植物生產(chǎn)類專業(yè)虛擬仿真輔助田間實(shí)習(xí)探索

黃五星 張小全 邵惠芳 韓丹 賈瑋

【摘要】田間實(shí)習(xí)是植物生產(chǎn)類專業(yè)本科生實(shí)踐教學(xué)的重要組成部分，受季節(jié)、場地、天氣等時空條件制約，田間實(shí)習(xí)開展往往受到限制。虛擬仿真教學(xué)利用現(xiàn)代信息技術(shù)模擬真實(shí)大田場景，可以讓學(xué)生在田間實(shí)習(xí)條件受限制時保障教學(xué)活動正常開展。本文通過分析虛擬仿真教學(xué)及其輔助田間實(shí)習(xí)的優(yōu)勢、虛擬仿真輔助田間實(shí)習(xí)體系的構(gòu)建，提出虛擬仿真輔助田間實(shí)習(xí)的運(yùn)行建議。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真;田間實(shí)習(xí);植物生產(chǎn)類專業(yè)

在教育部公布的2020年版《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄》中，植物生產(chǎn)類包括農(nóng)學(xué)、園藝、植物保護(hù)、植物科學(xué)與技術(shù)、種子科學(xué)與工程、設(shè)施農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程、茶學(xué)、煙草、應(yīng)用生物科學(xué)、農(nóng)藝教育、園藝教育、智慧農(nóng)業(yè)、菌物科學(xué)與工程、農(nóng)藥化肥14個專業(yè)。田間實(shí)習(xí)是植物生產(chǎn)類專業(yè)本科生實(shí)踐教學(xué)的重要組成部分，是理論課和實(shí)驗(yàn)課的延伸。田間實(shí)習(xí)不僅可以鞏固課堂教學(xué)內(nèi)容、加深學(xué)生對理論知識的理解，而且能夠理論聯(lián)系實(shí)際，增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用知識分析問題與解決問題的能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。然而受作物生產(chǎn)季節(jié)性、地理空間、天氣狀況、經(jīng)濟(jì)成本和交通條件等因素影響，田間實(shí)習(xí)效果往往受到限制。虛擬仿真教學(xué)利用現(xiàn)代信息技術(shù)模擬真實(shí)大田場景，具有高效、安全、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，突破了時間和空間限制，可以讓學(xué)生在田間實(shí)習(xí)條件受限制時保障教學(xué)活動的正常開展。

一、虛擬仿真教學(xué)及其輔助田間實(shí)習(xí)的優(yōu)勢

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)起源于1989年美國Virginia大學(xué)的William Wolf教授提出的“虛擬實(shí)驗(yàn)”概念。虛擬仿真教學(xué)綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)和各種顯示及控制設(shè)備，通過構(gòu)建逼真的操作環(huán)境和觀察對象，使學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展學(xué)習(xí)與實(shí)踐，進(jìn)而達(dá)到真實(shí)教學(xué)不具備或難以實(shí)現(xiàn)的效果。虛擬仿真教學(xué)具有沉浸性和交互性的特點(diǎn)，集知識和互動于一體，在輔助田間實(shí)習(xí)中具有顯著的優(yōu)勢。一是虛擬仿真教學(xué)能突破田間實(shí)習(xí)空間和時間的限制。植物生產(chǎn)類專業(yè)田間實(shí)習(xí)的開展需要遵循作物生長發(fā)育規(guī)律，在作物生長發(fā)育的特定階段、特定地點(diǎn)開展。但限于季節(jié)、場地、天氣等時空條件，田間實(shí)習(xí)會出現(xiàn)不能順利開展的情況。虛擬仿真教學(xué)運(yùn)用三維仿真、人機(jī)交互、人工智能等新技術(shù)，通過搭建符合實(shí)際情況的田間實(shí)習(xí)環(huán)境，能夠克服時間、地點(diǎn)以及材料的限制。二是虛擬仿真教學(xué)能節(jié)約教學(xué)成本并降低實(shí)習(xí)安全風(fēng)險。虛擬仿真教學(xué)搭建的平臺系統(tǒng)可以不斷完善提升并反復(fù)使用，長期使用會大大降低教學(xué)成本。同時虛擬仿真教學(xué)所提供的安全可靠的教學(xué)方式不僅能避免田間實(shí)習(xí)中高危性步驟或操作失敗對人體與機(jī)器設(shè)備造成的損傷，還能以直觀的方式看到錯誤操作造成的不良后果以警醒學(xué)生。

二、虛擬仿真輔助田間實(shí)習(xí)體系的構(gòu)建

（一）軟硬件平臺構(gòu)建

植物生產(chǎn)類專業(yè)虛擬仿真平臺構(gòu)建需要作物及其環(huán)境信息獲取、三維建模、真實(shí)感顯示、可視化計(jì)算分析、虛擬仿真和互動體驗(yàn)等專業(yè)化軟硬件設(shè)備。例如三維激光掃描儀、手持式可移動掃描儀、光合測定系統(tǒng)、根系生長儀、冠層分析儀、葉面積儀、葉綠素儀、土壤水分監(jiān)測儀、雨量傳感器、自動氣象站、圖形工作站、3D立體投影等硬件設(shè)備;Geomagic Studio三維點(diǎn)云處理軟件、Visual Studio建模應(yīng)用系統(tǒng)、OpenGL圖形類庫建模交互設(shè)計(jì)軟件、Unity3D農(nóng)業(yè)虛擬場景構(gòu)建和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)虛擬交互模擬系統(tǒng)、3D Studio Max虛擬仿真建模系統(tǒng)等軟件。

（二）教學(xué)內(nèi)容體系構(gòu)建

植物生產(chǎn)類專業(yè)虛擬仿真田間實(shí)習(xí)體系應(yīng)包括基礎(chǔ)訓(xùn)練、綜合訓(xùn)練和創(chuàng)新訓(xùn)練三個模塊。其中基礎(chǔ)訓(xùn)練模塊包括作物生長動態(tài)虛擬仿真、作物營養(yǎng)虛擬仿真、農(nóng)田土壤環(huán)境虛擬仿真、農(nóng)田大氣環(huán)境虛擬仿真、作物病菌侵染虛擬仿真、作物蟲害虛擬仿真等;綜合訓(xùn)練模塊包括作物大田生產(chǎn)管理虛擬仿真、作物大田群體調(diào)控虛擬仿真、農(nóng)藥安全使用虛擬仿真等;創(chuàng)新訓(xùn)練模塊包括多因素栽培試驗(yàn)虛擬仿真、作物病害發(fā)生過程與環(huán)境因素虛擬仿真等。

以作物大田生產(chǎn)管理虛擬仿真綜合訓(xùn)練模塊為例介紹其內(nèi)容。作物大田生產(chǎn)管理綜合訓(xùn)練模塊圍繞作物品種特性、對環(huán)境的適應(yīng)特點(diǎn)、栽培措施效果、生產(chǎn)管理流程等理論知識，包括八方面內(nèi)容。第一，作物形態(tài)學(xué)觀察，包括作物器官、植株形態(tài)與結(jié)構(gòu)觀察和測量等內(nèi)容。第二，作物全生育期生長動態(tài)，主要包括植株形態(tài)建成觀察、主要生育期特征參數(shù)測量。第三，作物株型與合理密植，主要包括株型劃分、種植密度及其對產(chǎn)量的影響。第四，作物礦質(zhì)營養(yǎng)與施肥管理，主要包括作物對礦質(zhì)營養(yǎng)的要求、需肥規(guī)律、施肥技術(shù)與方法。第五，作物水分生理與水分管理，主要包括作物對水分的要求、需水規(guī)律和灌溉技術(shù)。第六，作物病蟲害觀察，主要包括病蟲害癥狀和危害級別鑒定。第七，整地與播種，主要包括種子處理、整地和播種等生產(chǎn)操作。第八，苗期（穗期或花期）管理，主要包括特定時期植株觀察、水肥、病蟲草害預(yù)防與控制等內(nèi)容。

（三）“虛實(shí)兼修”專業(yè)師資隊(duì)伍構(gòu)建

師資隊(duì)伍的素質(zhì)直接決定了虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量。要發(fā)揮虛擬仿真在輔助田間實(shí)習(xí)過程中的作用，就要按照師德高、愛教學(xué)、能實(shí)操的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建師資隊(duì)伍，并不斷增強(qiáng)師資隊(duì)伍“虛實(shí)兼修”的素質(zhì)。“實(shí)”的方面指教師要有深厚的專業(yè)知識儲備和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，能有效解決學(xué)生田間實(shí)習(xí)過程中出現(xiàn)的問題，保障田間實(shí)習(xí)順利開展和高質(zhì)量完成;“虛”的方面指教師要有扎實(shí)的信息化教學(xué)素養(yǎng)和較強(qiáng)的自主開發(fā)能力，能熟練掌握虛擬仿真系統(tǒng)的操作流程并可以對平臺進(jìn)行更新和完善。

三、虛擬仿真輔助田間實(shí)習(xí)的運(yùn)行建議

虛擬仿真輔助田間實(shí)習(xí)的原則是“以虛補(bǔ)實(shí)、以實(shí)為主、能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合”。在運(yùn)行中要避免虛擬仿真泛化。由于虛擬仿真只是讓學(xué)生得到一種間接的經(jīng)驗(yàn)，不能夠完全代替田間實(shí)習(xí)，因此在能夠正常開展田間實(shí)習(xí)時必須堅(jiān)持能實(shí)不虛。在運(yùn)行中要主次分明，以虛補(bǔ)實(shí)。由于虛擬仿真工作環(huán)境逼真并且操作可重復(fù)，容易讓學(xué)生沉浸于新鮮感，急于走流程而忽視基礎(chǔ)知識和操作要領(lǐng)。所以運(yùn)行時一定要讓學(xué)生在明確學(xué)習(xí)目標(biāo)和要求的前提下，在沉浸中保持清醒，嘗試自主解決遇到的問題。指導(dǎo)教師要盡可能讓虛擬仿真與部分真實(shí)大田場景穿插進(jìn)行，讓學(xué)生在真實(shí)的情境中去建構(gòu)知識、在虛擬仿真的情境中去運(yùn)用知識，以增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果?？傊?，虛擬仿真輔助田間實(shí)習(xí)實(shí)現(xiàn)了植物生產(chǎn)類專業(yè)長時程實(shí)習(xí)的短時化、大尺度實(shí)習(xí)的微縮化和高風(fēng)險因素的安全化，按照“以虛補(bǔ)實(shí)、虛實(shí)結(jié)合”原則開展能突破田間實(shí)習(xí)的時空限制，保障教學(xué)正常開展，并促進(jìn)教學(xué)效果提升。

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【本文受教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“新農(nóng)科建設(shè)背景下特種經(jīng)濟(jì)作物專業(yè)人才培養(yǎng)模式研究”資助】

（作者單位：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)）