虚拟仿真技术背景下的羊生产学实践教学改革探索

郝小燕,杨春合,李碧波,牟春堂,张春香

山西农业大学动物科学学院,山西 晋中 030801

0 引言

随着经济社会的快速发展,居民消费结构不断优化调整,带动了我国养殖业从传统养殖模式向市场化导向的养殖模式转型。随着养殖业的专业化、标准化、市场化不断深入发展,对动物科学专业的人才数量和质量要求也发生了新变化[1]。在现代农业高等教育学校,动物科学专业的本科生要兼顾理论知识与实践技能,面向前沿科技拓展理论视野,面向生产一线掌握实践业务。为适应经济社会对高素质养殖人才的需求,以课程改革为核心的教学改革势在必行[2]。其中,实践教学改革作为课程改革建设的基础环节和主体内容,直接面临如何降低成本、提高效能的困难。如何在理论教学课时数减少的基础上,以实践教学改革为抓手提高专业课整体教学质量,培养高质量养殖业专业人才,成为动物科学专业相关学科教育教学团队面临的现实挑战[3]。山西农业大学动物科学学院的羊生产学教学团队以课程改革为依托,在实践教学改革方面进行了有益探索。

羊生产学是动物科学专业一门重要的应用类专业课程,是进行养羊业科学研究、指导养羊生产所必需的重要环节和组成部分[4]。山西农业大学动物科学学院羊生产学教学团队,坚持以服务教学、培养能力、面向产业、资源共享的教学理念,坚持虚实结合、优势互补的实践教学原则,结合虚拟仿真和HTML5技术,开发了现代肉羊生产实训虚拟仿真系统。该系统突破时间、空间的限制,减少对实体动物的依赖,解决生物安全防疫问题,实现在线大规模肉羊生产实训。沉浸式实训体验激发了学生的学习兴趣,提高了学生理论知识应用能力,达到全过程、可持续的教学实习目标。

1 羊生产学课程特点及实践教学现状

羊生产学是我国农业高等学校动物科学专业的一门实践性很强的应用型专业主干课程,课程内容包括品种选育、遗传改良、繁殖技术、饲养管理、羊场建设、环境控制、羊产品和羊场经营管理等[5]。该课程的教学目标是拓展学生的知识结构,培养学生的宏观决策能力,特别是培养学生的养羊企业生产观念、市场观念和经济观念,促进学生有效掌握养羊业的有关理论和生产技术,提高学生解决实际生产问题的能力[6]。

目前,我国农业高等院校开设的羊生产学实践教学与当代产业需求仍有脱节之处,理论教学以羊毛品质分析、羊的外貌鉴定、年龄鉴定等内容为主,而与生产密切相关的发情鉴定方法、生产性能测定、产肉性能测定、饲养方法、羊舍设计等重要内容在教学中体现不够[7]。传统的羊生产学实践教学主要面临以下问题。

1)完整的肉羊生产周期长、时间跨度大,学生通过实验室验证性实验无法系统地掌握肉羊生产所有的技术环节。

2)羊场现代化安全生产和防疫要求高,且现场实训增加了羊只应激风险,场区不能接纳大量的学生参观学习。

3)因羊场中存在受人畜共患病风险,受其限制以及对于安全的考虑,学生无法深入生产一线进行养殖生产和羊肉品质评价实训。

4)学生对行业认知有偏差,因此会懈怠实验课。传统畜牧业养殖环境的特殊性固化了学生对动物科学专业的不良印象,导致部分学生对待实验课抱着应付的态度[8]。

5)传统教学方法与手段单一,枯燥乏味,学生对实验课兴趣低。

6)实践教学考核体系不规范。以考勤和实验报告为主的评价方式致使学生缺乏创新动力。

因此,在综合类实训项目教学上,设计紧密结合肉羊养殖生产实践,注重应用性和实操性的专业核心技能虚拟仿真教学内容显得尤为必要。

2 现代肉羊生产实训虚拟仿真系统建设

2.1 虚拟仿真系统建设背景

虚拟仿真实验利用计算机系统,采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境,使实验者如同在真实的环境中一样,完成各种预定的实验项目,所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果[9]。2017年7月,《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》指出,要深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合,不断加强高等教育实验教学优质资源建设与应用,着力提高高等教育实验教学质量和实践育人水平。以现代信息技术为依托,以相关专业类急需的实验教学信息化内容为指向,以完整的实验教学项目为基础,建设示范性虚拟仿真实验教学项目,推动高校积极探索线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式,形成专业布局合理、教学效果优良、开放共享有效的高等教育信息化实验教学项目示范新体系,支撑高等教育教学质量全面提高。

2.2 虚拟仿真系统内容设置及特点

现代肉羊生产系统实训内容包括品种及杂交组合选择,配种、羔羊护理与培育,育肥方案制定、胴体质量检测4个部分,完整地呈现了现代肉羊生产流程。该系统具有实验内容设计规范、实验评价体系合理、实验系统先进等特点。

1)学生首先了解肉羊优势产区的当家品种及特点,形成用于生产肥羔的杂交组合,并对肉羊生产关键技术进行可视化巩固学习。通过育肥方案制定和胴体质量检验模块,形成羔羊育肥期全混合饲粮配方,并从胴体质量指标中检验、反馈配方制定的合理性。

2)采用系统评分和教师评价意见相结合的方式,实现实训效果多元化和个性化评价。学生进入虚拟仿真平台,逐项完成相关实验内容。系统根据学生各项操作的正确性自动评分。教师端通过意见反馈和实训总结模块回访学生整个实训过程,并在线提出个性化指导意见,帮助学生及时纠错和提升,实现个性化评价。学生端系统提示学生查看教师评阅意见,并填写实训心得和建议,最终形成一个完整有效的评价体系。

3)运用HTML5技术,结合Unity3D、Java、可视化等网络开发技术,基于现代肉羊生产大数据分析构建实训各环节参数,按照肉羊生产流程和羊场实景构建虚拟仿真各模块,完整呈现肉羊生产流程。首先,通过回归分析建立品种、饲粮配方营养水平与肉羊胴体品质间相关关系,实现了选种及饲粮配方的适时验证。其次,学生可以在规定时间内进行多次实验,系统保留多条记录,方便学生对比分析实训中存在的知识和能力短板,以迅速改进和提高。

2.3 虚拟仿真系统实训实施过程与方法

虚拟仿真系统实训实施过程如下。①让学生熟悉现代肉羊生产流程,结合虚拟实验模型,针对各模块实验操作步骤进行实验操作。②学习和掌握品种选择、发情鉴定、精液采集、人工输精、羔羊接产、护理、羔羊培育、育肥羔羊饲粮配方设计、羔羊屠宰、胴体质量评价实验操作。③通过人机交互界面进行虚拟实验操作,根据学习的知识自定义设置各生产步骤技术参数,在线提交虚拟实验结果报告。④教师端通过实训结果及意见反馈,了解学生实训过程中存在的问题并进行个性化指导和评价,学生端查看指导意见后进行实训总结。

虚拟仿真实训采用了“自主—互动—探究”的立体式虚拟仿真教学和案例式教学方法。基于肉羊生产环节多、周期长、线下无法实施系统的生产实训相关问题,以学生为中心,通过仿真系统提供虚拟的实操与互作实验环境,倡导自主式、合作式、探究式学习,确保学生熟悉并掌握肉羊生产的全流程,大大调动学生的学习积极性和主动性,达到事半功倍的学习效果。教学中注重将教师科研成果体现在教学中,以科研促教学,例如在胴体质量检测模块中,教师将科研工作中采集的肉脂样品进行充分利用,分析不同因素如品种、营养水平、饲料添加剂等对胴体品质影响,有利于提高学生创新能力。教学中还要体现理论与实践相结合,充分利用案例式教学方法,将社会服务期间收集典型案例和数据以及图片,如黄膘肉、尿结石等案例设计融入实验中,对比分析并讨论形成这些不可食用胴体的原因,巩固专业知识,提高学生分析、解决问题的能力。

3 虚实结合实践教学成效与思考

3.1 成效

现代肉羊生产实训虚拟仿真系统设置了紧密衔接的肉羊生产核心技能虚拟仿真教学内容,巩固了动物科学学生所需的专业知识,避免动物应激、节约实验饲养成本、缩短实验时间,解决了肉羊生产周期长、场区进出困难造成的实训难度大、效果差等问题,变“不可控”为“可控”,解决学生因兴趣不足造成的参与度低、创新能力差的问题,有效提高课堂效率,切实提升学生专业技能和实践动手能力,提高教学的质量。

现代肉羊生产实训虚拟仿真系统大大节省了实验教学中人力、物力、财力的投入,降低了实验教学成本,降低了人畜共患病风险。打破了传统实验时间和空间的界限,将部分抽象知识可视化、程序化,大大提高了学生参与实训的积极性,使学生进入实习基地时更加自信,上手更快,实践能力得到显著提升。该教学模式有效增强了学生自主学习和主动探究的内生动力,也得到了任课老师和学生的高度好评。现代肉羊生产系统实训属于动物营养与饲料、动物繁殖技术专业核心技能在羊生产中的综合应用,线下开展如此系统的实训非常困难。通过线上仿真,能够更直观立体地使学生掌握专业技能,突破空间约束,随时随地使用,更加便捷;通过虚实结合和虚实交互学习,使我们对羊的人工采精技能,全混合饲粮配方设计技能、胴体质量检测技能更加熟练掌握,让我们可以更加深入地理解书本的知识,使我们对学习更有兴趣、印象更深刻。

3.2 思考

虚拟仿真实验教学在现代高校实验实践教学中展现出重要作用。虚实结合的实践教学创新,对于降低实践教学成本、提升实验实践能力、调动学生参与实验教学的积极性和主动性,激发学生的学习兴趣和潜能,增强学生创新创造能力,培养服务于产业和区域经济发展的专业化人才具有重要意义。但需要注意的是,就虚避实,试图以虚拟仿真实践教学替代传统线下实践教学并不可取。在实践性较强的课程改革创新过程中,要处理好“虚实”之间的关系。羊生产学教学团队认为,对虚拟仿真实验课程的开设要坚持“能实不虚,虚为实补”的原则,将虚拟仿真实验作为现实实验的有益补充,坚持学生的主体地位,更要坚持教学效果的目标导向,突出动物科学的专业特色,虚实结合,提高学生认知和专业实践能力,培养适应现代畜牧产业发展的专业化人才。

4 结束语

羊生产学实践教学受肉羊生产周期长、时间跨度大和羊场场区进出困难的空间限制影响,导致学生实训效果不佳。现代肉羊生产实训虚拟仿真系统的开发应用,打破了传统实验时间和空间的限制,将部分抽象知识可视化,提高了学生参与实训的积极性,使学生进入实习基地时更加自信,实践动手能力能够得到显著提升。