调学生的主体地位和教师的主导作用，通过积极改善实践教学条件，利用智能技术为学生提供个性化学习路径和资源，来满足学生智慧化学习需求，促进学生主动学习的积极性和创新能力的发展。

2" 设定智慧实践教学目标

华中农业大学智慧实践教学目标的设立与农业现代化发展需求相结合，目的是响应国家号召，培养能将现代信息技术、工程技术与生物技术与现代农业发展有机融合，专业知识扎实，实践能力过硬，兼具创新精神与“三农”情怀的智慧农业创新人才。

3" 组建智慧化实践教学场景

开展智慧实践教学的前提是完成智慧实践教学场景建设。华中农业大学作物学国家级实验教学示范中心充分利用智慧校园建设基础，建设了室内及室外2种形式的智慧实践教学场景。

3.1" 室内智慧实践教学场景

中心建设了3种形式的室内智慧实践教学场景，分别是计算机智慧教室、“有教灵镜”智慧教室及互动显微镜智慧教室，以满足不同形式的实验室内智慧实践教学需求。

3.1.1" 计算机智慧教室

每个教室由36台学生电脑及1台教师电脑组成（图1）。学生电脑可以进行教学软件的下载安装、保存及软件对拷等。计算机智慧教室能够满足智慧农业、生物信息、数字图像处理、精准作物表型组、植物大数据技术、生物统计与田间试验设计，以及虚拟仿真实验等课程的智慧实践教学需求。

图1" 计算机智慧教室

3.1.2" “有教灵境”智慧教室

“有教灵境”名字来源于孔子“有教无类”的教育理念，以及钱学森先生1990年将Virtual Riality（VR）一词翻译为“灵境”的创意。华中农业大学项目（“有教灵境”智慧实验室实验教学管理系统）于2024年入选教育部首批18个“人工智能+高等教育”应用场景典型案例。

“有教灵境”智慧教室每个教室配备 2个智慧大屏，用于显示教师发送的课件内容。学生交互终端配备36个摄像头及36台平板电脑（Pad），能够实时记录学生实验操作过程并放大细微操作，方便学生学习掌握关键细节，而且摄像头可以进行方位调节，确保拍摄到学生各方位实验操作过程。教师终端则配备触控屏及控制器，触控屏主要进行课件资料的拷贝及发送，控制器能够对教室所有Pad及智慧大屏实现一键开机或一键关机，这样课程结束后无须花费大量时间精力逐一检查Pad及智慧大屏是否都已经关机。教室另配备1辆移动采集车，搭配360°自由旋转摄像头，能够全方位采集教师端实验操作过程并实时发送到学生端及智慧大屏，保证学生能无一遗漏地观察到每一个实验操作细节（图2）。

据此，通过物联网技术与人工智能技术将上述教师端触控屏、控制器、智慧大屏、移动采集车及学生端摄像头、Pad等设备联系在一起，从而对实验室进行数字化升级，实现实验教学的“教”“学”“管”“评”全过程信息化覆盖。其智慧教学功能如下所述。

高清示教：教师可将课件资料或教师端实验操作内容推送至智慧大屏及学生交互终端，学生无须围观即可观看示教过程及课件资料，避免传统教学模式下外围同学看不到教师操作过程，教师无法兼顾所有学生并给予指导的情况发生。

差异化教学：教师可实时查看所有学生实验台操作画面，及时了解并掌握学生实操水平，并对操作不规范的实验台给予针对性指导，实现差异化教学。

小组对比教学：教师可任意调取多个实验台的操作画面推送至智慧大屏及学生交互终端展示，让学生观看不同实验台的操作过程，了解自己小组跟其他小组的差距，进行对比教学。

课堂实录：课堂内容自动录制并上传平台，实现教学全过程可追踪、可回溯，方便教师跟学生课后查看实验过程，及时发现实验过程中的问题并加以改正。

课堂教学分析：采集师生实验过程数据，通过AI智能统计分析，自动生成课堂教学大数据，从而实现对教学内容进行精准评价。

公平公正实验教学：实验数据上传平台，系统进行检测并提供数据反馈生成学情报告，课后提供实验过程记录，教师根据过程记录完成实验评分，相比传统实验根据实验报告进行打分，实验评价更公平公正。

图2" “有教灵境”智慧教室

3.1.3" 互动显微镜智慧教室

中心分别建有2个生物互动显微镜教室（图3），2个体视互动显微镜教室，1个体视兼生物互动显微镜教室。每个教室由36台学生显微镜与1台教师显微镜构成，学生显微镜配备Pad、教师显微镜配备电脑作为智能终端，利用无线智能互动系统将智能终端设备、最新无线通信技术与数码显微技术相结合，使显微镜下的图像显示在手机、电脑或者Pad上，然后利用局域网连通教师端与学生端，实现图像数据的共享和实时交流。

互动显微软件包括微观图像、宏观图像、课堂交互、教学求助及教学示范5个功能模块。微观图像跟宏观图像用于图像观察及共享，以及教师实时查看学生实验情况；课堂交互用于老师发布作业及批改学生通过Pad上传的互动作业；教学求助用于学生就实验问题请教老师；教学示范用于老师调取学生端或教师端图像进行示范讲解，分强制示范跟非强制示范，强制示范时，教室所有智能终端都显示示范图像；非强制示范时，则学生Pad的教学示范按钮闪烁，学生可以通过点击按钮选择查看或者不查看。跟“有教灵境”智慧教室一样，互动显微镜智慧教室同样能够进行高清示教、差异化教学以及小组对比教学等智慧教学。

图3 互动显微镜教室

3.2 室外智慧实践教学场景——实践实训基地

室内智慧实践教学需要辅助室外的实践训练才能达到理论结合实际的目的。可以说实践实训基地是培养学生创新实践能力的载体，是创新应用型人才培养的保证。作物学国家级实验教学示范中心依托校内外资源，建设了不同形式的智慧实践实训基地，以满足不同目的的教学需求。

3.2.1 校内实践实训基地

中心在校内构建了4个智慧实践实训基地，分别是大田作物实践园、食用菌种实验中心、温度控制与设施农业大棚，以及气象学实验实习观测场。

1）大田作物实验园，由作物学三田基地跟植保三田基地（图4）构成，2个基地共有旱地30余亩（1亩约等于667 m2，下同） ，水田10余亩，包括农作物高产实践区、示范种植区和植物保护实践区。2个基地常年种植有水稻、小麦、棉花、玉米和油菜5大作物，另种植有数10种其他作物，包括蔬菜、水果、花卉等。还有配套的田间实践室240 m2、农具用房及作物标本专用挂藏室近160 m2，以及多功能温室及塑料大棚数个。基地进行了智慧门禁系统、智能喷灌系统、水肥一体化系统、无人机播种施肥喷药和24小时监控系统等智慧化改造，为学生提供室外智慧实践技能训练。

图4" 植保三田基地

2）气象学实验实习观测场，有自动数据采集仪器用房，功能性教室，以及符合国家规范的地面气象观测场地1 600 m2；另匹配有常规气象观测仪、自动气象记录仪及符合国家标准的气象观测系统。

3）食用菌种实验中心。有实验室及灭菌、接种、培养和保藏等相关配套用房160 m2，常年配有一般食用菌种、食用菌产品，也保藏有专供实习比较用的实验菌种。

4）温度控制与设施农业大棚。由数十个具有加温、加湿和自动施肥功能的现代化温室大棚组成，可以规避时间季节限制在任何时候培育出需要的植物供教学使用，确保与植物相关的实践教学活动不会因季节及外界环境条件的限制而无法开展。

5）其他学院实践实训基地。依托华中农业大学丰富的校内实践教学资源，拓展了大量实践实训基地，如园艺林学学院的果树栽培基地、花卉种植基地、蔬菜基地等教学实习基地，以及校内数千亩油菜、水稻、玉米、棉花及各种蔬菜水果的科研基地。

3.2.2 校外实践实训基地

1）襄阳学院实践实训基地。中心利用襄阳学院广大的土地资源构建了实践实训基地，进一步满足学生实践教学或者耕读教育活动需求。

2）大别山、神农架实践实训基地。中心分别在大别山及神农架为大二学生暑期实习或智慧农业专业野外综合实践构建了实践实训基地，能够同时满足上百人的学习、生活及实训需求。

3）社会实践实训资源。这是为大三学生暑期实习而拓展的校外实践实训资源，包括分布于全国各地的农科院、种子站、植保站，以及相关农业企业及公司等。

4 构建智慧实践教学管理平台

华中农业大学构建了“智慧实践教学一体化平台”，集“教、学、管、评、测”于一体，包括虚拟仿真实验、智慧实验教学、智慧实验室和智慧实习等环节，实现对实验教学过程的全方位、一站式管理，提升实验及实习管理的智能化水平，为学生提供个性化、自主化的学习环境，为教师提供实验教学过程从教到总结等各个环节的全方位管理。

5" 创建数字化实践教学资源

智慧教学需要有丰富的教学资源做支撑。教学资源的建设不仅有助于打破传统实验教学模式，将过去以验证性为主的实验教学转变成高度信息化的实践教学，还能够打破时空限制，让过去无法开展的实践教学项目成为可能，同时还有助于挖掘学生潜能， 培养学生学习的主观能动性。

华中农业大学作物学国家级实验教学示范中心多渠道、多模式创建了多元化的教学资源库，包括如下内容。

5.1 整合网络优秀教学资源

根据课程需要整合国内外微课、短视频等应用于教学。

5.2 自主开发课程教学资源

从培养人才的目标出发，根据教学需要自主开发教学资源。中心目前已经建设了数十门课程资源，包括5门国家级课程、11门省级课程。

5.2.1 在线开放课程

依托中国大学MOOC平台，中心建设了10余门在线开放课程，其中4门为国家级课程（农业植物病理学、普通植物病理学、植物生理学与普通昆虫学）；6门为省级课程（作物育种学、农业昆虫学、作物栽培学、植物化学保护、普通昆虫学与蘑菇概论）。

依托学校“智慧实践教学一体化平台”，中心建设了11门虚拟仿真实验课程，其中4门为湖北省虚拟仿真实验一流课程（水稻生产与栽培调控虚拟仿真实验、植物细菌病害鉴定虚拟仿真实验、植物真菌疑难病害鉴定及防治虚拟仿真实验以及智慧农业技术实践虚拟仿真实验）；9门基础实验技能课程（如植物生产类基础实验技术、植物生理学实验、生物技术综合实验、普通昆虫学实验、“双水双绿”重塑“鱼米之乡”及农业植物病理学实验等）、耕读教育课程（农业生产技术实践，“博读经典，勤耕稼穑”——校园植物识别及种植体验）以及数字化改造的传统实践课程（基础生物化学实验）。

5.2.2 线下课程

包括1门国家级课程（基础生物化学），2门省级课程（植物检疫学及昆虫生态与测报）。

5.2.3 微课或实操视频

中心建设了数十门微课或实验操作视频，如“互动显微镜操作”“桃真菌病害鉴定”“玉米细菌病害鉴定”“小麦赤霉病田间接种实验”等，单独通过雨课堂发送给学生预习或复习，或者整合到课件PPT里进行授课。

5.2.4 建设习题库

配合课程教学内容的习题资源，包括课前习题、课中习题或课后习题，配合雨课堂、慕课等进行学习。

5.2.5 编写新形态教材

中心编写了多部新形态教材，如《农业植物病理学》《农业植物病理学实验》等，扫描二维码即可查看相关图片及视频资料。目前正编写基于知识图谱或能力图谱的系列新形态教材。

6 开展智慧实践教学活动

智慧实践教学活动包括学生课前进入MOOC平台，或智慧实践教学一体化平台学习数字化实践课程，或开展虚拟仿真实验，并进行在线测评；课中利用计算机智慧教室、互动显微镜智慧教室、“有教灵境”智慧教室或者实践实训基地开展智慧实验；课堂教师随堂或利用雨课堂进行检测，实时了解每位学生的学习和实操情况并给予针对性指导；课后观看实践操作过程存储资料，复盘实践过程，分析师生的知识能力漏项，从而改进教和学。

7 结束语

应用新一代信息技术赋能实践教学，推进“实践+”“智慧+”模式，深化“数字化教学资源+智慧教学环境+智慧实践活动+智慧管理系统”四位一体建设，华中农业大学作物学国家级实验教学示范中心建立了以数字化为基础的实践教学体系，从而拓展了实践教学时空，摆脱了传统的 “围观式”教学模式，推进了实践教学模式改革创新，促进了实践课堂的因材施教、互动交流，实现了实践教学自动化评估，培养了学生的自主学习能力，满足了学生个性化学习需求，从而为实践教学的智能化转型及重塑实践教学新形态探索了一条新路径。

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