高职院校虚拟仿真实训基地建设的探索与实践——以现代农林虚拟仿真实训基地为例

耿 飞 吴刚山 田崇峰

（江苏农林职业技术学院，江苏 镇江212400）

0 引言

随着农业产业体系的调整，我国现代农业发展必将向规模化农业、新型农业主体、“互联网+”农业、高科技农业和农产品精细化深加工的趋势和方向发展，对农业从业人员的综合素质提出了新的要求。传统涉农从业人员教育教学培养中，存在着农业季节性强、周期长、作业低频、重复操作耗时低效等难题。农林虚拟仿真资源的使用，具有不受季节、自然环境限制，且低代价、零风险和易重复等优势，必将是解决智慧农林人才培养实践难、周期长、效果差等难题的主要技术手段。我国农林仿真技术研发起步晚，缺乏技术团队和成熟技术，校企共建联合实训基地，构建“虚拟仿真+教育”的农林虚拟仿真教育教学平台和涉农虚拟仿真教育资源共建共享平台已成为高素质现代农业从业人员的必由之路。

1 现代农林虚拟仿真实训基地建设基础

江苏农林职业技术学院2019年入选中国特色高水平高职学校和专业建设计划高水平学校A档，借着国家示范性高职院校和高水平高职院建设的机遇，在涉农虚拟仿真软硬加资源建设、仿真资源突破教学实训难点以及资源共建共享等方面取得了一系列的成效和经验。

1.1 以国家级现代农林虚拟仿真中心为标志，虚拟仿真实训条件全国一流

2019年被认定为国家级现代农林虚拟仿真中心，形成了教学、实训、展示、体验、研发五大基础格局，中心硬件设施覆盖了环幕、VR、MR、AR等主流虚拟现实设备。2020年承办了首届“全国智慧农业虚拟仿真创新设计大赛”，吸引了国内34所院校，1 200余名学生参赛。

1.2 以国家级教学资源库为标志，涉农虚拟仿真资源全国领先

学院将农林虚拟仿真建设纳入全院建设统筹规划建设数字化教学资源。建成了65项涉农虚拟仿真实训项目，积累三维动画等虚拟仿真课程素材82 860件，支撑了园艺技术、园林技术等12个专业的教学资源建设。背靠4个国家级科研基地，6个省级科研基地，2个产学研基地——江苏农博园（3A）和江苏茶博园（4A），坐拥“双高”建设A档院校建设资源和中国农业职教集团资源集聚优势，为虚拟仿真的技术创新、成果转化提供了得天独厚的平台优势和充裕的多渠道建设资金。

1.3 以“互联网+”大赛金奖为标志，虚拟仿真双创教育成效全国前列

充分发挥虚实结合仿真实训优势，通过草莓智慧生产设施虚拟经营、虚拟生产等虚实结合仿真实训项目，开展双创教育，以《小莓好——开拓科技兴农新时代》为代表，获得全国互联网+创新创业大赛金奖。在国内率先组建了智慧农业虚拟仿真技术产教融合团队，建成具有自主知识产权（含源码、技术文档）的智慧农业仿真教学平台，近三年申请涉农虚拟仿真发明专利15项，其中授权2项，登记软件著作权38项，形成了国内首个智慧农业虚拟仿真方向授权发明专利群。

1.4 以国家级新型职业农民培育示范基地为标志，农业虚拟仿真社会服务能力卓越

团队以涉农仿真资源为武器，活跃在肯尼亚埃格顿大学共建中肯农业科技示范园、老挝学院、学院对口帮扶基地、挂县强农基地、全国职业农民培训基地等阵地，服务成果卓越。

2 现代农林虚拟仿真实训基地建设思路

服务“乡村振兴”和“农业现代化”战略，基于“科学规划、统建共享、能实不虚、虚实结合”等建设原则，依循主流架构，兼顾实用与前沿，瞄准现代农林技术技能型人才培养周期长、成长慢、自然时空条件制约等育训难点，建设全国农林职业教育示范性虚拟仿真实训基地。

2.1 “五力并举”，构建现代农林虚拟仿真实训教学资源生态

从产业需求与人才培养实际出发，围绕现代农林虚拟仿真实训教学资源的开发建设、应用维护、示范推广形成资源生态，构建五大资源生态能力，即资源产业与课程体系覆盖能力、高效教学能效转化能力、高并发育训承载能力、产教融合创新能力和推广应用社会服务能力。

2.2 锚定高效服务“建运维”，打造一流基地管理共享平台

以高效服务建、运、维为目标，打造基地管理共享平台，打造易管易用可靠资源运行平台，面向资源管理的科学性、有效性、安全性，提升资源使用的灵活性，提高资源的使用效率，使资源效能最大化。

2.3 铸造师魂、精炼技艺，打造一流教学和管理队伍

采用基地自培、校企互培等方式，基地开展仿真育训教学常态化培训，建立高端仿真教学和研发人才梯队，打造一支专兼结合、校企互聘、农业与信息化技术交融的产教融合优秀团队。采用选聘、竞聘、购买服务等多种方式，建立一支专兼职管理团队，保障线上线下仿真实训教学的正常运转。

2.4 权责量化、内生发展，形成可持续发展机制

建立“多元互易”机制，形成持续“造血”机制。建立基地实训中心、研发中心冠名权，虚拟仿真素材二次开发权，自有产权的虚拟仿真设备使用权与销售权，基地自主知识产权的使用权、所有权，培训市场资源、技术服务市场资源等共建共享资源的多元互易机制；围绕资源的开发建设、应用维护、示范推广等资源生态要素，进行权责平等量化，通过量化的共享权限，建立团队利益约束组织形式，形成团队成员、合作企业、用户、关联企业等建设成员间的共建共享、利益分配标准，并以“贡献分”形式表达；借鉴“独董制”，建立第三方监督团队，对团队“首席项目经理竞标”、项目非财政资金投入与分配、项目建设效能评估、多元互易项目等进行独立监督。

3 现代农林虚拟仿真实训基地建设内容

贯彻“以实带虚、以虚助实、虚实结合”的理念，以建设高水平现代农业虚拟仿真共建共享软硬件平台为核心，以打造软件资源、基础设施为重点，以创新多方协同体制机制、教学模式为突破口，以高水平结构化双师队伍和新一代信息技术为支撑，建设现代农林虚拟仿真实训基地建设。

3.1 建设虚拟仿真共建共享管理云平台

遵循“共建、共商、共享、共赢”的原则，联合涉农院校及科研院所、涉农企业和虚拟仿真行业企业，校企合作打造农林虚拟仿真资源的共建共享管理平台，用于涉农虚拟仿真教学资源的应用、管理与分发。

3.1.1 管理平台

搭建以学习者为中心的虚拟仿真教学管理平台，为仿真实训教学资源库提供普适性的接口，满足绝大多数虚拟仿真实训资源的集成管理与使用，解决虚拟仿真实训资源的散落分布以及信息孤岛的问题，实现虚拟仿真资源高效、集中化管理，满足多学科、多专业、多学校、跨地区共享实训资源的教学需求，满足学生自主个性化学习需要。强化信息技术对学校教学改革的服务与支撑，完成教师从实训准备、规则设定、实训安排、实训发布、过程监控、报告批改、成绩评定、报表统计和学生实训准备、实训操作、报告提交、报表统计等的教学全流程覆盖。

3.1.2 融合平台

融合线上仿真实训、线下实操实训为一体，解决实训教学资源部署在异地实训室，基于不同技术的虚拟仿真资源针对某个知识点、技能点，单独实训割裂课程的完整性、导致课堂教学不连续等问题。实现线上软件资源统一管理和共享，线下预约使用硬件资源，扩展实训的时间和空间，将传统教学资源（如PPT课件、视频资源等）同虚拟仿真资源在同一课堂中完美切换，与虚拟仿真教学资源在中心平台上实现无缝对接完成整堂课的理论教学和实训教学，保证课堂教学的完整性。

3.2 建设涉农虚拟仿真软件资源库

软件资源是虚拟仿真基地的核心。针对涉农专业课程体系中的教学重难点，如季节气候制约、生产难以重复、生产周期长等特点，结合实际生产场景和生产流程，融合区域特色产业与品种的开发和种养殖技能培训需要，建设应时鲜果生产等10类虚拟仿真资源，形成专业覆盖、课程体系覆盖、“长三角”特色品业覆盖、产业服务覆盖四类覆盖能力。

3.2.1 建设现代园林技术虚拟仿真资源体系

构建高度仿真、具有深浅层次互动的园林景观场景，学生在虚拟环境中开展园林规划设计相关课程实训，消除专业学习技能实训时间有限、空间生产场景的限制，解决真实环境难以完成的教学功能（如景观小品拆装、景观园林建造等）。现代园林技术类课程实训资源针对高职学生特点，对接园林养护等岗位典型工作任务需求，以园林产业职业从业成长历程为线索，能力为本位，从感性到理性，从简单到复杂，从具体到抽象，以学生职业成长可视化为主线，结合虚拟仿真技术特性改造现有的实训课程体系。围绕园林植物识别、园林设计与施工等实训项目，采用先进的VR、AR技术，自主研发园林植物园虚拟仿真系统、园林设计虚拟仿真系统、园林施工虚拟仿真系统。引进AR增强现实系统及园林全息三维展示系统。

3.2.2 建设现代农业技术虚拟仿真资源体系

围绕设施农业、智慧园艺、家庭农场等内容，开发农业设施设计与建造、植物生长营养调控、植物工厂、农业智能设备应用、植物种苗脱毒等综合性的虚拟仿真实训项目。以“数字植物工厂”模型代替实际的植物工厂场景，建设农业设施设计规划中的各种景观、设备等要素素材，如树木、大棚、水肥一体化设施等，满足蔬菜生产技术、作物生产技术、无土栽培等课程的实训所需；将虚拟仿真融入“稻麦生产技术”教产结合、“草莓抗病育种”教研结合、“新禾果园承包经营”教创结合和“蔬菜嫁接技能比赛”教赛结合等模块，推动虚拟仿真与创新型人才培养有机结合，服务学院规划的现代农业专业群“三自主四结合”人才培养模式。

3.2.3 建设畜牧兽医虚拟仿真资源体系

为了适应“互联网+职业教育”发展需求，以虚拟仿真技术为重点，充分利用传感技术、物联网技术、人工智能技术、多媒体技术、云计算技术等来进行传统实训室虚实结合改造，与新希望集团、温氏集团、新瑞鹏宠物医疗集团、NGKC等企业合作。通过各类智能装备辅助教学内容呈现、便利学习资源获取、促进课堂交互开展，为教学活动提供人性化、智能化、情景化的互动空间，有效地促进学生个性化学习、开放式学习和泛在学习。

依托《猪人工授精》等虚拟仿真实训项目，开展虚拟仿真情境式教学。通过虚拟操作实现猪人工授精等技术的情境再现，打破教学时间和空间的限制，解决当前畜牧兽医专业教学内容复杂、实训成本高、教学资源复用性差、安全卫生要求高的问题。建设梅山猪工厂化养殖虚拟仿真系统、肉鸡养殖虚拟仿真系统、现代养殖场生产设施与设备、黑鱼（鲈鱼）工厂化养殖虚拟仿真系统、南美白对虾工厂化养殖虚拟仿真系统、特产水产工厂化养殖虚拟仿真系统，以及小动物外科手术、宠物美容虚拟仿真实训系统，开展猪生产、禽生产、现代养殖场生产设施与设备、鱼类增养殖技术、虾蟹类增养殖技术等课程仿真实训教学。

3.2.4 建设智慧农林仿真资源体系

主要开发农业设备、设施类教学中智慧农业中涉及的设施、设备类建、运、维资源，对于现代农业装备与设施要进行开安装与维护，形成整体、分解相融合的效果，供学生从多角度主动去学习。

在智慧农林所涉专业教学中，现代农业装备与设施的认识涉及电工工艺、机械结构、农艺园艺等各种知识与实训内容，传统农业装备与设施认知教学采用图文等形式，深入度不够；而实景教学等形式则存在占地面积大、费用高昂、季节限制等缺点，还包括设施草莓生产、设施花卉生产、设施水产生产等现代农业设施布局比较分散等问题。虚拟仿真现代农业装备与设施资源建设不仅包括现代农业装备与设施等可见形态，还会通过深层互动，展示农产品生产特性、生长/成长过程、生产工艺、设备运维等各种相关知识。资源主要服务于无人机应用技术、农业物联网工程、农业机械使用与维护、农业物联网等课程，以及智慧园林、智慧园艺、智慧畜牧等实训教学。

3.3 校企合作，建设具备高并发育训承载能力的硬件平台

按照“科学规划、统建共享”的基本原则，依循主流架构，结合虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、混合现实（MR）、人工智能（AI）等行业尖端技术，集LED小间距显示系统、多通道投影立体显示系统、动作捕捉系统、桌面级ZSpace交互系统、沉浸式VR交互系统、MR互动教学系统、体感式互动系统、移动端交互系统等软硬件设备，建设服务于实践教学、科学研究与形象展示的“一个基地、两个中心、四个实训室”立体化虚拟仿真教学硬件支撑平台。

3.3.1 一个基地：虚实融合教育应用科创基地

统筹校内外实训基地教学资源，将信息技术和实训设施深度融合，以实带虚、以虚助实、虚实结合，将农业物联网工程、智慧园林等一批工程实践强、反复实训代价高的实训过程设计成虚实结合仿真实训系统，融合虚拟仿真实训软件和实景实训硬件，逐步消除实训设备的信息孤岛现象；在三维GIS管控、精准定位自主导航作业、总线型智慧农业终端、模块化智慧农业装备、智慧病虫害监测等方面形成完整的虚实结合仿真模块，面向大田种植、设施园艺、畜禽养殖、水产养殖、智慧绿化养护、智慧园林监测、智慧苗木繁育形成基础仿真软件体系；对溧阳市上兴镇高档蓝莓种植示范基地、沭阳市茆圩乡草莓基地及企业等5个基地量身定制智慧种植特色仿真教学资源，同时搭建虚实一体的智慧农业云平台，主要用于各个基地及“农博园、茶博园”作物生产、管理、展示流程的分析和处理以及仿真训练，平台从生产端开始接受农业原始数据，利用大数据进行处理，形成专业的图表和技术分析，为管理端提供决策信息，同时利用展示手段，将现代农业的技术进行展现，从而解决农民生产中的突出问题和技术难题，加快农业科技成果推广应用步伐。

3.3.2 两个中心：虚拟现实教育应用展示中心和虚拟仿真创新研发中心

虚拟现实教育应用展示中心。将涉农院校虚拟仿真教学资源、双高建设成果、思政党建成果用虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、混合现实（MR）、人工智能（AI）等行业尖端技术展示，在展示学校育人成果的同时综合展示当前虚拟仿真主流技术。

虚拟仿真创新研发中心。引入虚拟仿真行业企业工程师，与校内信息技术专业教师和涉农专业教师成立“大师工作室”，规划虚拟现实创新教学区、3D动漫设计与开发实训区、虚拟现实设计与开发实训区、VR全息实训区等，集虚拟仿真教学资源的设计、开发、测试、应用及培训于一体，完成涉农企业人员和学校教师仿真技术的师资培训，达到虚拟仿真教学软件校内自主化开发的目的。

3.3.3 四个实训室

立足主流虚拟仿真技术，匹配不同专业不同实训内容的实训需求，建设虚拟现实教学实训室、全息教学实训室、沉浸式洞穴教学实训室、创新课程研发实训室。

虚拟现实教学实训室。基于头戴式设备（HMD）和图形工作站组成，给学习者提供一个完全沉浸其中的世界，通过视觉、听觉、触觉等全方位环境的营造，给学习者带来一种身临其境的现场感，增强现场带入感和学习专注度，提升学习兴趣和效果。

全息教学实训室。全息教学实验室主要由桌面级交互系统组成，利用全息成像技术将抽象、晦涩难懂的知识以更生动、直观、立体的方式呈现在受众眼前。系统适合大型、贵重设备仪器的展示与微观世界原理的认知，如小动物骨骼、肌肉、内脏的认知、拆解与组合等，学习方式新颖有趣，来加深学习者的印象与学习理解。

沉浸式洞穴教学实训室。虚拟现实教学实验室为实验实践教学提供一个大视野的立体化教学环境，通过3D建模技术1∶1真实还原场景，教师采用VR交互设备进行互动教学，学生佩戴眼镜观看，师生如同置身于真实的学习环境中，具有直观、立体、生动、体验式教学的特点。该实验室可适用于大型工程施工现场的工况运作模拟，复杂设备内部立体显示，虚拟工厂实训等。

创新课程研发实训室。服务“三教”改革，同时为基地的管理建立动态化的人才梯队。面向全校师生开展挑战性学习（Challenge Based Learning，CBL）教学模式进行创业创新项目孵化，一是在基地内尝试基于“学科交叉融合”理念的技术创新创业辅修课程，要求学生组成跨专业团队，以团队合作的形式最终做出创新性产品；二是实行跨院系的联合导师制，针对某个项目，每个合作院系各出一名联合导师指导学生团队，保证学科交叉培养人才。实行动态化管理，项目申请通过则可在基地内孵化，项目成功后就解散团队，腾出资源供下一批团队研发项目使用。

4 结语

虚拟仿真实训基地的专业性较强，软件资源的开发难度较大，硬件设备的更新速度较快，建设虚拟仿真实训基地，需要结合各个学校的专业、师资特色特长进行整体规划，并给与充分的制度保障和经费保障，在实训教学软硬件资源、教学和管理队伍、管理和共享平台、管理体系四个方面构成虚拟仿真实训基地的整体，最终形成持续服务实践教学、服务“三教改革”、保证优质实践教学资源开放共享的有机整体。