《饲料质量检测》课程中虚拟仿真实验教学内容改革初探

赵静雯，林 淼，詹 康，经语佳，吴慧光，王梦芝

（1.扬州大学动物科学与技术学院，江苏扬州 225009；2.扬州大学兽医学院，江苏扬州 225009）

虚拟仿真实验项目是教育部建设的五大类型“金课”之一，是国家积极推进现代信息技术融入实验教学项目、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措。从2013 年至今虚拟仿真教学经历了快速发展的3 个阶段，分别是虚拟仿真实验教学中心建设阶段（2013—2016 年）、虚拟仿真教学资源建设阶段（2017—2019 年）和虚拟仿真教学平台化发展阶段（2020 年至今），同时伴随着教育数字化战略不断深化，平台化建设成为实现虚拟仿真教学的关键[1]。教育部印发《关于推进教育新型基础设施建设构建高质量教育支撑体系的指导意见》，提出要完善智慧教学设施，部署学科专用教室、教学实验室，依托感知交互、仿真实验等装备，打造生动直观形象的新课堂[2]。

高校课程虚拟仿真教学环境的设计和建设还处于初步探索期，没有既定的方案，导致许多学校在设计和建设虚拟仿真教学环境时无章可循，单纯追求易见成效的硬件终端建设，而忽视了教学应用。《饲料质量检测》课程是全国涉农高校动物科学专业的核心课程，也是一门实践性和操作性非常强的课程，对保证饲料原料和各种饲料产品质量安全尤为重要，可保障养殖业的健康发展和人民群众的饮食安全。本文以扬州大学动物科学与技术学院动物科学专业《饲料质量检测》课程开设虚拟仿真实践教学内容为例，简要介绍该课程开设虚拟仿真实验内容的必要性、建设性和难点问题，以期为全国农业高校该课程的建设提供理论和实践依据。

1 虚拟仿真实验教学建设的必要性

1.1 国家乡村全面振兴战略对涉农专业人才培养的新需求

以中国现代化推进中华民族伟大复兴，重点在农业、农村，关键在科技、在人才[3]。如何培养更多知农、爱农的新型人才，确保国家饲料质量安全，促进饲料资源合理利用，推进乡村全面振兴是我们涉农专业当前面临的重要问题[4,5]。开展虚拟仿真实验教学建设有利于坚定涉农专业大学生爱农、学农，投身“三农”的信心和决心，有助于传承先辈“坚苦自立”的奋斗精神和科学精神，有益于提升大学生综合运用涉农知识和专业技能解决实际问题的能力，为涉农专业大学生投身到脱贫攻坚和乡村振兴的伟大事业中从事农业生产的劳动者提供有力的科技支撑。

1.2 搭建科普教育平台，扩展高校职能的需要

科普教育是高等学校的三大职能（教书育人、科学研究和社会服务）的延伸和内涵扩展。基于互联网和虚拟仿真技术开发的开放式实验教学项目，不仅可为科普教育提供充足、优质的教育资源，还可以不受时空限制的提供科普教育场所[6]。虚拟现实技术呈现一种动态、开放环境，学生可以从任意有价值的角度观察虚拟世界的元素，进行交互性操作，从而获得虚实结合的体验[7]。同时，借助虚拟现实技术带领学生进入饲料质量检测，满足高校动物科学本科生开展相关实验的需求，对培养新农科一流畜牧人才具有推动作用。

1.3 体现“两性一度”标准需求

虚拟仿真实验课程拓展实验教学内容，创新实验教学呈现方式，延伸实验教学时空，激发学生探索新知识的兴趣，全面提高人才培养质量，助力一流本科专业建设[8]。虚拟仿真实验课程应注重培养学生解决复杂实际问题的综合能力和高阶思维，即体现“高阶性”。利用虚拟仿真实验，易于实现课程内容与学科理论发展前沿以及产业科技发展前沿保持一致，即体现“创新性”。虚拟仿真实验课程应具有综合性、灵活性等特点，能建设综合学科的设计性或创新性的课程内容，实现“挑战度”的标准。采用线上虚拟仿真和线下实验教学相结合、基础实验和创新实验相结合、单一学科实验和交叉学科实验相结合等形式，教学内容反映前沿性和时代性，教学形式体现先进性和互动性，使学习结果具有探究性和个性化，以期培养学生解决复杂问题的综合能力，训练学生的创造、评价和分析的高级思维[9-11]。

2 《饲料质量检测》课程实验教学的难点

饲料营养成分测定是扬州大学动物科学、水产养殖和草业科学专业本科生课程《饲料质量检测》的重点内容，虽有对应的本科实验教学课程，但往往只检测一种或几种饲料资源且不能评价该饲料资源在动物体内营养物质的吸收利用，使得饲料营养系统评定效果无法进行整体体现。为更好的贯彻国务院国发 〔2020〕 31 号文关于“促进畜牧业高质量发展的意见”的精神，以培养高素质农业人才为目的，通过牛饲料营养配比及其生产性能测定虚拟仿真试验，可以克服实物试验难开展的3 个难点：①大型综合训练难度大。肉牛或奶牛饲养过程复杂，受饲养阶段、牛头数和各营养指标含量限制，且饲养过程中涉及牛只价格高，装备较多，同时实物实验也具有一定危险性。②试验操作不可逆。营养成分含量、饲喂阶段、牛管理方式等类型复杂，实验难度大；操作或管理不当引起肉牛肉质和奶牛产奶量变化大，实验操作不可逆。③实物试验成本高昂。泌乳奶牛价格高，场地需求大且用时长（历时10 个月左右），操作成本高，运行困难，饲料搅拌机械种类多，人工费用高，场地建设费用高等。

3 《饲料质量检测》课程虚拟仿真教学内容建设的必要性

根据教育部《教育信息化十年发展规划（2011—2020 年）》的总体部署，以及《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》的精神，通过虚拟仿真、融媒体、大数据等方式，可以使学生体验科学研究的过程，激发学习兴趣，强化科学探究意识，促进学习方式转变，培养学生创新精神和实践能力[12]，有利于学生适应现代农业和前沿发展的需要，着眼于提高新农科学子的科学素养[13]，构建“知识与技能”、“过程与方法”、“情感、态度、价值观”相融合的课程目标体系。主要体现在：

（1）项目与理论课程的结合度高，紧贴农业生产前沿

牛饲料营养配比及其生产性能测定是《动物营养学》和《饲料学》的重要教学内容，项目实施将解决传统实验手段无法开展和有机衔接的教学问题。牛饲料营养配比及其生产性能测定虚拟仿真实验有利于更深层次挖掘饲料资源，为畜禽日粮科学搭配提供可靠的依据，对提高畜牧养殖效率，实现养殖生产现代化、科学化具有举足轻重的作用。

（2）在有限的资源与时间内，实现学生在虚拟环境下直面农业一线的实践+实战训练，提高学生的实践能力

通过虚拟仿真实训方式，学生不必离开学校，无需额外的空间场地即能实现实训教学。课程建设可以有效减少教学成本，提高学生学习效率，开拓学生视野，增强学生对现代农业畜牧业生产前沿认知。在理论教学中虚拟仿真实验利用教学设计合理性通过仿真可全方位立体的角度向学生展示日常生活中难以接触，无法还原和实现的内容。随着现代信息技术的飞速发展，“互联网+”和5G 时代的来临，慕课、实景教学、3D虚拟仿真等教学方法应运而生[14-16]。

（3）教学与产业深度融合，项目基于科研教学模型，可用于产业指导

本项目的建设与应用可以让更多含有动物科学专业的学校学生和从事农业生产的劳动者了解饲料营养配比等方面的基础知识和实验技能，普及畜牧知识，提高生产效率，推进精准扶贫工作的全方位落实。采用实景教学和虚拟仿真教学结合的方法，充分发挥学生的主观能动性，提高学生的实践动手能力和创新创业能力，使人才培养模式更利于满足社会的现实需求，大学生毕业就业后能迅速融入和适应养殖业的实际生产，迅速成长为行业的中坚力量[17]。

4 《饲料质量检测》课程虚拟仿真教学内容建设的目的性

牛饲料营养配比及其生产性能测定虚拟仿真实验教学项目依托《饲料质量检测》课程，利用已掌握《动物营养学》《饲料学》等知识，为学生专业必修课《饲料配方设计》提供实践支撑。动物养分与饲料科学应用适应畜牧业和饲料工业发展的需要，重点是要加强饲料化学成分的分析，研究如何系统提高饲料养分和饲料资源（特别是能量和蛋白饲料）的利用率以及各成分间相互作用。本虚拟仿真实验项目拟通过牛饲养流程中的关键营养指相关知识点、操作步骤及其相互作用等，使学生能够系统了解牛饲养全过程饲料营养成分的变化，熟悉规模化牛饲养中营养指标的概念和操作流程，掌握关键营养指标的原理、检测方法及其应用效果。使人才培养模式更利于满足社会的现实需求，大学生毕业就业后能迅速融入和适应养殖业的实际生产，迅速成长为行业的中坚力量。实验目的如下：①理解牛饲料各营养指标的检测技术及其对生产性能变化影响，学生学习其基本概念、工作原理和工作流程。②掌握应用牛饲养过程中蛋白质指标、能量指标和纤维指标，学生学习牛饲养过程涉及饲料工作原理和操作方法。③促进学生对牛饲料营养需求的全过程理解，以及各个环节的作业目的和实施方法，提升岗位任职能力。

5 《饲料质量检测》课程虚拟仿真教学内容建设的基本原理

在满足虚拟仿真实训系统使用要求的情况下，充分考虑系统的可用性、稳定性、可靠性，同时兼顾系统的先进性、兼容性、可扩展性。实验的总体设计围绕着3 个阶段，分别是课程思政、奶牛饲料营养配比及测定和实验报告及讨论，其中主要部分是“认知、操作、探索”三个模块。采用“通关式”的方法进行构建，即每一个模块均需达到合格后方可进入下一个环节（图1）。认知模块是试验前期所需要建设的重要环节，学生在认知模块可以提前了解牛饲料重要营养指标的理论知识和操作规范。认知模块通过视频和图文的形式演示牛饲料重要营养指标所涉及的实验仪器和实验操作，为后续的实验打下理论基础。操作模块是牛饲料重要营养指标虚拟仿真的主体环节，也是项目交互体验的主要环节。通过unity3D 软件开发，将模型资源和动画资源整合，学生按要求操作牛饲料重要营养指标作业流程，包括原料选择、添加量、营养物质含量、生产性能测定、质量检查与调节等，在试验过程中软件会给出提示引导学生正确操作，帮助学生顺利完成试验。探索模块是试验最终的考核环节，学生需要在牛场中选择不同营养指标含量作业要求及相关性能参数，软件根据数据推导，得出牛产奶量、乳蛋白、乳脂肪、净能等实验模拟数据，从而判断学生对牛饲料营养作业的熟练度是否达标，以此作为实验的考核与评价标准。

图1 技术路线

6 《饲料质量检测》课程虚拟仿真教学内容建设的创新性

6.1 先进性

饲料营养含量多样、形态复杂，采用虚拟仿真技术能够实现饲料样品立体展示、动态展现，有助于学生的直观、高效、全面的观察，大幅提升教学效果，大量节约教学时间和成本。通过三维仿真技术，系统化的饲料营养评定虚拟仿真项目的建设，引领学生系统分析饲料原料各因素之间的区别与联系，领悟真实背景下牛营养与饲养的关系，再现多种饲料原料配比营养成分不同对动物饲养影响的真实场景，弥补《饲料质量检测》课程实践教学各营养指标之间独立分析的不足，具有开创动物饲料营养与规模化工厂饲养水平之间虚拟仿真实践的先进意义。

6.2 示范性

牛饲料营养配比及其生产性能测定是动物成产中最为复杂、最难观测的部分。通过本项目的成功实施，能够为其他畜种的虚拟仿真实验提供思路和技术借鉴。对参加实验的学生全过程进行记录，并随时进行实验指导，对于学生预习效果、实验步骤以及实验成绩评价都具备完善的评价标准，提高评价的公正性。本平台建立完善的反馈机制，对参加实验学生各方面的建议、评价与反馈信息，进行全面系统的统计分析，为指导教师改进和完善实验提供参考，提高教学效果。传统教学模式只能面向在校的学生，社会上有需求的人士几乎不可能接受到相关知识教育，因此采用虚拟仿真实验教学方式，可全面向社会推广示范，使企业受益。以前企业需要派送人员到学校里来学习，给企业和学校带来诸多不便。该虚拟仿真实验项目建设好后，可向社会相关企业进行推广，企业可通过网络在家或在企业就可以开展牛饲料营养配比及其生产性能测定检测虚拟仿真实验，为后期真实的养殖过程打下坚实的基础[18]。

6.3 创新性

牛饲料营养配比及其生产性能测定虚拟仿真实验实现了学生在操作过程中详细学习饲料营养特点和形态特征、营养成分含量、动物饲养标准与动物饲养的同伸关系，能够巩固理论知识点甚至部分代替理论教学；学习评价单元实现了学生通过观察饲料原料形态和单一饲料测定动物生产性能的能力，并对不同形态特征饲料营养配比进行诊断以判断其影响动物发育的因素，并提出调控方法，能够理论联系实际，提升了发现问题、解决问题的实践能力，培养学生的创新精神。

7 《饲料质量检测》课程虚拟仿真教学内容建设的平台化

扬州大学虚拟仿真教学管理平台已具备管理与服务门户、公共基础数据管理、虚拟仿真教学资源管理、虚拟仿真教学装备管理、虚拟仿真教学基础条件管理、教学与教务管理、数据统计与可视化等功能模块。通过该虚拟仿真教学管理平台，教师能够进行虚拟仿真教学过程的设计和实施；管理人员可对虚拟仿真教学资源的建设情况、学生在线学习情况进行监管、查询和统计；学习者可完成虚拟仿真课程的学习过程，实现“教、管、学、考、评”一体化，为开展虚拟仿真教学提供保障[19]。借助人工智能、大数据技术、学习分析技术等，虚拟仿真教学管理平台还可以提供实时智能答疑和互动，对学习数据进行分析，评定学习者的学习情况和学习难点，帮助教师提供更加精准的教学指导[20]，为培养复合型“新农科”人才提供有效途径。

8 小结

《饲料质量检测》课程增加虚拟仿真实验教学内容，将弥补现有课程体系的不足，通过融合现代信息技术与教育技术，开展多学科知识体系交叉，优化教学内容和课程体系，创新现代教学模式，实现现阶段高校专业人才培养的特点和能力素质要求。