基于“新農(nóng)科”的動(dòng)物科學(xué)類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果評(píng)價(jià)初探

馮 健,張 源,李官浩,金 鑫

(1.延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院 吉林,延吉 133002; 2.東北寒區(qū)肉?？萍紕?chuàng)新教育部工程研究中心 吉林,延吉 133002; 3.延邊大學(xué)醫(yī)學(xué)院 吉林,延吉 133002; 4.延邊大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心 吉林,延吉 133002)

進(jìn)入新世紀(jì)以來,教育部針對(duì)新農(nóng)業(yè)、新鄉(xiāng)村、新農(nóng)民、新生態(tài)的特點(diǎn),提出了加快新農(nóng)科建設(shè),為農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化提供強(qiáng)有力的人才和科技支撐。2019年6月,在教育部新農(nóng)科建設(shè)組主辦的會(huì)議上,全國五十多所涉農(nóng)高校共同發(fā)出了“安吉共識(shí)”,為新農(nóng)科建設(shè)提出了新的發(fā)展理念和建設(shè)思路。之后,為了進(jìn)一步深化高等農(nóng)林教育改革,相關(guān)高校又提出了“北大倉行動(dòng)”。2019年底新農(nóng)科建設(shè)北京指南工作研討會(huì)召開,推動(dòng)了高校新農(nóng)科建設(shè)落地生根,發(fā)芽開花[1]。在新農(nóng)科建設(shè)體系中,動(dòng)物科學(xué)類相關(guān)專業(yè)是重要的組成部分。因此,在新農(nóng)科背景下,探索課程體系建設(shè)、人才培養(yǎng)模式、教學(xué)效果提升等方面的新發(fā)展路徑和方法,是教學(xué)改革的重點(diǎn)內(nèi)容。

在新農(nóng)科背景下,動(dòng)物科學(xué)類實(shí)驗(yàn)課程在動(dòng)物科學(xué)相關(guān)專業(yè)教學(xué)和人才培養(yǎng)過程中具有重要地位。隨著新農(nóng)科對(duì)人才培養(yǎng)要求的不斷提高和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的不斷細(xì)化,培養(yǎng)具有綜合素質(zhì)和實(shí)踐能力的復(fù)合型、應(yīng)用型人才以及加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的課程教學(xué)是當(dāng)前動(dòng)物科學(xué)本科教學(xué)的關(guān)鍵性因素[2]。動(dòng)物科學(xué)專業(yè)的課程體系和應(yīng)用前景決定了在新農(nóng)科建設(shè)過程中,培養(yǎng)動(dòng)物科學(xué)人才的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力等的重要意義。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是動(dòng)物科學(xué)類課程中有效提升實(shí)踐應(yīng)用能力、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵[3]。當(dāng)前部分高校動(dòng)物科學(xué)專業(yè)教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和發(fā)展過程中發(fā)現(xiàn)了許多問題,同時(shí)也遇到了一些“卡脖子”的瓶頸,影響了教學(xué)效果和人才培養(yǎng)。特別是傳統(tǒng)的動(dòng)物科學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程需要使用大量的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物開展教學(xué)活動(dòng)。然而受到經(jīng)費(fèi)、安全、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物準(zhǔn)備與管理、不能大量重復(fù)操作等因素的制約,教學(xué)效果受到了很大的影響[4]。

虛擬仿真技術(shù)作為目前課程教學(xué)改革的熱點(diǎn),可通過計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)組件,模擬和再現(xiàn)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和過程實(shí)施教學(xué)[5]。在動(dòng)物科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,通過虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真領(lǐng)域(VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)、混合現(xiàn)實(shí)(MR)、人工智能(AI)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的綜合應(yīng)用,可以推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與新農(nóng)科教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合,模擬呈現(xiàn)動(dòng)物科學(xué)類實(shí)驗(yàn)所需的設(shè)備、實(shí)驗(yàn)工具及實(shí)驗(yàn)動(dòng)物等,3D顯示操作流程。在這一過程中,學(xué)生可以更好地了解并掌握實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中需要完成的任務(wù),對(duì)課程的主要內(nèi)容也能夠有更深層次的“感同身受”。特別是在以往一些實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的開展過程中,學(xué)生對(duì)實(shí)踐操作有一定的陌生感,影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成效。通過虛擬仿真技術(shù)平臺(tái),學(xué)生可以先了解實(shí)驗(yàn)操作的流程,理解實(shí)驗(yàn)原理,熟悉實(shí)驗(yàn)方法。這樣將來在具體工作實(shí)踐中,或者在實(shí)習(xí)見習(xí)過程中,就能夠做到理論與實(shí)踐的良好結(jié)合,避免了“眼高手低”的窘境。

作為國家第一批卓越農(nóng)林人才教育培養(yǎng)計(jì)劃改革試點(diǎn)專業(yè),延邊大學(xué)動(dòng)物科學(xué)專業(yè)發(fā)揮自身特色優(yōu)勢(shì),積極致力于新農(nóng)科背景下應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)物科學(xué)類實(shí)驗(yàn)教育教學(xué)改革發(fā)展。本研究以延邊的大學(xué)動(dòng)物科學(xué)專業(yè)開設(shè)的動(dòng)物科學(xué)類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教學(xué)為例,探究虛擬仿真技術(shù)在提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果方面的有益經(jīng)驗(yàn),為培養(yǎng)復(fù)合型應(yīng)用型創(chuàng)新農(nóng)科人才提供借鑒依據(jù)。

1 新農(nóng)科背景下動(dòng)物科學(xué)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

新時(shí)代高等教育發(fā)展要求產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合,而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是三者結(jié)合中發(fā)展的橋梁和紐帶[6]。動(dòng)物科學(xué)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐操作能力、創(chuàng)新思維能力、知識(shí)應(yīng)用能力的有效手段。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中涉及的知識(shí)點(diǎn)多、重點(diǎn)難點(diǎn)多,一般需要學(xué)生通過反復(fù)實(shí)踐操作才能夠完全掌握相關(guān)內(nèi)容。在以往的動(dòng)物科學(xué)專業(yè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,為了讓更多的同學(xué)有機(jī)會(huì)親手實(shí)踐,需要準(zhǔn)備大量的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物,消耗大量的實(shí)驗(yàn)試劑和耗材。許多高校在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中很難保障充足的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi),同時(shí)近年來實(shí)驗(yàn)動(dòng)物價(jià)格日益增高、實(shí)驗(yàn)試劑成本逐漸提升等,都制約了動(dòng)物科學(xué)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展,也限制了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和動(dòng)手操作能力的提升。在新農(nóng)科背景下,動(dòng)物科學(xué)專業(yè)教育改革對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了新的要求,但按照傳統(tǒng)模式進(jìn)行動(dòng)物科學(xué)類實(shí)驗(yàn)教學(xué),很難實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)。雖然近年來一些企業(yè)和高校開發(fā)出一些實(shí)體仿真教具,但大多數(shù)仿真教具存在單價(jià)較高、訓(xùn)練功能單一、實(shí)踐效果較差等問題。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系優(yōu)勢(shì)

2.1 虛擬仿真教學(xué)體系拓展教學(xué)空間

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于動(dòng)物科學(xué)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,能夠進(jìn)一步將傳統(tǒng)的教學(xué)空間從現(xiàn)實(shí)中拓印到網(wǎng)絡(luò)空間,從而避免了現(xiàn)實(shí)空間的束縛和條件的限制。特別是對(duì)于場(chǎng)地空間環(huán)境有限以及日常實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi)緊缺的高校來說,通過虛擬仿真教學(xué)體系的建設(shè),可以實(shí)現(xiàn)教學(xué)空間的擴(kuò)大、教學(xué)內(nèi)容的豐富、教學(xué)成本的降低、教學(xué)場(chǎng)景的多元、教學(xué)形式的創(chuàng)新等多重利好,值得推廣普及。同時(shí),虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系可以實(shí)現(xiàn)同一實(shí)驗(yàn)的多次重復(fù)操作,為學(xué)生提供了更多更好的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練,克服了以往受經(jīng)費(fèi)所限,而不能多次重復(fù)練習(xí)的問題[7]。延邊大學(xué)動(dòng)物科學(xué)專業(yè)在動(dòng)物科學(xué)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),采用三維仿真技術(shù),所有的三維場(chǎng)景和動(dòng)作均可以被操作者介入進(jìn)行交互式操作,將傳統(tǒng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)無法展現(xiàn)的一些視角盲點(diǎn),使用計(jì)算機(jī)圖形模擬技術(shù)通過軟件進(jìn)行直觀呈現(xiàn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)支持VR端和PC端,既能降低學(xué)校的硬件成本,又能保證每個(gè)學(xué)生都有實(shí)訓(xùn)操作的機(jī)會(huì)。學(xué)生進(jìn)行虛擬動(dòng)物實(shí)驗(yàn)時(shí)無需消耗真實(shí)的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物,虛擬仿真技術(shù)可將符合教學(xué)實(shí)踐要求的新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備“搬”進(jìn)虛擬空間中,創(chuàng)造出先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)條件,有利于學(xué)生開展探究性實(shí)驗(yàn),并通過多次反復(fù)練習(xí)來加深技能訓(xùn)練成效。同時(shí),虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以不完全依賴于課程體系中的教學(xué)課時(shí),在課余時(shí)間也可以向?qū)W生開發(fā),同時(shí)也不需要專職教師或?qū)嶒?yàn)技術(shù)人員在課余時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)工作準(zhǔn)備和實(shí)驗(yàn)后的整理工作,從而大大減輕了一線教師和實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的工作負(fù)擔(dān),為獲得良好的教學(xué)效果提供了保障。

2.2 虛擬仿真教學(xué)體系實(shí)現(xiàn)虛實(shí)交融

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中,班級(jí)是教學(xué)授課的基本形式。在同一班級(jí)的教學(xué)過程中,由于需要同時(shí)上課、同時(shí)結(jié)束,如果教學(xué)進(jìn)度加快,可能導(dǎo)致部分后進(jìn)同學(xué)有可能跟不上隊(duì)伍,而放慢教學(xué)進(jìn)度,則會(huì)使部分先進(jìn)同學(xué)感覺“吃不飽”。同時(shí),傳統(tǒng)的課堂教學(xué)形式,主要是老師教授知識(shí)和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)示范操作,學(xué)生只能先聽講再練習(xí)。這樣在具體操作的過程中,可能會(huì)遺忘一些關(guān)鍵步驟,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗或者未能獲取理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果大打折扣。雖然教材和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟和過程都有詳細(xì)的描述,但是在具體操作過程中,學(xué)生對(duì)于生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)演示的理解和領(lǐng)會(huì)程度是高于書面演示。所以,通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,學(xué)生可以在操作的過程中,隨時(shí)觀摩教學(xué)和演示,通過動(dòng)態(tài)的畫面更好的記憶實(shí)驗(yàn)過程與步驟,其效果遠(yuǎn)超靜態(tài)的書面演示和一次性課堂教學(xué)演示。同時(shí),對(duì)于比較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)操作,學(xué)生可以反復(fù)觀摩、練習(xí),這些都是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式無法實(shí)現(xiàn)的。而教師還可以通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),了解學(xué)生對(duì)各部分知識(shí)與操作的掌握情況,從而更好的幫助學(xué)生解決難題,打通理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作的壁壘,取得教與學(xué)雙贏的良好效果。

2.3 虛擬仿真教學(xué)體系強(qiáng)化應(yīng)用能力

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過將虛擬現(xiàn)實(shí)、智能交互操作系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)庫整理分析等,將原來單一的實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式進(jìn)行了極大的豐富和擴(kuò)容。在具體的教學(xué)實(shí)踐過程中,以往受場(chǎng)地、設(shè)備、實(shí)驗(yàn)耗材、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物等限制,學(xué)生往往只能進(jìn)行模仿性實(shí)驗(yàn)或驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),很難有機(jī)會(huì)進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)和探索性實(shí)驗(yàn),這在很大程度上限制了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。而通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),將實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等通過技術(shù)手段呈現(xiàn)在學(xué)生面前,學(xué)生在學(xué)習(xí)和掌握課程內(nèi)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)操作以后,還可以進(jìn)行探索性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),并通過虛擬平臺(tái)模擬可能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,更增強(qiáng)了學(xué)生的應(yīng)用能力[8]。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效探析

3.1 以虛補(bǔ)實(shí),提升興趣

本研究對(duì)延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院動(dòng)物科學(xué)專業(yè)2019級(jí)學(xué)生進(jìn)行了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課后調(diào)查,150名學(xué)生中90%贊同虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以有效提升學(xué)習(xí)興趣(見表1)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠有效地將抽象的、不易直接觀察到的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景真實(shí)的展現(xiàn)在學(xué)生的面前,較少學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的畏難情緒和對(duì)動(dòng)手操作的抵觸情緒,提升學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的興趣。

表1 畜牧、獸醫(yī)類實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)效果調(diào)查

3.2 虛實(shí)相生,強(qiáng)化能力

本研究的調(diào)查還發(fā)現(xiàn),150名學(xué)生中認(rèn)為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠有效提升創(chuàng)新能力和思維的占絕大多數(shù)(93.33%,見表1),反映了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在能力強(qiáng)化提升上的優(yōu)勢(shì)。在實(shí)踐教學(xué)過程中,熟能生巧是一項(xiàng)重要的方式。傳統(tǒng)的教學(xué)方式很難實(shí)現(xiàn)每位學(xué)生都能親自上手實(shí)踐,而采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以后,每位學(xué)生都可以親身實(shí)踐,并且可以多次、重復(fù)實(shí)踐,大大提升了動(dòng)手操作能力。

3.3 教學(xué)相長(zhǎng),共同提高

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅對(duì)學(xué)生有益,對(duì)于教師也有很大幫助。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要教師做大量的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作,在教學(xué)過程中還要時(shí)刻觀察學(xué)生的操作是否妥當(dāng),避免學(xué)生受到傷害。在教學(xué)成果檢查中往往只能通過現(xiàn)場(chǎng)操作觀察和實(shí)驗(yàn)報(bào)告書寫等方式進(jìn)行。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn),使教師從繁重的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過程中解脫出來,有更多的精力投入到教學(xué)過程中。同時(shí)教師通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)還可以更好的對(duì)學(xué)生的知識(shí)和能力掌握情況進(jìn)行分析評(píng)價(jià),教學(xué)相長(zhǎng),使教育教學(xué)更符合新農(nóng)科發(fā)展的要求。

4 結(jié)語

作為落實(shí)新農(nóng)科建設(shè)和教育教學(xué)改革的重要抓手和有效助力,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在動(dòng)物科學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[9]。動(dòng)物科學(xué)類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有實(shí)時(shí)交互、全真模擬、反復(fù)實(shí)踐、多重評(píng)價(jià)等功能,對(duì)新農(nóng)科背景下的動(dòng)物科學(xué)專業(yè)教育教學(xué)改革發(fā)展和培養(yǎng)質(zhì)量提升有著很好的促進(jìn)作用[10]。然而在具體運(yùn)用中,不能僅僅寄希望于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以“一招鮮,吃遍天[11,12]”,而是應(yīng)當(dāng)綜合應(yīng)用教學(xué)方法、實(shí)踐理論和先進(jìn)技術(shù),統(tǒng)籌提升教學(xué)成效。