姜麗麗，孫麗芳，郭永霞，王霞，高樹仁，金光輝，鄭雯

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，黑龍江大慶 163319）

信息時(shí)代的到來(lái)，對(duì)高校傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)是指通過(guò)計(jì)算機(jī)構(gòu)建出仿真的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，突破原有實(shí)驗(yàn)條件限制，不受時(shí)間和空間的制約[1-2]而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。教育部非常重視虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的開發(fā)與建設(shè)，2017 年7 月，教育部辦公廳印發(fā)《關(guān)于2017—2020 年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》，提出：以完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，建設(shè)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，形成專業(yè)布局合理、教學(xué)效果優(yōu)良、開放共享有效的高等教育信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目示范新體系，支撐高等教育教學(xué)質(zhì)量全面提高[3]。以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目為載體，加快虛擬工廠、智能實(shí)驗(yàn)室等的建設(shè)，并利用信息技術(shù)來(lái)發(fā)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠以實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化促進(jìn)高等教育的發(fā)展[4-6]。

鄉(xiāng)村振興工作的重點(diǎn)包括加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村大數(shù)據(jù)應(yīng)用，推進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展，推動(dòng)數(shù)字化應(yīng)用場(chǎng)景研發(fā)推廣，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)將以全新的方式推動(dòng)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級(jí)[4-5]。作物學(xué)作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)不可或缺的一部分，越來(lái)越受到社會(huì)的重視。農(nóng)學(xué)專業(yè)培養(yǎng)體系的特點(diǎn)是理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生可持續(xù)發(fā)展的意識(shí)及使學(xué)生掌握農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的技能與方法，實(shí)踐教學(xué)在專業(yè)人才培養(yǎng)方面有重要作用[6-7]。需將現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)、新一代信息技術(shù)等多門學(xué)科融合，著力提升農(nóng)學(xué)專業(yè)人才的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力與科研素養(yǎng)，培養(yǎng)農(nóng)學(xué)專業(yè)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力[8-10]。

黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)專業(yè)是首批國(guó)家級(jí)卓越復(fù)合應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式改革試點(diǎn)專業(yè)和國(guó)家一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)。該校緊緊圍繞建設(shè)特色鮮明的高水平現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大學(xué)的辦學(xué)定位，立足服務(wù)墾區(qū)和龍江區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，面向現(xiàn)代化大農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)人才需求，培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展，掌握現(xiàn)代作物栽培和育種基本理論、基本知識(shí)和實(shí)踐技能，富有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)和能力的拔尖創(chuàng)新型和復(fù)合應(yīng)用型農(nóng)業(yè)技術(shù)人才。拔尖創(chuàng)新型人才注重科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)，復(fù)合應(yīng)用型人才注重綜合應(yīng)用技能培養(yǎng)[11-13]。

1 作物育種學(xué)實(shí)驗(yàn)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

作物育種學(xué)是黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)專業(yè)的必修課，課程針對(duì)作物育種理論知識(shí)安排了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。由于作物育種是一個(gè)漫長(zhǎng)而又復(fù)雜的過(guò)程，該課程在本科三年級(jí)上學(xué)期開課，此時(shí)為北方的秋冬季節(jié)，學(xué)生參與田間育種實(shí)驗(yàn)也只能看到秋收的過(guò)程，對(duì)于前期準(zhǔn)備工作、播種、雜交授粉、田間管理等環(huán)節(jié)難以參與其中，學(xué)生對(duì)所學(xué)育種理論的理解浮于表面。

1.1 知識(shí)點(diǎn)缺乏連貫性

由于馬鈴薯育種技術(shù)知識(shí)點(diǎn)分散，馬鈴薯屬于無(wú)性繁殖作物，理論與實(shí)踐之間跨度較大。圖像處理涉及理論知識(shí)點(diǎn)多，不同章節(jié)的理論沒有必然的學(xué)習(xí)次序，由于課時(shí)有限，學(xué)生與教師之間互動(dòng)較少，學(xué)生接受知識(shí)較被動(dòng)，且與實(shí)踐環(huán)節(jié)脫節(jié)，學(xué)習(xí)效率較低。

1.2 實(shí)驗(yàn)資源有限

馬鈴薯育種技術(shù)實(shí)驗(yàn)需要多個(gè)環(huán)節(jié)，從播種到收獲每個(gè)環(huán)節(jié)都需要準(zhǔn)備大量種子材料及實(shí)驗(yàn)用品，課堂上教師講授僅限于書本和課件中的理論知識(shí)，馬鈴薯育種所需相關(guān)設(shè)備及材料不能滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要，學(xué)生憑觀看課件理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，知識(shí)掌握程度各異，實(shí)驗(yàn)效果也不甚理想。

1.3 學(xué)生動(dòng)手能力的差異使得教學(xué)效果不理想

馬鈴薯育種需要較強(qiáng)的動(dòng)手能力，而學(xué)生的實(shí)踐能力不同，大部分學(xué)生把時(shí)間用在認(rèn)知材料和掌握儀器操作環(huán)節(jié)，無(wú)法投入更多精力去理解和整合整個(gè)育種過(guò)程。有些實(shí)驗(yàn)需要去育種基地完成，但受到諸多因素影響，加上育種基地設(shè)施不完善，導(dǎo)致教與學(xué)的效果都不理想。

基于以上問題，在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的申報(bào)與建設(shè)過(guò)程中，課程組著手對(duì)作物育種學(xué)中馬鈴薯育種技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行改革，借助虛擬仿真軟件的開發(fā)提升課程教學(xué)質(zhì)量。課程組依托虛擬仿真平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)課程改革，結(jié)合作物育種技術(shù)特點(diǎn)，先后開發(fā)了玉米新品種選育和馬鈴薯育種技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件的應(yīng)用，不但提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及積極性，也幫助學(xué)生體會(huì)虛擬仿真技術(shù)的科學(xué)性及多元性特點(diǎn)，從而加深學(xué)生對(duì)育種實(shí)驗(yàn)的全面了解。

2 實(shí)驗(yàn)課程改革

2.1 課程理念

（1）農(nóng)學(xué)院作物育種學(xué)課程組遵循以學(xué)生為中心、問題導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)的教育教學(xué)理念，構(gòu)建了“整合教學(xué)內(nèi)容、融合教學(xué)模式、結(jié)合教學(xué)育人、混合教學(xué)形態(tài)”的創(chuàng)新舉措。2020 年引入中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)作物育種學(xué)智慧樹共享課程，開展線上線下混合式教學(xué)，成效顯著，學(xué)生反饋較好。2021 年作物育種學(xué)獲批黑龍江省線上線下混合式一流課程。馬鈴薯育種技術(shù)虛擬仿真技術(shù)是課題組“以虛促學(xué)、以虛證實(shí)、虛實(shí)結(jié)合”教學(xué)理念的踐行。借助虛擬仿真平臺(tái)提供的服務(wù)器資源，利用虛擬軟件配置的真實(shí)環(huán)境，完成系統(tǒng)性綜合實(shí)驗(yàn)。

（2）開辟虛擬實(shí)踐帶動(dòng)創(chuàng)新的新架構(gòu)。馬鈴薯育種技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心是將過(guò)去需要線下完成的長(zhǎng)周期育種實(shí)驗(yàn)變革為虛擬界面操作方式，課程組構(gòu)建了以“興趣—專業(yè)—?jiǎng)?chuàng)新”逐層次遞進(jìn)、以馬鈴薯育種技術(shù)各環(huán)節(jié)為主線的新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的系統(tǒng)性綜合實(shí)驗(yàn)逐漸替代傳統(tǒng)的以鞏固知識(shí)點(diǎn)為目的的單元驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。

2.2 改革措施

2.2.1 理論教學(xué)模式改革

課程組對(duì)作物育種學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)理論部分的講授方式實(shí)施了改革，突出作物育種中主要概念的基本性質(zhì)和實(shí)際意義，強(qiáng)調(diào)學(xué)生重在理解，弱化記憶。在授課過(guò)程中，教師結(jié)合自身科研項(xiàng)目，針對(duì)不同作物在育種過(guò)程中需要注意的問題進(jìn)行講解，引導(dǎo)學(xué)生思考如何簡(jiǎn)化、分解復(fù)雜問題。增加授課中的思政元素，引入育種家的科研事跡，加強(qiáng)師生間互動(dòng)，教學(xué)示例緊扣育種主題，貼近時(shí)事與生活，使理性教育和感性認(rèn)識(shí)能夠更好地融合[14]。

2.2.2 教學(xué)資源升級(jí)

改革前，學(xué)生僅能通過(guò)教師發(fā)布的教學(xué)課件或者教材進(jìn)行預(yù)習(xí)。近幾年，隨著網(wǎng)課頻率增加，課程組引進(jìn)智慧樹中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)作物育種學(xué)共享課程作為授課中的學(xué)分課資源，學(xué)生可在課前通過(guò)觀看相關(guān)章節(jié)視頻完成預(yù)習(xí)，并完成章節(jié)測(cè)試。課程組充分利用智慧樹平臺(tái)，除共享課外，還建立了翻轉(zhuǎn)課堂，將教學(xué)資源上傳平臺(tái)供學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)使用，有效解決了由于課時(shí)限制學(xué)生沒有機(jī)會(huì)延伸閱讀課程相關(guān)內(nèi)容、各類文獻(xiàn)等問題。課程組在平臺(tái)中設(shè)置了課后作業(yè)，便于學(xué)生鞏固課堂所學(xué)知識(shí)，在理論課期末考核中學(xué)分課成績(jī)（包括教學(xué)視頻觀看和完成單元測(cè)試）占比25%，翻轉(zhuǎn)課成績(jī)（包括翻轉(zhuǎn)課互動(dòng)和課后作業(yè)）占比25%，期末考試成績(jī)占比50%，合理優(yōu)化了考核評(píng)價(jià)體系，讓學(xué)生將更多精力用在平時(shí)的學(xué)習(xí)和積累中。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)形式改革

課程組經(jīng)過(guò)研討，對(duì)作物育種學(xué)實(shí)驗(yàn)課的授課形式進(jìn)行了改革，將傳統(tǒng)的固定上課時(shí)間以及固定機(jī)房上機(jī)實(shí)驗(yàn)方式改為讓學(xué)生自由掌握實(shí)驗(yàn)節(jié)奏，學(xué)生可以隨時(shí)下載虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件或者線上訪問虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。此授課形式能夠充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)自主性，使學(xué)生主動(dòng)在課余時(shí)間進(jìn)行相關(guān)知識(shí)點(diǎn)及馬鈴薯育種技術(shù)的針對(duì)性學(xué)習(xí)。

3 馬鈴薯育種技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

結(jié)合作物育種的特點(diǎn)，課程組設(shè)計(jì)開發(fā)了馬鈴薯育種技術(shù)綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件，內(nèi)容針對(duì)馬鈴薯育種各環(huán)節(jié)進(jìn)行虛擬場(chǎng)景操作與追蹤。實(shí)驗(yàn)涉及馬鈴薯有性雜交技術(shù)及后代選擇技術(shù)等4 個(gè)模塊，通過(guò)模擬育種虛擬場(chǎng)景，使學(xué)生沉浸式體驗(yàn)育種的各環(huán)節(jié)，對(duì)于提高學(xué)生實(shí)踐能力具有很大作用。

3.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程

馬鈴薯育種技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程如圖1 所示，主要包括4 個(gè)環(huán)節(jié)：（1）實(shí)驗(yàn)開始之前，教師講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑤椭鷮W(xué)生繪制實(shí)驗(yàn)的思維圖譜，讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有基本認(rèn)知；（2）在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生根據(jù)軟件提示逐步完成實(shí)驗(yàn)操作，鞏固知識(shí)點(diǎn)；（3）所有實(shí)驗(yàn)操作完成之后，系統(tǒng)會(huì)顯示分?jǐn)?shù)，學(xué)生撰寫心得體會(huì)，教師將實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)評(píng)分（占比80%）和心得體會(huì)評(píng)分（占比20%）折算反饋給學(xué)生；（4）在驗(yàn)收環(huán)節(jié)，教師講授基本知識(shí)后，對(duì)關(guān)鍵步驟進(jìn)行解釋和指導(dǎo)，最后通過(guò)問答形式評(píng)估學(xué)生的完成情況。這些環(huán)節(jié)需要學(xué)生自覺學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)，并在虛擬平臺(tái)上完成實(shí)驗(yàn)。

圖1 馬鈴薯虛擬仿真實(shí)驗(yàn)流程圖

3.2 考核評(píng)估方式

課程組在設(shè)計(jì)馬鈴薯育種技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)_本時(shí)將考核的知識(shí)點(diǎn)設(shè)置成題目，題目類型以選擇題為主，學(xué)生進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)可通過(guò)系統(tǒng)提示進(jìn)行下一步的操作，4項(xiàng)主題實(shí)驗(yàn)滿分100分，每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)25分，分值包括操作得分和做題得分。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中逐漸意識(shí)到每一步操作的重要性，同時(shí)也能加深對(duì)操作步驟的印象，有效提升學(xué)習(xí)主動(dòng)性和動(dòng)手操作能力以及實(shí)驗(yàn)的完成度。

3.3 實(shí)施成效

以虛擬仿真的方式進(jìn)行綜合性項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)教學(xué)，改變了作物遺傳育種課程傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院2018 級(jí)農(nóng)學(xué)專業(yè)進(jìn)行馬鈴薯虛擬仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)試班級(jí)僅有一個(gè)，共30 人。馬鈴薯育種技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在2019 級(jí)農(nóng)學(xué)專業(yè)和種子科學(xué)與工程專業(yè)推廣，學(xué)生學(xué)習(xí)人數(shù)累計(jì)達(dá)到272 人，2020級(jí)學(xué)生學(xué)習(xí)人數(shù)達(dá)到285 人。云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)專業(yè)引用馬鈴薯虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，共有133 人完成測(cè)試，效果良好。本文通過(guò)調(diào)查問卷方式，收集2020、2021 學(xué)年的授課班教學(xué)反饋，結(jié)果表明：學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、創(chuàng)造性普遍有所提高，并對(duì)采用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行綜合性實(shí)驗(yàn)持肯定態(tài)度。調(diào)查問卷統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2 與圖3 所示。

圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生能力的提升效果

圖3 促進(jìn)學(xué)生能力提升的因素

4 結(jié)語(yǔ)

在高?！半p一流”建設(shè)的背景下，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有一定優(yōu)勢(shì)，不僅突破了時(shí)間和空間的限制，還能增加實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的真實(shí)性。然而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)并不能完全取代傳統(tǒng)馬鈴薯育種實(shí)驗(yàn)，兩者需要進(jìn)行融合，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的作物育種教學(xué)實(shí)驗(yàn)體系。同時(shí)，作物育種虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)也需要不斷突破與創(chuàng)新，使其更加接近真實(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，從而提高實(shí)驗(yàn)效率，提高教學(xué)質(zhì)量。