农药学虚拟仿真实验教学体系的构建

刘祥英 刘开林 胡利锋 罗坤 刘敏

摘 要：从农药学实验课程的特点和目前存在的问题出发，构建农药学虚拟仿真实验教学的新模式，以期通过虚拟仿真技术构建农药学网络教学课堂，提高教学效果。

关键词：农药学；虚拟仿真；实验教学体系

农药学实验是植物保护专业的一门主干技术基础课程，在培养学生创造性思维、巩固农药学理论知识、提高学生实践能力方面占有重要的地位。然而，该门课程知识体系庞杂、内容多样，教学活动受到时空、成本、仪器设备、环境污染等因素的影响，一些实验在传统真实的实验条件下难以实现，这无疑大大降低了学生的培养效果。因此，构建虚拟仿真教学体系，开展虚拟仿真实验教学，打破农药学实践教学中受到场地、季节、实验成本、危险性以及不可再重现等方面的限制，进而达到预期的教学效果，对培养现代植保创新人才及农药学学科的发展具有重要的实际意义。

一、 农药学实验课程的特点和存在的问题

在植物保护一级学科下，农药学是继植物病理学和农业昆虫学后的第三大二级学科。中国几乎所有农业院校都开设了农药学及农药学实验的相关课程，且大多为必修课，课程名称常见的有“农药残留检测”“农药学概论”“农药生物测定”等，用来培养具有现代思想的应用研究型植保科技人才。该门课程内容多样，涉及生物学、化学、物理学、植物病理学、昆虫学、杂草学、遗传学、气象学、分子生物学及其他许多分支学科，部分实验教学内容受到季节性、供试生物、实验成本、实验仪器设备和环境污染等方面的限制，在真实的教学模式下难以实现。如农药合成、农药加工等实验教学受经费和实验仪器的限制，难以开设。再如部分实验会涉及剧毒农药，操作不当会危害学生身体，引起环境污染，不宜开设。这些不足给学生的学习带来较大的障碍，难以满足对知识、能力、素质并重的人才培养要求。

二、 开展虚拟仿真实验教学的必要性

近年来，国家对教育信息化十分重视。2010年《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010～2020年）》被审核通过，其中明确指出：“信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视”。随后，教育部又出台了《教育信息化十年发展规划（2011～2020年）》，从宏观战略的高度提出了建立具有中国特色的教育信息化体系。2013年高等教育司正式发布“关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知（教高司函〔2013〕94号）”，正式决定开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，要求在涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时，根据虚实结合、相互补充、能实不虚的原则，开展虚拟仿真实验教学。大量研究表明，虚拟实验教学在医学、计算机、农学等诸多领域进行了实践，的确能达到真实实验条件下难以实现的教学效果。基于农药学实验教学的特点和存在的问题，一些实验受到场地、大型实验仪器、时间季节、危险性以及实验成本等方面的限制，难以在真实实验教学中实施。因此，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，临摹实物，拓展实践领域，降低成本和风险，达到教学大纲所要求的教学目标，提高教学效果，是十分必要的。

三、 虚拟仿真实验教学体系的构建

（一） 虚拟仿真实验的模块

根据虚实结合、相互补充、能实不虚的原则，构建农业昆虫、植物病理、农田杂草3个模块，每个模块包含基础实验、专业技能实驗和综合创新实验3个层次。在此基础上，以农药合成、农药剂型加工、有害生物防控为仿真内容，形成了虚实融合，多层次、多模块、衔接紧密的农药学虚拟仿真实验教学体系（如图1）。

（二） 虚拟实验教学模式应用

为了检验虚拟仿真实验教学模式在实际教学中的应用效果，拟以植物保护（卓越）班为检验班，采取虚拟仿真实验与真实实验教学相结合的模式；拟选取一个与卓越班人数相当的植物保护普通班为对照班，仅采取真实实验教学的模式。在授课前一天布置检测班学生完成了预习任务，包括观看虚拟实验演示并思考实验改进方案，复习教学目标、实验原理及侧重点，以上任务都在虚拟实验平台完成，对照班则由学生自主进行常规预习。课堂上，检测班先按照教材方案真实实验，再播放其微观实验原理虚拟视频，并要求学生在虚拟实验平台上进行创新优化实验设计，并完成优化实验。课后根据需要无限制地重播实验，直到彻底掌握实验原理，随时在线问答，教师掌握学生学习动态。对照班的学生只通过课件观看优化实验，在课堂进行真实实验教学，允许后面的学生上台观察现象。

（三） 教学效果评价体系

根据检测班和对照班学生的课堂表现、实验操作技能的掌握、分析问题和解决问题的能力等评价应用效果。教学效果评价包括三个部分：第一部分是学生平时实验操作和实验报告的成绩，主要考查学生的动手能力和分析问题的能力。第二部分是期末考核，采用现场答题和操作相结合，以抽签方式随机抽取问题，主要考查分析问题和解决问题的能力。第一部分和第二部分的成绩比重分别为70%和30%。第三部分是问卷调查，此部分不记入考核成绩，仅供实验教师了解学生对虚拟仿真实验教学的看法、心得和对学生课堂专注力、学生对实验课的兴趣、学生学习自主性的影响等。

四、 结语

采用虚拟仿真技术用于实验教学，可以突破真实教学中的限制，提高教学效果，但是虚拟仿真实验只能作为真实实验的补充和拓展，并不能完全替代传统的真实实验。因此，农药学虚拟仿真实验必须与传统的真实实验相结合，使学生获得全面的实验训练，为深化教学改革和培养卓越、专业的植保人才开辟了一条新的途径。（通讯作者：胡利锋）

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作者简介：

刘祥英，刘开林，胡利锋，罗坤，刘敏，湖南省长沙市，湖南农业大学植物保护学院。