植物生产类专业虚拟仿真辅助田间实习探索
黄五星 张小全 邵惠芳 韩丹 贾玮
【摘要】田间实习是植物生产类专业本科生实践教学的重要组成部分，受季节、场地、天气等时空条件制约，田间实习开展往往受到限制。虚拟仿真教学利用现代信息技术模拟真实大田场景，可以让学生在田间实习条件受限制时保障教学活动正常开展。本文通过分析虚拟仿真教学及其辅助田间实习的优势、虚拟仿真辅助田间实习体系的构建，提出虚拟仿真辅助田间实习的运行建议。
【关键词】虚拟仿真;田间实习;植物生产类专业
在教育部公布的2020年版《普通高等学校本科专业目录》中，植物生产类包括农学、园艺、植物保护、植物科学与技术、种子科学与工程、设施农业科学与工程、茶学、烟草、应用生物科学、农艺教育、园艺教育、智慧农业、菌物科学与工程、农药化肥14个专业。田间实习是植物生产类专业本科生实践教学的重要组成部分，是理论课和实验课的延伸。田间实习不仅可以巩固课堂教学内容、加深学生对理论知识的理解，而且能够理论联系实际，增强学生运用知识分析问题与解决问题的能力，提高学生的综合素质。然而受作物生产季节性、地理空间、天气状况、经济成本和交通条件等因素影响，田间实习效果往往受到限制。虚拟仿真教学利用现代信息技术模拟真实大田场景，具有高效、安全、经济的优点，突破了时间和空间限制，可以让学生在田间实习条件受限制时保障教学活动的正常开展。
一、虚拟仿真教学及其辅助田间实习的优势
虚拟仿真技术应用于教学起源于1989年美国Virginia大学的William Wolf教授提出的“虚拟实验”概念。虚拟仿真教学综合应用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，利用计算机图形系统和各种显示及控制设备，通过构建逼真的操作环境和观察对象，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展学习与实践，进而达到真实教学不具备或难以实现的效果。虚拟仿真教学具有沉浸性和交互性的特点，集知识和互动于一体，在辅助田间实习中具有显著的优势。一是虚拟仿真教学能突破田间实习空间和时间的限制。植物生产类专业田间实习的开展需要遵循作物生长发育规律，在作物生长发育的特定阶段、特定地点开展。但限于季节、场地、天气等时空条件，田间实习会出现不能顺利开展的情况。虚拟仿真教学运用三维仿真、人机交互、人工智能等新技术，通过搭建符合实际情况的田间实习环境，能够克服时间、地点以及材料的限制。二是虚拟仿真教学能节约教学成本并降低实习安全风险。虚拟仿真教学搭建的平台系统可以不断完善提升并反复使用，长期使用会大大降低教学成本。同时虚拟仿真教学所提供的安全可靠的教学方式不仅能避免田间实习中高危性步骤或操作失败对人体与机器设备造成的损伤，还能以直观的方式看到错误操作造成的不良后果以警醒学生。
二、虚拟仿真辅助田间实习体系的构建
（一）软硬件平台构建
植物生产类专业虚拟仿真平台构建需要作物及其环境信息获取、三维建模、真实感显示、可视化计算分析、虚拟仿真和互动体验等专业化软硬件设备。例如三维激光扫描仪、手持式可移动扫描仪、光合测定系统、根系生长仪、冠层分析仪、叶面积仪、叶绿素仪、土壤水分监测仪、雨量传感器、自动气象站、图形工作站、3D立体投影等硬件设备;Geomagic Studio三維点云处理软件、Visual Studio建模应用系统、OpenGL图形类库建模交互设计软件、Unity3D农业虚拟场景构建和农业生产虚拟交互模拟系统、3D Studio Max虚拟仿真建模系统等软件。
（二）教学内容体系构建
植物生产类专业虚拟仿真田间实习体系应包括基础训练、综合训练和创新训练三个模块。其中基础训练模块包括作物生长动态虚拟仿真、作物营养虚拟仿真、农田土壤环境虚拟仿真、农田大气环境虚拟仿真、作物病菌侵染虚拟仿真、作物虫害虚拟仿真等;综合训练模块包括作物大田生产管理虚拟仿真、作物大田群体调控虚拟仿真、农药安全使用虚拟仿真等;创新训练模块包括多因素栽培试验虚拟仿真、作物病害发生过程与环境因素虚拟仿真等。
以作物大田生产管理虚拟仿真综合训练模块为例介绍其内容。作物大田生产管理综合训练模块围绕作物品种特性、对环境的适应特点、栽培措施效果、生产管理流程等理论知识，包括八方面内容。第一，作物形态学观察，包括作物器官、植株形态与结构观察和测量等内容。第二，作物全生育期生长动态，主要包括植株形态建成观察、主要生育期特征参数测量。第三，作物株型与合理密植，主要包括株型划分、种植密度及其对产量的影响。第四，作物矿质营养与施肥管理，主要包括作物对矿质营养的要求、需肥规律、施肥技术与方法。第五，作物水分生理与水分管理，主要包括作物对水分的要求、需水规律和灌溉技术。第六，作物病虫害观察，主要包括病虫害症状和危害级别鉴定。第七，整地与播种，主要包括种子处理、整地和播种等生产操作。第八，苗期（穗期或花期）管理，主要包括特定时期植株观察、水肥、病虫草害预防与控制等内容。
（三）“虚实兼修”专业师资队伍构建
师资队伍的素质直接决定了虚拟仿真实践教学的质量。要发挥虚拟仿真在辅助田间实习过程中的作用，就要按照师德高、爱教学、能实操的标准构建师资队伍，并不断增强师资队伍“虚实兼修”的素质。“实”的方面指教师要有深厚的专业知识储备和丰富的实践经验，能有效解决学生田间实习过程中出现的问题，保障田间实习顺利开展和高质量完成;“虚”的方面指教师要有扎实的信息化教学素养和较强的自主开发能力，能熟练掌握虚拟仿真系统的操作流程并可以对平台进行更新和完善。
三、虚拟仿真辅助田间实习的运行建议
虚拟仿真辅助田间实习的原则是“以虚补实、以实为主、能实不虚、虚实结合”。在运行中要避免虚拟仿真泛化。由于虚拟仿真只是让学生得到一种间接的经验，不能够完全代替田间实习，因此在能够正常开展田间实习时必须坚持能实不虚。在运行中要主次分明，以虚补实。由于虚拟仿真工作环境逼真并且操作可重复，容易让学生沉浸于新鲜感，急于走流程而忽视基础知识和操作要领。所以运行时一定要让学生在明确学习目标和要求的前提下，在沉浸中保持清醒，尝试自主解决遇到的问题。指导教师要尽可能让虚拟仿真与部分真实大田场景穿插进行，让学生在真实的情境中去建构知识、在虚拟仿真的情境中去运用知识，以增强学习效果。总之，虚拟仿真辅助田间实习实现了植物生产类专业长时程实习的短时化、大尺度实习的微缩化和高风险因素的安全化，按照“以虚补实、虚实结合”原则开展能突破田间实习的时空限制，保障教学正常开展，并促进教学效果提升。
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【本文受教学改革研究与实践项目“新农科建设背景下特种经济作物专业人才培养模式研究”资助】
（作者单位：河南农业大学）
