伍欣宙 吳瀚翔 張志祥 徐漢虹

摘 ?要：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)專業(yè)圍繞實(shí)踐教學(xué)體系的建設(shè)，堅(jiān)持“科研反哺教學(xué)、綠色開發(fā)共享”的理念建設(shè)滴灌施藥導(dǎo)向控制害蟲虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、多媒體等技術(shù)完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真平臺(tái)和校內(nèi)外實(shí)踐教學(xué)基地的相互補(bǔ)充、相互支持。實(shí)踐表明，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)能有效地提高植物保護(hù)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)效果，解決了滴灌施藥實(shí)驗(yàn)在時(shí)間、空間、自主性等方面的限制，強(qiáng)化了學(xué)生的素質(zhì)培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;實(shí)踐教學(xué);滴灌施藥;植物保護(hù)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2021）15-0105-04

Abstract： The plant protection major in South China Agricultural University focuses on the construction of practical teaching system with the concept of "scientific researches feedback teaching， green development， and sharing"， and establishes a virtual simulation teaching system for pest control guided by drip irrigation. In virtue of virtual reality， compute network， multi-media and other techniques， the virtual simulation based experimental teaching system was constructed， facilitating to mutual complementation and supports between the virtual simulation platforms and the practice teaching bases inside and outside the school. The practical results reveal that the construction of virtual simulation based experimental teaching system can greatly improve the practice teaching effects for plant protection major. Taken together， it solve the limitation of time， space， and autonomy in conventional drip irrigation experiments， which strengthens the quality training of students.

Keywords： virtual simulation， practical teaching， drip irrigation， plant protection

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，現(xiàn)代大學(xué)生的教育教學(xué)進(jìn)入了信息化時(shí)代，對(duì)人才的培養(yǎng)要求開始以提高學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神為核心，因此依托現(xiàn)代信息技術(shù)建設(shè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中展開學(xué)習(xí)。這是一種有利于推動(dòng)高校積極探索線上線下混合式“金課”建設(shè)[1]，也是現(xiàn)代教學(xué)個(gè)性化、智能化、泛在化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)，將推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目深度融合、拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度、延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和水平[2]。合理的專業(yè)布局、優(yōu)良的教學(xué)效果、開放共享的信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)等多位一體的新體系建設(shè)，將使高等教育的教學(xué)質(zhì)量得到全面提高。

一、滴灌施藥導(dǎo)向控制害蟲虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)背景與意義

當(dāng)今農(nóng)業(yè)發(fā)展迫切要求建立可持續(xù)發(fā)展的長(zhǎng)效機(jī)制，中央一號(hào)文件提出加大農(nóng)業(yè)面源污染防治力度，實(shí)施化肥農(nóng)藥零增長(zhǎng)行動(dòng)。農(nóng)藥減量增效已成為促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的必然要求，許多新興的技術(shù)措施正在逐步推廣。其中，滴灌施藥是在滴水灌溉的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種施藥技術(shù)，不僅能減少農(nóng)藥使用中人工和燃油等投入成本，并且能實(shí)現(xiàn)藥劑的定向輸送，減少對(duì)非靶標(biāo)生物的影響。作為國(guó)家級(jí)重點(diǎn)學(xué)科和國(guó)家級(jí)特色專業(yè)，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)科研團(tuán)隊(duì)以“導(dǎo)向農(nóng)藥”理念為指導(dǎo)[3]，大力推廣滴灌施藥技術(shù)，引導(dǎo)農(nóng)藥行業(yè)往智能化和靶向化方向發(fā)展。歷經(jīng)十多年的研究，團(tuán)隊(duì)在隨水施藥法防控重要農(nóng)作物害蟲方面取得了一系列重要的創(chuàng)新成果，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平[4-5]。在新疆自治區(qū)已推廣應(yīng)用5000萬畝次，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部科技發(fā)展中心組織的第三方評(píng)價(jià)認(rèn)為：該成果屬完全自主創(chuàng)新成果，突破了現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新，成果內(nèi)容豐富，研發(fā)難度大，整體達(dá)到國(guó)際技術(shù)領(lǐng)先水平，明顯促進(jìn)了行業(yè)科技進(jìn)步。

將植物保護(hù)學(xué)科最新科研成果融入本科生教學(xué)培養(yǎng)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新意識(shí)，促進(jìn)科研反哺教學(xué)，推動(dòng)科研人才成長(zhǎng)的良性發(fā)展[6]。然而，由于滴灌施藥的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地遙遠(yuǎn)、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)大、實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)等限制因素，目前無法帶領(lǐng)學(xué)生在田間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。為了讓學(xué)生有機(jī)會(huì)接觸學(xué)科最新科研成果，提高對(duì)農(nóng)藥減量增效技術(shù)的認(rèn)識(shí)，所以此虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)具有充分的必要性。能使學(xué)生在較短課時(shí)內(nèi)完成相關(guān)內(nèi)容的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)，不僅彌補(bǔ)了教學(xué)實(shí)踐中的缺失環(huán)節(jié)，而且有效激發(fā)了本科生對(duì)新理論、新技術(shù)的探索熱情。同時(shí)，還可促進(jìn)學(xué)生深入了解農(nóng)藥減量增效技術(shù)對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要意義，提高學(xué)生的使命感與責(zé)任感[7]。

二、滴灌施藥導(dǎo)向控制害蟲虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（一）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)技術(shù)

滴灌施藥導(dǎo)向控制害蟲虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)是基于田間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用觸覺反饋技術(shù)、數(shù)據(jù)集成交互與動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)，使用Unity 3D引擎開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)玉米、棉花和柑橘三種作物的蟲害識(shí)別、藥劑選擇、滴灌配藥、藥劑傳遞、數(shù)據(jù)調(diào)查等功能，圖文匹配，可交互點(diǎn)擊。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了三種作物防治的每個(gè)階段三維動(dòng)畫的精準(zhǔn)播放與真實(shí)顯現(xiàn)，并率先使用三維游戲引擎實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能的教學(xué)界面制作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為登錄模塊、理論學(xué)習(xí)模塊、防害治理模塊、調(diào)查報(bào)告模塊和反饋信息模塊，實(shí)現(xiàn)了一套精準(zhǔn)有序的虛擬交互展示系統(tǒng)。滴灌施藥導(dǎo)向控制害蟲虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，學(xué)生在客戶端僅需要火狐等常規(guī)瀏覽器即可登錄系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)和操作。系統(tǒng)界面如圖1所示。

（二）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路與知識(shí)點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)力求做到理論與實(shí)踐深度融合，讓學(xué)生能將課程學(xué)習(xí)的理論知識(shí)應(yīng)用到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中。該虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目根據(jù)真實(shí)的田間場(chǎng)景，制作高仿真的玉米、棉花和柑橘的植物3D模型，每個(gè)場(chǎng)景設(shè)置兩個(gè)田塊，分別為處理田塊與對(duì)照田塊。針對(duì)玉米、棉花和柑橘三種作物，分別設(shè)定草地貪夜蛾、棉花蚜蟲和柑橘木虱為有害生物。根據(jù)特定害蟲，選定3種相對(duì)應(yīng)的防治藥劑，并制作其商品化的包裝模型，每種藥劑均列出農(nóng)藥標(biāo)簽，包含防治對(duì)象、作用機(jī)理和推薦劑量等信息。滴灌裝置包括四大部分：控制與加壓系統(tǒng)、閥門系統(tǒng)、輸水管道網(wǎng)及滴水器。通過本次虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，真實(shí)還原田間場(chǎng)景，幫助學(xué)生了解掌握有害生物識(shí)別、藥劑選擇、滴灌設(shè)施運(yùn)行和田間防效調(diào)查等知識(shí)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)以下目的：

1. 了解農(nóng)藥減量增效技術(shù)對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要意義，提高學(xué)生的使命感與責(zé)任感。

2. 掌握滴灌施藥技術(shù)的特點(diǎn)，根據(jù)有害生物特征和危害癥狀正確識(shí)別害蟲種類，正確選擇防治對(duì)象;掌握藥劑的種類、作用靶標(biāo)、防治對(duì)象，選擇正確的藥劑和計(jì)算施用劑量，為學(xué)生在今后的實(shí)際應(yīng)用中打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3. 熟悉滴灌設(shè)施的主要組成，以及各部分的功能、工作原理與使用要求。

4. 了解藥劑在植物體中的輸導(dǎo)途徑與定向分布情況，使學(xué)生掌握藥劑在植物體內(nèi)導(dǎo)向控制病蟲害的生理學(xué)基礎(chǔ)。

5. 了解藥劑田間防治效果的調(diào)查與分析方法，使植物保護(hù)專業(yè)學(xué)生掌握基本的田間實(shí)驗(yàn)技能。

（三）實(shí)驗(yàn)方法與流程

滴灌施藥導(dǎo)向控制害蟲虛擬仿真實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。本實(shí)驗(yàn)為綜合性田間實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方法涉及植物化學(xué)保護(hù)學(xué)的多個(gè)基本實(shí)驗(yàn)操作，包括田間害蟲識(shí)別、農(nóng)藥劑型配制、藥劑活性成分計(jì)算、田間藥效調(diào)查、田間數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等。

1. 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

首先，學(xué)生登錄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。登錄成功后先進(jìn)行理論知識(shí)學(xué)習(xí)，了解實(shí)驗(yàn)背景、教學(xué)目標(biāo)、實(shí)驗(yàn)框架和知識(shí)點(diǎn)概況。

2. 虛擬實(shí)驗(yàn)操作

（1）理論學(xué)習(xí)完畢以后，開始虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)擊主界面實(shí)驗(yàn)操作，選擇不同的防治對(duì)象，即可實(shí)現(xiàn)該作物的系統(tǒng)學(xué)習(xí)互動(dòng)。（2）選擇防治對(duì)象后，進(jìn)入田間場(chǎng)景，移動(dòng)鼠標(biāo)觀察作物受害情況，根據(jù)彈框圖片正確識(shí)別害蟲種類。（3）識(shí)別害蟲種類后，需要閱讀不同藥劑的標(biāo)簽，了解藥劑的作用方式，防治對(duì)象及使用劑量，從中正確選擇本次實(shí)驗(yàn)的防治藥劑。（4）選擇藥劑后，需要選擇正確的施藥劑型。（5）根據(jù)標(biāo)簽中的有效成分含量，計(jì)算本次實(shí)驗(yàn)中有效成分施藥濃度值。（6）確定防治對(duì)象及正確選擇防治藥劑后，進(jìn)入滴灌系統(tǒng)，準(zhǔn)備開始施藥，首先觀察滴灌裝置的組成動(dòng)畫。（7）移動(dòng)鼠標(biāo)，選擇藥劑需要投放的位置，并轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的閥門，使藥劑與水混合后進(jìn)入滴灌管道。（8）調(diào)節(jié)滴灌系統(tǒng)的壓力和流速，使設(shè)備正常運(yùn)行。（9）觀察藥劑在滴灌系統(tǒng)中的流動(dòng)動(dòng)畫，了解藥劑被傳遞的過程。（10）觀察藥劑在植物體內(nèi)傳遞的動(dòng)畫，選擇藥劑傳遞的途徑。

3. 撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告及綜合評(píng)價(jià)

施藥結(jié)束后，記錄調(diào)查數(shù)據(jù)，進(jìn)行后續(xù)統(tǒng)計(jì)分析并撰寫報(bào)告。學(xué)生根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)分析方法，處理數(shù)據(jù)并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

課后充分收集學(xué)生在使用過程中的情況反饋，包括建議、評(píng)價(jià)和思考等信息，并結(jié)合線上虛擬實(shí)驗(yàn)完成情況和線下虛擬實(shí)習(xí)報(bào)告完成情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

三、滴灌施藥導(dǎo)向控制害蟲虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用效果

滴灌施藥導(dǎo)向控制害蟲虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)是國(guó)家級(jí)精品課程植物化學(xué)保護(hù)的首個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，2020年榮獲首批國(guó)家級(jí)一流本科課程，是植物保護(hù)學(xué)科中唯一的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程。該系統(tǒng)課程已納入植物化學(xué)保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，每年服務(wù)植物保護(hù)、植物檢疫等專業(yè)本科生700人，現(xiàn)已注冊(cè)學(xué)員人員超過2000人次，承擔(dān)本科教學(xué)5000課時(shí)以上。植物化學(xué)保護(hù)課程是植物保護(hù)學(xué)科的專業(yè)核心課程，由我國(guó)著名昆蟲毒理學(xué)家趙善歡院士于1952年開創(chuàng)，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)一直主導(dǎo)《植物化學(xué)保護(hù)》教材編撰和教學(xué)大綱改革[8]，將不斷完善植物化學(xué)保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，幫助本科學(xué)生接觸更多最新科研成果，形成科研與教學(xué)相互支持、相互促進(jìn)的學(xué)科教育特色。

自滴灌施藥導(dǎo)向控制害蟲虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)建成以來，已與廣西大學(xué)、湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)、長(zhǎng)江大學(xué)等簽訂了虛擬仿真等教學(xué)資源長(zhǎng)期的共享協(xié)議，并實(shí)現(xiàn)已開發(fā)軟件的共享，并將依托國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心生物和食品學(xué)科組聯(lián)席會(huì)等平臺(tái)，與同行交流及進(jìn)行虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目推廣，尤其是對(duì)西部院校免費(fèi)開放，提供技術(shù)支持，還將在今后向國(guó)內(nèi)外更多的高校開放服務(wù)。

為了推動(dòng)虛擬教學(xué)資源的社會(huì)化，使更多人員利用相關(guān)虛擬資源，充分發(fā)揮示范和輻射作用，通過創(chuàng)建虛擬仿真資源共建共享聯(lián)盟、舉辦公益活動(dòng)和科普宣傳等方式，還向參加華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院舉辦的農(nóng)藥經(jīng)營(yíng)許可資質(zhì)培訓(xùn)班的農(nóng)藥從業(yè)人員開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，使其了解掌握農(nóng)藥減量增效新技術(shù)，年服務(wù)1500人次。

四、滴灌施藥導(dǎo)向控制害蟲虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)存在的問題

在植物保護(hù)專業(yè)本科生的實(shí)踐教學(xué)中，滴灌施藥導(dǎo)向控制害蟲虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在取得一些成果的同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)其仍存在一些問題。第一，該虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)僅模擬了玉米、棉花和柑橘三種作物的滴灌施藥，涵蓋的知識(shí)面不夠廣泛?，F(xiàn)在滴灌施藥技術(shù)得到大力推廣，在小麥、葡萄、香蕉等作物上都有很好的應(yīng)用，接下來會(huì)重點(diǎn)充實(shí)此系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，涵蓋更多作物，完善實(shí)驗(yàn)流程。第二，虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)只能按照步驟進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，不能進(jìn)行探索性實(shí)驗(yàn)，應(yīng)在系統(tǒng)軟件上進(jìn)一步更新升級(jí)，增加人機(jī)互動(dòng)性，如果條件允許還應(yīng)到田間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)考察。第三，不斷完善植物化學(xué)保護(hù)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，將最新的科研成果融入到教學(xué)當(dāng)中，繼續(xù)建設(shè)學(xué)科新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)更多農(nóng)藥學(xué)實(shí)驗(yàn)的虛擬化，形成系列虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)[9-10]。

五、結(jié)束語

滴灌施藥導(dǎo)向控制害蟲虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目秉承“科研反哺教學(xué)、綠色開發(fā)共享”的理念開發(fā)設(shè)計(jì)，虛擬條件下的滴灌施藥，導(dǎo)向控制害蟲過程是對(duì)實(shí)際生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的動(dòng)態(tài)模擬，虛擬結(jié)果是基于長(zhǎng)期研究過程中積累的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[11-12]。教學(xué)為科研培養(yǎng)人才，科研則為人才培養(yǎng)提供學(xué)術(shù)思維鍛煉的平臺(tái)，以提升人才成長(zhǎng)的獨(dú)立性和悟性，最終達(dá)到反哺教學(xué)的目的，實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果的最優(yōu)化[13]。虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)擺脫了傳統(tǒng)植物化學(xué)保護(hù)課程實(shí)踐中的限制，延伸與拓展了理論學(xué)習(xí)的深度和廣度，通過3D建模與人機(jī)交互，使學(xué)生可以在虛擬仿真環(huán)境下對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)和掌握，豐富了教學(xué)手段，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力起到了積極作用。

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