农业高校植物病理虚拟仿真实践教学改革探究

摘 "要：文献数据库检索结果表明，农业高校植物病理学科虚拟仿真技术的发展应用相对落后，至今未检索到相关报道。植物病理学科是培养未来植物医生的摇篮，具有很强的实践性和应用性。然而，该学科的实践教学却因占地多、成本高、具有偶然性、危险，以及受植物生长周期和季节限制而难以开展。导致培养的学生难以解决生产实践中的问题。鉴于此，该文探讨利用虚拟仿真技术进行实践教学改革，以此突破传统实验教学的限制，构建虚实结合的实验教学体系，为卓越农业人才培养提供新的途径。

关键词：农业高校；植物病理；虚拟仿真；实践教学改革；卓越农业人才培养

中图分类号：G642 " " "文献标志码：A " " " " "文章编号：2096-9902（2024）09-0151-04

Abstract： The retrieval results of literature database show that the development and application of virtual simulation technology of plant pathology in agricultural universities is relatively backward， and there are no relevant reports so far. The plant pathology is the cradle of training future plant doctors， which has strong practicality and application. However， the practical teaching is difficult to carry out because of its large occupation， high cost， contingency， danger， and limited by plant growth cycle and season， resulting in that students have difficulty to solve practical problems. Thus， this paper discusses the use of virtual simulation technology to carry out practical teaching reform， so as to break through the limitations of traditional experimental teaching， construct an experimental teaching system with the combination of virtual and real， and provide a new way for the training of excellent agricultural talents.

Keywords： agricultural universities; plant pathology; virtual simulation; practical teaching reform; cultivation of outstanding agricultural talents

农业高校植物保护专业是培养未来植物医生的摇篮，包括植物病理、昆虫及化学保护3个学科方向。植物病理学是研究植物病害发生、发展及防治的一门应用学科。其人才培养目标是“培养高级应用型、能解决生产实际问题、保护农作物免遭病原菌危害、为粮食稳产增收服务的专业人才”。该学科实践性和应用性较强，实验教学过程中需要开设大量实践操作课程，以增强学生的动手能力及解决生产实际问题的能力。

随着国家信息化教育战略的不断推进，虚拟仿真技术在以学生为中心的实践教学改革中发挥了重要作用[1]。虚拟仿真实验教学作为现代“体验式”教学的一种新技术，已经在200多个学科和课程中得以应用，几乎涵盖了高等教育的所有学科和课程领域。但是，农学及人文社科的应用相对落后[2]。文献数据库检索发现，涉农类虚拟仿真实验建设相对较少，目前仅在果树栽培学[3]、微生物学[4]、森林病理学[5]、森林保护学[6]、植物化学保护[7]、病虫害[8]、农林院校工科[9]、水产[10]、土壤-生态综合[11]及气象学[12]等少数学科及课程进行了应用。但到目前为止以植物病理作为关键词尚未检索到相关文章。

1 "虚拟仿真实验教学改革的必要性

农业高校植物病理学科开设的课程有普通植物病理学、农业植物病理学、园艺植物病理学、园林植物病理学、森林植物病理学、茶树病虫害、种子病理学、植物检疫学和微生物学等。这些课程的实体实验都存在如下问题。

受植物生长周期及季节限制：实体实验的操作对象为植物跟病原物，两者都属于鲜活生物体，生长周期长，而且受季节限制，不在植物发病期或者错过植物生长季节则无法开展实验。

具有偶然性：植物病害的发生具有偶然性，并非随时都能发生，而是需要在特定植物生长期、有大量病原菌存在、温湿度光照等环境条件适宜，没有人工施用农药等条件都满足时才发生。而且经常会遇到植物病害发生时不在教学期，而教学需要时植物病害却不发生的情况，无法跟教学日历相匹配。

具有危险性：植物病害防治过程中需要使用杀菌剂，化学农药使用不慎会危害学生及教师身体健康，具有危险性。

污染环境：实体实验涉及病原微生物操作及繁殖，处理不慎会造成生物污染；病害防治过程中杀菌剂施用不当会导致化学污染，都会造成环境污染，危害生态安全。

实验周期长：实体实验操作复杂，耗时长，尤其多年生植物根部或枝干部病害鉴定需要持续1～2年的时间，会出现实验结果未出而学生已经毕业的情况，因而难以开展。

占地多，成本高：植物种植需要大量土地，很多位于城市中心地带的农业高校很难实现；而且植物种植需要各种机械及技术工人，实验过程还需要近百种仪器设备及放置这些仪器设备的大量空间，成本较高。

这些因素限制了实体实验的开展。因此，有必要利用虚拟仿真技术进行实践教学改革，让过去无法开展的实验教学项目成为可能。

2 "虚拟仿真实验设计

2.1 "实验目标设计

病理学科实验课程的内容大同小异，都是课堂上观察病害症状及病原切片，然后绘制病原形态图作为报告上交。这种千篇一律的实验教学模式无法吸引学生的兴趣，部分学生干脆把实验课当成了临摹课，直接从书本上照描病原形态图，草率完成任务。缺乏实践能力培养的结果是学生毕业后无法指导生产。因此，虚拟仿真实验设计的目的就是培养学生鉴定田间未知病害并制定策略进行防治的能力。

植物病害中，真菌病害约占70%～80%，细菌病害约占20%～30%，病毒病害、线虫及寄生性植物占比较低。鉴于虚拟仿真实验项目制作成本较高，无法做到面面俱到，本虚拟仿真实验主要针对真菌及细菌两大种群病害进行设计（图1）。

2.2 "实验内容设计

为了给学生提供完整的实践技能训练，让学生把病理实验过程中“碎片化”的知识点串联成一个整体，2种病害虚拟仿真实验都设计成了综合训练实验，包括了从田间病害症状识别到实验室病原鉴定，以及防控策略制定的全过程。囊括了病理学实验过程中基本的知识点及实验技术方法，以此来培养学生整合知识，解决生产实际问题的能力。真菌病害虚拟仿真实验内容如图2所示。

2.3 "实验形式设计

真菌、细菌2个项目都属于综合设计实验，信息量庞大，操作步骤繁多，如果设计成一个实验的话耗时较长，因而实验采取模块化形式进行设计：按照实验发生发展过程及学生认知规律把实验内容分成几个模块进行制作。模块之间相互独立，又互相联系，依次递进构成一个整体。

如细菌病害鉴定实验分为5个模块，分别为病原菌分离纯化、形态学鉴定（革兰氏染色实验）、DNA提取、16S rDNA序列鉴定、柯赫氏法则验证等（图3）。

而真菌项目则比较复杂：先总分3个大模块，模块一为什么要鉴定疑难病害，主要是田间场景及背景知识介绍，说明病害鉴定的必要性并对学生进行思政教育；模块二为操作模块，又细分5个子模块，分别为病原菌分离、病原菌纯化、形态学鉴定、分子生物学鉴定以及致病性回接，介绍如何鉴定病害；模块三介绍如何制定策略防治病害，并用世界名著《寂静的春天》对学生进行思政教育，说明化学农药大量施用的危害以及植物病害绿色防控的重要性（图4）。

操作部分的5个子模块下面又细分成几个分模块，比如分子生物学鉴定模块又细分为DNA提取、ITS序列扩增、电泳以及ITS序列比对4个分模块，分模块之间相互独立，且又依次递进形成一个整体（图4）。

模块化设计不仅方便课程与学生根据需要选择相应模块开展实验，还能够让学生在遇到网络不稳定或者操作过程出现故障导致网络卡顿时，不必从头开始，避免花费大量时间重复实验。这样不仅能够节省时间，还避免从头开始实验所产生的烦躁情绪，让学生能够愉快地进行实验。

3 "虚拟仿真实验解决的教学问题

规避限制因素，让过去无法开展的实验教学项目成为可能：传统的病理学实验周期长、受植物生长及季节限制、占地多、成本高、存在危险及偶然性等因素，导致无法开展完整的实践实训内容。利用虚拟仿真技术能够让过去无法开展的实验教学项目成为可能，为学生提供实践训练机会。

改传统的“验证性”教学模式为“体验式”教学模式：传统的实验教学模式为验证性教学模式，缺乏对学生动手能力及实践能力的培养；即便开设了部分操作实验，也是数个同学一组，组内大部分同学处于观望状态而没有全程动手操作。利用虚拟仿真技术进行实践教学改革，能够把验证性教学模式改变成人人参与的体验式操作模式，培养学生的实操能力及解决实际问题的能力。

将碎片化的实验教学内容串联为一个整体：实体实验受时空及季节条件限制开展困难，或者只能开展部分实验内容，导致学生学习碎片化，无法形成完整的知识体系。虚拟仿真项目将实验内容整体化，让学生能够全面、系统地进行学习，提高他们分析及解决实际问题的能力。

延伸与拓展了实验教学内容：虚拟仿真实验在传统实验教学的基础上，增加了大量现代实验技术方法及科研成果，比如单孢分离、滤纸片低温干燥法保存真菌菌种等最新病理学专利技术，以及本校处于国际领先水平的科研成果——真菌病毒介导的“植物疫苗”防治病害等内容。在丰富实验教学内容的同时，也拓展了学生视野，培养学生解决复杂问题的创新能力及高阶思维。

解决实验教学过程中的难点问题：真菌单孢分离实验，需要在显微镜下进行连续操作，除了操作者本人外，其他人无法看到显微镜下的微观图像及操作过程，理解不了各个动作的操作要点。而虚拟仿真实验可以对显微镜下的微观图像可视化，并且将瞬间操作过程进行分解，让学生逐一掌握其中的要领。如图5所示点击左边按钮，实验就会放大显微镜下的图像以及高亮显示需要操作的地方，学生可以全方位观察了解操作过程并能够独立进行实验操作。

助力2门国家级课程进行实践教学改革：植物保护专业核心课程农业植物病理学，基础课程普通植物病理学都是国家精品资源共享课，兼国家一流本科线上课程。2门课程面向四川农业大学、甘肃农业大学等多所国内农业高校授课。遗憾的是2门课程都只有理论讲解，缺乏实验操作，无法对学生进行实践能力培训。虚拟仿真实验能够弥补这个缺憾，助力2门课程实践教学改革，达到理论与实践完整结合的目的，为培养“具有创新精神，能解决生产实际问题”的植保专业人才而努力。

实现优秀实验教学资源开放共享：本虚拟仿真实验教学项目自2020年上线以来，不仅本校，西南大学、甘肃农业大学、四川农业大学等高校也利用来开展实验教学，目前2个项目使用超过2万人次。而且不仅本科生，病理相关课程的研究生、博士生也利用来开展科研实验，实现了优秀实验教学资源的开放共享。

4 "结束语

病理学实验教学利用虚拟仿真技术进行实践教学改革，让过去因为占地多，受时空、成本、污染、偶然发生和危险等因素限制而无法开展的实验教学项目成为可能，从而突破现实教学的限制为学生提供实践技能训练机会。此外，虚拟仿真技术还能有效解决实验过程中的难点问题，融入科研成果拓展实验教学内容的广度和深度，从而开拓学生视野，培养他们的创新能力和解决实际问题的能力，为卓越农林人才培养和深化教学改革开辟一条新的途径。

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