农科类虚拟仿真实验教学中心建设探索与实践

张永江，刘连涛，李存东

(河北农业大学 农学院/河北省作物生长调控实验室，河北 保定 071001)

农科类虚拟仿真实验教学中心建设探索与实践

张永江，刘连涛，李存东

(河北农业大学 农学院/河北省作物生长调控实验室，河北 保定 071001)

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化的组成部分，也是实验教学示范中心建设工作的重要内容。不同于其它学科，农科类实验具有较强的季节性、地域性和复杂性特点，实现相关实验的虚拟仿真相当困难。河北农业大学紧跟形势，依托两个国家级实验教学中心和省强势特色学科优势，开展了“植物生长与病虫害防治虚拟仿真实验教学中心”系列建设工作，成效显著。实践表明，农科类虚拟仿真实验教学可以打破时间和空间的限制，缩短教学实验与试验周期，弥补传统实验受生长季节、多元环境和时空限制的不足，实现虚实互补。

农科；虚拟仿真；实验教学；信息化

DOI号：10.13320/j.cnki.jauhe.2017.0045

高等教育肩负着培育创新精神和创造型人才的特殊使命。实验教学作为高级应用型人才培养的关键环节，对于激发学生的创新意识，拓展学生的创新思维，增长学生的创新技能具有重要作用，愈加成为整个高等教育创新体系的重要组成部分[1]。以信息技术应用为本质特征的虚拟仿真实验教学，适应了信息时代高等教育开放办学、资源共享的变革要求，为学生开展探究性学习、自主实验和创新实践提供了先进手段、开放平台和优质资源，在提高人才培养质量的同时，也为实验教学改革和实验室建设增添了活力和动力。教育部在《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》中，明确提出虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设的重要内容，并从2013年起开展了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，提出了虚拟仿真实验教学发展的指导思想、宗旨、核心和重点，要求各高校要持续推进实验教学改革与发展和实验教学信息化建设工作[2]。农业生产因其生产条件的复杂性，实现相关实验的虚拟仿真相当困难。在已公布的国家级虚拟仿真实验教学中心中，鲜见农科类报道。作为地方院校，河北农业大学紧跟形势，依托两个国家级实验教学中心和省强势特色学科优势，开展了“植物生长与病虫害防治虚拟仿真实验教学中心”(以下简称“中心”)系列建设工作。现就中心建设的意义、历程、发展与思考展开阐述。

一、建设意义和必要性

农科类植物生产均具有较强的季节性、地域性、综合性、持续性特点，研究对象为复杂的生物有机体，要求宽广的实验时间、空间和复杂多元的实验条件。而传统实验教学的时、空局限性，资源局限性，学科局限性均较大，难以完全满足长时程、大尺度、复杂性等实验实践项目的现实需要，迫切需要利用现代计算机、网络和信息技术开展相应的虚拟仿真实验，与实物、实景实验相互补充、相得益彰，弥补真实实验教学的不足，改善植物生产类专业实验教学效果。

虚拟仿真实验可以实现农学类专业“长时程实验的短时化”。由于大田作物、园艺植物生长周期长，受学生课时数和实验条件限制，学生的专业实践难于在行课期间全面、系统完成。应用虚拟仿真实验技术模拟农作物的生长和栽培管理，代替长时程的实地作物种植管理，使得整个作物生长周期能够压缩至几个课时。同时虚拟仿真实验不受气候、季节限制，周年都可以在仿真系统平台中实现作物种植、管理与收获[3]，这是真实实验不可能实现的。

虚拟仿真实验可以实现农科类专业“大尺度实验的微缩化”。农业生产中，生态条件差异造成农作物类型、生育规律、生物环境等不同，导致不同生态区农作物的布局和管理策略不同。受生态区距离远、课时少、教学经费等影响，学生在校期间不能参与各生态区的农作物管理及对生态区作物生育差异的认知学习；又如昆虫的生活史包括昆虫各态的变化过程，这些实验尺度大，不易观察或不能短时间内完成。依靠虚拟仿真技术将不同生态区作物生产或昆虫迁飞规律等在虚拟仿真系统中进行模拟再现，实现“大尺度实验微缩化”，完成传统实验不可能完成的实验内容，使各个教学环节得以有机衔接，学生掌握的知识结构与专业技能更加完整。

虚拟仿真实验可以实现“危险性实验的安全化”。农药生产、使用及效果验证等实验项目中都会涉及剧毒农药，操作不当会危害学生身体，引起环境污染。虚拟仿真教学能够模拟这些实验，使学生通过虚拟仿真技术与操作了解各种实验条件下的实验结果，减少真实试验的危害。

农科类虚拟仿真实验教学，可以打破时间和空间的限制，缩短教学实验与试验周期，节约教学成本，使理论知识教学从枯乏的二维空间转向绚丽的三维世界，试验空间从物理空间向虚拟空间扩展，充分利用现代计算机、网络与信息技术，为农科类专业课程教学提供先进的教学手段，进而开阔学生的思维空间与视野，有助于提升专业实践能力与创新能力。

二、建设历程

(一)建设背景

中心的建设历史可以追溯到1995年。当时河北农业大学与澳大利亚墨尔本大学在“作物生产系统计算机模拟”方面开始合作研究。双方合作的主要内容是“华北平原区小麦-玉米一年两作生产系统计算机模拟”，该研究采用目前世界上先进的计算机模拟软件“STELLA”，建立华北平原区小麦-玉米两作种植制度的计算机模拟模型。1997年11月，“河北农业大学-墨尔本大学作物模拟实验室”在河北农业大学农学院落成并对外开放。此合作引起了国际关注，国际权威刊物NewScientist进行了专文报道。在此平台基础上，中心人员一方面利用DSSAT、WOFOST和APSIM等农业模拟模型开展机理研究，一方面顺应国家教育信息化的趋势，针对农科专业实验教学特点逐步开展模拟仿真实验室建设。

虚拟仿真实验教学中心的建设离不开原有常规实验教学中心和学科的有力支撑。中心的发展依托2个国家级实验教学示范中心(植物科学与技术实验教学中心和作物学实验教学中心)，1个国家级人才培养模式创新实验区(农学类专业“三位一体”复合型人才培养模式创新实验区)，1个国家农业科技创新与集成示范基地(张北国家农业科技创新与集成示范基地)，3个河北省强势特色学科(作物学、园艺学和植物保护学)，2个省级实验教学示范中心(园艺学实验教学中心和植物保护实验教学中心)，以及4个省部级重点实验室/工程中心。中心拥有丰富的教学资源和卓越的教学团队，在精品课程建设、师资队伍建设、实验教学特色、实验教学成果和效果、实践基地建设等方面取得了丰硕的成果。中心由学校统一规划部署，面向全校农科(农学、园艺、植物保护等)专业，通过虚拟现实技术建立展现大田作物、园艺植物生长与发育、结构与功能、栽培、育种、病虫害发生与防治等教学虚拟仿真系统。2014年植物生长与病虫害虚拟仿真实验教学中心被批准为省级虚拟仿真实验教学中心。

(二)教学体系与平台

中心的教学理念是“强化基础、虚实结合、科教融合、开放共享”。坚持学生基础知识、专业能力和综合素质全面协调发展；努力培养学生的实践能力、探索精神和科研创新能力。在中心建设过程中，以实践教学大纲为依据，以植物生长和病虫害演变多方位虚拟仿真模型为主体，以虚拟仿真实验教学资源建设和平台建设为重点，以学生实践能力、创新意识和综合素质培养为目标，发挥作物学、园艺学、植物保护学学科方向全、技术手段全、训练层次全、师资队伍强的优势，坚持科研成果转化激励机制，用高水平科研成果丰富虚拟仿真实验教学内容，真实实验与虚拟实验相互补充，完善实践教学体系。通过现代化信息手段，实现实验教学资源与虚拟仿真实验的开放和共享。

植物生长与病虫害防治虚拟仿真实验教学体系见图1。依据中心内各学科、专业特点，中心设立了作物学虚拟仿真实验室、植物保护虚拟仿真实验室、园艺学虚拟仿真实验室和数字农业虚拟仿真实验室等4个分实验室，形成四大实验课程模块，实验项目分为基础训练、综合训练和创新训练3个层次，开展分层分类教学，满足不同专业学生对虚拟实验教学内容的需要，实现教学内容的开放共享。其中基础训练实验包括作物生长过程动态虚拟仿真实验、园艺设施环境三维虚拟展示实验、植物病原菌的侵染过程模拟仿真等；综合训练实验包括大田作物生产管理辅助决策实验、大田作物群体光分布模拟计算、农药安全使用综合虚拟培训实验等；创新训练实验包括作物三维形态交互式设计虚拟仿真、大田作物群体设计与计算分析实验、日光温室交互设计虚拟仿真实验、作物病害发生过程与环境因素模拟实验等。

图1 植物生长与病虫害防治虚拟仿真实验教学中心实验教学体系

实验教学与信息化教育技术深度融合，与企业合作，建立了具有植物生长与病虫害防治特点的信息化管理共享平台，实现了仿真实验的有效管理。平台提供实验安排与选课、实验前的相关知识辅助学习与测试、实验平台转接、实验过程的答疑与指导、虚拟实验结果的批改、实验报告的在线填写与管理、实验教学效果评估与分析等。植物生长与病虫害防治虚拟仿真实验教学中心平台登录界面见图2。该系统平台采集学生在实验过程中的各类行为数据，为实验者提供个性化、针对性更强的知识学习指导和学习评估报告，并通过数据分析更丰富、详实、客观地展示学生在实验教学各环节的参与情况，该过程为实验教学成果评价提供了数据支持，并有效减轻了实验管理员及任课教师的负担。在虚拟仿真实验方面，中心与北京农业信息技术研究中心联合研发了农学、园艺学、植物科学与技术等专业的《作物栽培学》《植物病理学》《昆虫学》《园艺学》《设施农业》《信息技术与作物生产》等6门课程共计20个典型实验。玉米合理密植与群体结构动态虚拟仿真系统界面见图3。

图2 植物生长与病虫害防治虚拟仿真实验教学中心平台登录界面

图3 玉米合理密植与群体结构动态虚拟仿真系统界面

(三)硬件建设

虚拟仿真实验平台包括构建虚拟仿真实验所需的软硬件，以及教学实验室学习展示平台。中心拥有比较系统配套的进行农业生物及其环境的信息获取、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的专业化软硬件设备。硬件设备包括美国三维激光扫描仪Trimble TX 5，美国FastSCAN Cobra手持式可移动扫描仪、美国Artec Eva 3D三维扫描仪、高端图形工作站，拥有用于建模的专业数据采集仪器，如美国LI 6400光合测定系统、植物根系生长仪CI-600、冠层分析仪SUNSCAN、叶面积仪LI 3000，德国叶绿素荧光仪PAM 2500、自动气象站ADCON-A753、土壤水分监测系统Pico Trime IMKO等等。中心建有人工气候室，可以人工控制温度(-20℃-50℃)、光照(0-50 000 Lux)等条件，能够模拟不同气象条件，为不同植物生长参数的获取提供基础平台。建有自动防雨大棚，能够人工模拟干旱条件精确控制土壤水分，通过雨量传感器感知雨水，自动开启/关闭大棚，为开展节水、模拟干旱研究提供支撑平台。软件包括三维点云处理软件Geomagic Studio、用于构建植物建模应用系统的Visual Studio、用于进行植物建模交互设计软件的开发类库OpenGL 图形类库、用于进行农业虚拟场景的构建以及农业生产虚拟互动交互模拟系统开发的Unity3D、用于虚拟仿真模型建模的3D StudioMax、Virtools等等。

为完善所开设实验的虚拟仿真效果，中心建成了高规格虚拟仿真教学实验室，专门开展植物生长与病虫害防治虚拟仿真实验教学。为让学生切身体会到虚拟仿真实验的真实性、沉浸感，实验室同时建有双通道立体融合3D立体投影系统，能将三维图形计算机生成的三维数字图像实时地输出并显示在一个超大幅面的环形投影幕墙上，并以立体成像的方式呈现在观看者的眼前，使观看者和参与者获得一种身临其境的虚拟仿真视觉感受。

(四)成效

中心已成为培养和提高学生实践创新能力的重要基地。自平台建成以来，用户访问已经超过6万人次。除面向校内农科类专业外，还与其它5所院校实现资源共享。教学平台可网络运行，高交互操作，实时信息反馈，内容丰富。实践表明，采用“虚实结合”的实验教学模式拓展了学生的专业视野，提高了学生的自主学习能力，丰富了教学内容，降低了实验成本和风险，极大提高了学生综合运用所学专业知识进行专业实践的能力，实现了虚拟仿真平台和校外实习基地建设相互补充、相互支持[4]。例如：玉米高产栽培管理仿真实验，从播种到收获的全部管理措施，涉及到的农机具，以及不同区域的自然环境均可整合至仿真系统。学生根据所需知识，结合气象条件等进行整个玉米生长周期的仿真栽培管理；学生可自主选择品种、设计密度、进行病虫害防治、采取收获措施。通过仿真模拟实验，学生能够在几个学时完成玉米栽培全生长季管理过程，不受实验场地、季节、时间的限制，这是传统实物实验无法实现的。

中心促进了复合型新型教师队伍的建设。现代化农业对高校教师综合素质提出了更高的要求。虚拟仿真实验中心的建设，促进了实验教学管理体系的改革，培养和带动了一批既懂农业专业知识，又懂现代网络信息技术的中青年教师。这些教师具备了传统农业教师所不具备的新技能，促进了现代信息技术在农学中的应用。他们能帮助提升自主开发虚拟仿真实验项目的能力，不断拓展和丰富虚拟仿真实验内容，提升整体实验教学效果。

三、发展与思考

虚拟仿真技术是提升地方高校实验教学信息化水平的重要举措，将虚拟仿真技术引入实验教学成为地方高校实验教学改革的一个新方向。开展虚拟仿真实验教学中心建设是新时期高校人才培养中的一个重要任务。植物生长与病虫害防治虚拟仿真实验教学中心的建立，是地方院校农科类实验教学改革的一次尝试。在未来的发展中，应加强以下几方面的工作：

1.改变观念，积极引导。要实现教育信息化，就要使信息技术贯穿于整个教学过程，依托信息技术开展新的教学。目前仍有部分教师认为只有传统的实验教学才能培养学生的实践能力，未能充分发挥虚拟仿真实验教学的优势[5]。高校管理者要适时出台符合自身发展的政策措施，保障运行经费，引导教师进行教育观念的变革，加强对教师虚拟现实、仿真技术、互联网络等相关信息技术技能的培训，激励教师积极进行虚拟仿真实验课程建设、实验教学改革和新技术的应用研究。

2.校企合作，互惠双赢。在植物生长与病虫害防治虚拟仿真实验教学中心建设过程中，分别与北京农业信息技术研究中心和北京润尼尔网络科技有限公司展开合作，建立协同实践育人模式。前者发挥其在植物虚拟仿真领域雄厚的技术优势[6]，在实验课程建设方面与河北农业大学各专业教师反复对接，内容得以不断完善。后者与中心联合研发具有扩展性、兼容性、前瞻性的管理平台，实现校内外实验教学资源的共享，满足计算机虚拟仿真实验教学的需求。今后有望在棉花虚拟仿真、现有课程和平台完善方面继续合作。同时学校也为企业输送了专业扎实、技术过硬、勇于创新的优秀毕业生。通过人才培养这个纽带，继续发挥学校和企业各自优势，结成战略合作伙伴关系，为中心的可持续发展提供了强大的技术支撑。

3.突出特色，服务地方。目前，围绕大田作物开展生长、管理的虚拟仿真教学实验还不多见，这主要缘于农科类实验模拟的复杂性。作为地方农业院校，河北农业大学虽然在国内较早地开展了这方面工作，但是教学体系、实验内容仍有待优化。应进一步整合优质科研成果和教学资源，突出办学特色，把实践和创新能力培养放在首要位置，开发与生产紧密结合的实验内容，如轻简化栽培、水肥高效利用、机械化栽培、高效低残留植保等，提高人才培养质量，更好地为区域农业和地方经济服务。植物生长与病虫害防治虚拟仿真实验中心的建设，对于提升农科类专业的整体实践教学水平、培养创新型人才起到了良好的促进作用，同时对于其它院校相似专业也有借鉴意义。

[1] 鹿晓阳，李明弟，李轶．创新实验教学体系的研究与实践——国家虚拟仿真实验教学中心和国家实验教学示范中心建设[J]．山东高等教育，2015,16(3)：42-46．

[2] 李平，毛昌杰，徐进．开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J]．实验室研究与探索，2013，32(11)：5-8．

[3] 张青蓉，王文永，付宏杰，等．虚拟植物的构建及在生物学科教学中的应用[J]．系统仿真学报，2006,18(增2)：964-967．

[4] 李炎锋，杜修力，纪金豹，等．摘土木类专业建设虚拟仿真实验教学中心的探索与实践[J]．中国大学教学，2014(9)：82-85．

[5] 鞠宏伟．基于虚拟仿真技术的地方高校实验教学探讨[J]．电脑知识与技术，2016，12(25)：113-114，117．

[6] 赵春江，郭新宇，陆声链，等．农林植物生长系统虚拟设计与仿真[M]．北京：科学出版社，2010．

(编辑：王 佳)

2016-12-05

中西部高校基础能力建设工程和中央财政支持地方高校发展专项资金。

张永江(1977-)，男，河北抚宁人，博士，副教授，研究方向：作物信息技术和作物生理。

李存东(1964-)，男，河北清河人，博士，教授，研究方向：教学改革和作物栽培。

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1008-6927(2017)02-0085-04