新农科背景下虚拟现实技术在《花卉栽培管理》实践教学中的应用

张 蔚，周继荣，王媛媛，张俊卫，胡惠蓉

（华中农业大学园艺林学学院，湖北 武汉 430070）

0 引言

《花卉栽培管理》是园艺、园林等相关专业的专业必修课。该课程要求学习者掌握或了解各类常见花卉的形态特征、栽培技术、繁殖方法与园林应用等实践知识，能根据不同地区、条件、用途安排指导花卉生产，并能根据所学知识推论并自学教材未涉及的一些花卉大致的栽培方法，是一门实践属性极强的课程。以华中农业大学园艺林学学院为例，花卉栽培管理是园艺专业（花卉方向）和园林专业的核心实验内容，其课堂教学和实践环节在园艺专业的《花卉学方向教学实习》课程以及园林专业的《花卉学实验实习》课程中占有相当大的比重。

由于课程的强实践属性，以及花卉行业人才，尤其是专业技术型人才缺乏，培养既懂理论又有技能的专门型人才已成为实践教学与花卉行业的迫切需求[1]。课程要求教师和学生在教学与学习过程中，必须重视对学生动手能力与创新能力的培养[2]。为此，本课题通过立项研究，运用虚拟现实技术开发出花卉容器苗标准化生产虚拟仿真实验软件。本项目引入了问题式教学（Problem Based Learning, PBL）模式和情景式项目设计，深入开展了“花卉学”实践教学模式的探索。

本文分析了《花卉栽培管理》课程实践教学中凸显的问题，提出了实践教学改革的新内涵，力求理论与实践相融合，教学与科研、生产相融合，并结合已建成的虚拟仿真实验软件，分析了其实际的应用效果。

1 《花卉栽培管理》实践教学存在的痛点

目前，华中农业大学及大部分农林类高校花卉栽培管理的生产实践教学存在以下痛点：

（1）周期长且花费高。花卉标准化生产多从幼苗开始培养，直至获得符合出圃质量标准的成品花，整个过程涉及的环节多达15 个模块实验，历时长达6 个月，实验时间跨度较长[3]。但实际情况常常是课时缩减，整个实践教学周期被压缩至6 周以内。并且，如果完全按照预想中的人才培养需求，预计基础建设投入至少需要200 万元；如果完全按照目前花卉行业实际生产条件进行模拟，则所需费用更多。

（2）占地受限而学生参与少。受到用地和用材等因素的限制，很难保证每个学生都能全程参与。此外，实际投入生产的苗圃地建设与完善的速度一般较快，而学校的教学实习基地由于经费不足或审批手续较多等原因，很难达到与真正的苗圃地相同的生产条件，导致学生们进行的实践操作与实际生产有较大差距，学生很难对花卉的标准化生产有直观、深入且全面的认识与理解。

（3）社会对人才的需求与人才培养方案脱节。2019 年我国启动了“智慧农业发展战略研究”重大咨询项目，其中“园艺作物智慧生产发展战略研究”是重要的组成部分，华中农业大学邓秀新院士强调智慧农业首先应该在园艺作物上使用。同年，中国高等农林教育改革唱响三部曲，推动“新农科”建设，变革和发展传统农科专业结构，搭建人才培养体系和科技创新体系，创建可以支撑农业农村现代化的高等农业教育新体系。在这种形势下，园艺领域的高等农业教育必须进行结构性调整与升级，从而满足园艺产业发展的需要、适应国家现代化发展的战略需求。

随着国家战略与行业发展，智慧园艺逐渐成为行业主流。目前，就我院花卉学实验而言，实践课程的内容和体系与最先进的生产技术存在一定程度的脱节，学生在校学习的部分知识在实习和工作中已经落伍。为此，我们引入虚拟现实技术，通过建设智慧园艺花卉标准化生产实践项目来辅助提升我院花卉学乃至园艺学的实验教学水平。

2 虚拟仿真技术在该课程中的应用

花卉学实验课程目前多采用传统教学与网络教学相结合的普通混合教学模式。基础性实验课都是沿用多年的传统实验，所学内容较单一，且与产业实际结合不够紧密、关联度不够高，因而影响了学生的学习兴趣，致使学生学习缺乏主动性、积极性和创新意识。因此，要实现学生全面自由发展的目标，最行之有效的切入点应是从思想和实践着手，尝试改变当今的教学模式，努力探索符合新农科背景下培养全面发展人才要求的实验教学模式。为此，我们通过虚拟现实技术的引入，将容错探究式和任务驱动式教学方法综合运用于基础认知、综合分析以及探索创新3 个层面的实验环节，使学生在实验操练的过程中，循序渐进地完成“基本原理学习→综合能力训练→创新能力培养”的进阶任务。

2.1 先进的教学方法与课程设计

智慧园艺花卉标准化生产实践项目设计了预设问题，要求学生进入虚拟环境进行调查研究。通过包含有预设知识点的问题，启发学生在接近真实应用的场景中进行学习。学生则通过查阅文献，搜索网络，或者咨询老师以及相互之间开展讨论等各种渠道和方式获取知识，从而对问题进行主动地分析和思考，然后设计出解决方案，最后再回到虚拟现实的情景中进行实践探索。

这种将情景式教学与PBL 教学结合到一起的教学方式有如下优势：①让学生真正接触到今后可能进入的实际工作环境，不仅能极大地提升学生的学习兴趣，有效培养学生搜集和处理知识的能力、研判和解决问题的能力，以及团队协作与沟通能力等，还能让学生提前进行思考，及时地对自身学习目标和方法进行调整，从而更加全面自由地发展；②促使教师密切跟踪本专业及相关领域的技术和发展需要，根据社会和行业需求，不断改进和完善实验的教学方法，及时更新教学内容，以满足实践教学应紧贴新农科建设与发展需要这一基本要求[4]。

2.1.1 基础认知实验教学环节（实验前准备）

本环节着眼于提升学生对《园艺植物栽培学（花卉各论）》和《花卉学》课程知识点和基本理论的掌握程度，适当覆盖《植物学》、《植物生理生化》、《植物病理学》、《设施园艺学》、《园艺植物昆虫学》等课程，以“实验环节—实验子环节—实验步骤”逐级细化的结构来组织实验教学过程。每一个实验场景都对应一个独立的知识点，以子环节为单位组织体验式实验过程，实验过程与知识点相对应，实验教学内容贯穿于步骤之中。学生通过交互式操作和多角度、全方位的深入观察，可有效建立对花卉的水肥管理、花期调控、病虫害防治等知识的全面认知和理解。

2.1.2 交互体验教学环节（智慧园艺系统硬件设备及软件操作、生产栽培技术）

本环节包括智慧园艺系统硬件设备、园艺设备操作和花卉生产栽培技术3 个实验子环节。通过让学生亲身参与规划设计花卉生产基地、建设生产基地、配置软硬件设备，栽培管理花卉的实验过程，培养学生综合运用专业知识，分析、处理问题的能力。同一种花卉在不同的温度、湿度、光照等环境条件下，使用不同的基质配比，其在整个发育过程中会呈现出不同的状态，最终的成品质量会有很大差别，而学生可以对此展开动态的观察分析工作。本环节有效解决了实物教学实验成本高、学生受众面小、实验操作难度大、重复性差、极端实验情况危险性大、操作失误不可逆以及某些实验环境不可达等难题，达成了虚拟仿真实验的基本目标。

2.1.3 容错探究教学环节（生产栽培技术）

本环节要求学生掌握花卉标准化栽培技术的基本方法。学生可以根据实际情况反复调整实验方案，优化温度、湿度、培养时间等关键实验参数，观察不同参数对实验结果的影响，获得自主的实验结果。学生对问题的描述，结果的形成原因，改进措施等方面进行深入分析，撰写实验报告。本环节中，设置了容错探索型实验过程设计，不再强调唯一正确的参数和结果，而是促进学生应用所学知识，设计不同参数，从而得出不同的结果。该设计赋予了每位同学不同的实验体验，最后生产出多种颜色、多种品级的花卉，充分体现了“以学生为中心”的教学理念，见图1。

图1 花卉容器苗标准化栽培实践教学流程

2.2 大品种、小模块的模块化内容设计

本项目采用的虚拟仿真实践平台基于荷兰福纳瑞和全国多家花卉生产企业多年生产的数据。学生可以自由设置温度、湿度以及栽培基质等控制参数，100 名学生可以得到多种结果。让学生在项目中进行反复试错，从而培养学生的创造性思维和能力。将网络信息技术与实验教学加以深度融合，利用仿真建模、人机交互、多媒体以及内嵌算法等技术，使学生身临其境。在虚拟实验场景中，我们还构建了智慧园艺花卉标准化生产系统，包括气象监测系统、室内环境监测系统、土壤墒情系统、虫情测报系统、喷淋灌溉系统、苗情监测系统、视频监控系统、水监测系统等。利用物联网的科技手段，结合大数据和人工智能等技术手段，解决传统农场中的痛点，实现花卉标准化生产的智能化，生长过程要素数据化测量。

本项目设计有两种常见花卉，分别是蝴蝶兰与绣球花，总共包含8 个知识点，18 个操作步骤。在教学中，教师可以在课堂上集中讲解，学生也可以利用课后碎片化的时间，独立学习和演练。特别值得一提的是，学生还可以针对自己的薄弱环节，在项目中对不同的知识点进行单独地练习和巩固，见表1。

表1 花卉容器苗标准化栽培项目知识点

2.3 课程的思政教育内涵

园艺属于涉农专业，受学科专业认知度和社会认可度的影响，常被误认为是科学技术含量少、就业层次低、没有前途的专业，这导致园艺专业的学生对所学专业缺乏自信；同时部分学生对专业特点、优势、发展前景等缺乏深层次的认识，甚至嫌弃园艺专业[5]。这种专业不自信与嫌弃专业的态度不仅使学生失去专业学习兴趣、缺乏专业学习动力，而且导致对口行业就业率低，造成教育资源的巨大浪费。

本项目让学生了解现代园艺从业者不再是“面朝黄土背朝天，风吹日晒满身土”的经验式、高劳作的园艺生产和经营模式，而是可以插上智慧生产的翅膀，实现园艺生产的高度规模化、集约化、工厂化。帮助学生认识到现代科技在本专业中的强大作用，培养学生的科学精神与爱国情怀，切实提高专业自信。

3 虚拟现实技术在教学中的应用

3.1 目前使用情况

本平台于2019 年3 月正式投入使用，截至2022年3 月，2 年时间内共有4300 多人次的使用记录。该平台同时还向兄弟院校进行共享开放，外校的使用也达到一定人次，充分切合了教育部对虚拟现实平台开放共享的要求。

3.2 不足与展望

现阶段，由华中农业大学建设并运行的智慧园艺花卉标准化生产实践项目的教学重点是花卉容器苗的栽培技术。通过该项目的引入，有效提升了《花卉栽培管理》课程的教学质量，激发了学生的学习兴趣。但是，《花卉栽培管理》实践教学不仅只有容器苗的花卉栽培，还涉及组培苗生产技术等重要内容。这些内容在现有的实践教学体系内很难有效实现，但同样可以通过虚拟仿真技术予以解决。因此，未来在教学内容上还可进一步延伸与拓展。此外，目前运行的网页版虚拟教学软件是利用unity3D 技术开发而成的。随着增强现实、混合现实以及扩展现实技术的成熟与元宇宙概念的提出，未来可运用更先进的开发引擎，升级现有技术，进一步优化项目，提升用户体验，增强项目的沉浸感。