基于多课程融合的虚拟仿真实验的设计与教学实现
——以玫瑰设施栽培虚拟仿真实验为例

吴琴香 李志强 孙敏红 唐 丽

(中南林业科技大学林学院，长沙 410004)

随着信息技术的发展，虚拟仿真以其形象生动、效果直观、安全性高[1]等优点越来越广泛地应用于高校实验教学之中。有别于传统实践教学，虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实践学习，借助互联网信息技术，充分满足了实践学习需求和教师的教学需求，打破了传统实践教学的局限性，最大可能地满足了教学内容的实践要求，提升了实践教学效果[2]。将虚拟仿真技术应用于实践教学，是高校实践教学改革的重点。

一、园艺专业实践教学面临的问题

(一)植物栽培周期长，实践教学学时有限

传统的实验教学方法落后，学生难以感知植物繁育栽培全过程，影响其实践认知体系的形成。以往受园艺植物生长时间长、实验场地和设施要求高、实验教学学时有限等因素的限制，很难在短时间内完成植物栽培全过程实验，这也导致学生只能在有限的课时中进行走马观花式的观摩学习或完成个别环节的操作，而缺乏对设施栽培完整过程的认知，且短时间内难以生动实际地观测到设施栽培环境调控的实验结果。

(二)实践教学硬件条件与教学需求不匹配

大多高校都存在实践教学涉及的教学实习基地、实验室建设滞后，对实践教学的经费投入不足等问题，难以完全满足实践教学的要求。中南林业科技大学园艺专业近5年来每年招生人数近70人，招生人数增加，实验室仪器设备台套数受教育经费限制，设备数量与学生使用需求不匹配。通过校企合作建设的教学实践基地，以生产功能为主，学生在教学基地实习时以见习为主，动手操作较少。实践教学“硬件”建设与教学需求不匹配，导致实践教学的次数与质量大幅降低。利用虚拟仿真实验平台，可解决仪器设备少、见习难动手的问题。

(三)以单一课程为中心组织的实践教学效果不佳

园艺专业是应用性较强的专业，实践教学又是专业人才培养过程中的重要一环。根据本科人才培养方案，中南林业科技大学园艺专业从第五学期开始开设专业课，陆续开设“园艺植物栽培学”实验及实习、“园艺植物育种学”实验及实习、“设施园艺学”实验及实习、“园艺产品贮藏加工学”实验及实习、“花卉学”实验及实习、“园艺植物病理学”实验、“园艺植物昆虫学”实验、“土壤肥料学”课程实习、“园艺植物生物技术”实验以及综合生产实习等，由该门理论课教师承担课程的实验和实习教学任务。综合生产实习为集中时间段实习，具体组织及实施均由各课程主讲老师安排。以课程为中心组织实践教学，实践技能训练时突出某一门课程的训练，但缺乏教学内容上的联动与综合，导致实践内容重复或相似、教学效果下降和教学资源浪费。

二、园艺专业的“设施园艺学”课程和“园艺植物栽培学”课程的教学特点

根据植物生产类教学质量国家标准，“设施园艺学”课程主要包含设施类型与结构、设施环境与调控、设施规划与设计、园艺植物的设施栽培等内容。“园艺植物栽培学”课程主要讲述园艺植物的生长发育规律、环境条件的影响、植物的繁殖、园地选择与建园、土肥水管理、植物生长发育的调控和采收与商品化处理等内容，旨在使学生系统掌握园艺植物生长发育规律与技术调控、栽培管理等方面的知识和技能。

在园艺专业本科人才培养方案中，“园艺植物栽培学”与“设施园艺学”为园艺专业核心课程，分为理论课程和实践课程两个部分。在教学内容上，教师应与时俱进，将最新的栽培技术与园艺设施应用到教学中；在教学理念与方式上，要强调学生参与与互动，以培养学生的实践能力与创新能力；在教学手段上，需充分利用信息化工具，建设“开放式”课程。

三、基于多课程融合的虚拟仿真实验的设计思路

(一)基于多课程相关知识的融合设计实验

多课程融合的虚拟仿真实验教学中，教师以观赏植物生产为中心，以设施栽培为载体，将观赏植物繁育、栽培、管理等植物生产过程串联，实现多门课程内容有机结合，强化对学生实践技能的培养。玫瑰设施栽培虚拟仿真实验主要知识点涉及设施类型及环境调控、玫瑰扦插繁育、玫瑰栽培肥水管理、玫瑰栽培整形、玫瑰早产与丰产关键技术、病虫害防治6个知识点，可实现“设施园艺学”“园艺植物栽培学”“花卉学”“园艺植物病理学”4门课程相关知识点的有效衔接，帮助学生对植物生产全过程形成整体认知。

(二)构建模块化实验内容体系

多课程融合的虚拟仿真实验教学中，教师设计的实验内容安排由浅入深，由简单到综合，由基础到创新[3]，教学设计更符合学生认识规律和实际水平。实验教学模块由基础型实验到综合型实验，再到设计型实验，难度依次提升。其中设计型实验要求学生自己查阅资料、设计方案、完成任务。实验模块中还提供必选模块和可选模块，必选模块为学生必须完成的考核点，可选模块为选做，促使学生通过相关知识的获取和了解，更深入地了解课程内容，同时又可避免因实验人数过多，实验报告趋同的弊端，培养学生的探索创新意识。

(三)采取“虚实互补”形式呈现实验过程

实践教学中，中南林业科技大学与湖南慕她生物科技公司合作建立湖南香料、香精产业培植校企合作创新创业教育基地，以校内的香料植物科研团队长期积累的研究成果为技术支撑，教师利用现代化信息技术，情景再现玫瑰设施栽培及管理全过程。学生在线完成玫瑰设施栽培等操作，全面、直观地了解玫瑰栽培及加工过程，克服实践教学中植物栽培周期过长的难题。在此过程中，学生还可到校企合作创新创业教育基地，进行关键环节的实物操作[4]，形成“虚实互补”的实验教学模式。

四、基于多课程融合的虚拟仿真实验教学的实现路径

(一)构建虚拟仿真实验教学系统

虚拟仿真实验教学系统以设施栽培环境为原型，依托虚拟仿真技术还原玫瑰扦插、玫瑰栽培管理、玫瑰丰产技术的实践操作。该实验系统界面有视频简介、实验简介、仿真实操、在线交流、课后测试5个功能模块，仿真实操有练习模式和考核模式2种模式，“练习模式”为实验练习界面，可多次进入，反复练习，而“考核模式”则是实验考核界面。

玫瑰设施栽培虚拟仿真实验平台通过仿真油用玫瑰栽培生产，设置逼真的实验场景，使学生有身临其境的感受。学生通过仿真实验练习后，能够掌握玫瑰栽培管理过程工艺流程，熟悉玫瑰栽培的生产过程和操作要领，实验流程如图1所示。另外仿真系统中各模块都具有非常鲜活的模拟现场，学生进行人机交互操作，可对相关设备和参数进行设置，及时看到操作效果。

图1 玫瑰设施栽培虚拟仿真实验操作流程图

实验中学生将依次进入“栽培设施构成”“玫瑰扦插繁育”“玫瑰设施栽培管理”“玫瑰早产、丰产栽培技术”4个子模块，根据植物生长环境和生长阶段依次进行实验。实验中按照系统提示完成在线交互操作和答题，系统可自动生成使用者在每个阶段的操作参数列表和对应的统计结果。“栽培设施构成”模块的教学重点是设施构成，“玫瑰扦插繁育”模块的教学重点是玫瑰扦插的流程，“玫瑰设施栽培管理”模块的重点是玫瑰肥水管理、植株整形修剪、病虫害防治，“玫瑰早产、丰产栽培技术”模块的重点是玫瑰压条的时间选择和压条方法。

(二)采用项目教学法加强实验技能和综合能力培养

玫瑰设施栽培虚拟仿真实验的4个子实验中，有基础型实验1个、综合型实验2个、设计型实验1个，依次对应不同的实验课程及知识点(见表1)。实验技能培养侧重学生动手能力及创新精神的培养。虚拟仿真实验教学以油用玫瑰生产为学习载体，使学生直接获得生产经验，搭建起课程与就业间的桥梁，同时调动了学生实验操作的自主性，反思实验设计和过程，培养学生创新性思维。项目教学法是指在课程教师的指导下，从资料收集与查阅、方案设计到项目的实施与评价，都由学生自己负责，最终完成一个独立的项目，从而使学生掌握项目中各个环节所需的理论知识[5]。玫瑰设施栽培虚拟仿真实验注重调动学生的主观能动性，其中玫瑰设施栽培管理模块为设计型实验，学生自主制定玫瑰幼苗定植阶段的管理方案，系统根据学生输入的管理方案模拟植物生产状况。实验结束后，学生就实验情况制作PPT汇报文件并进行展示，老师对学生提问判断学生掌握情况，以项目验收的方式检验学生实验结果，最后总结形成项目报告。

表1 玫瑰设施栽培虚拟仿真实验教学知识点分布

(三)实施多元化实验考核

传统的实验考核方式重视实验报告与实验结果，不能客观反映学生实际水平，导致“高分低能”现象。采用多元化的科学考核体系，不仅可以改善实验教学效果，还有利于培养具有创新精神和实践能力的专业人才[6]。中南林业大学玫瑰设施栽培虚拟仿真实验的考核成绩由课前预习(占总成绩10%)、在线测试成绩(占总成绩30%)、项目报告(占总成绩40%)和课后测试(占总成绩20%)4个部分组成，每项指标分别给予权重，最终确定综合评定成绩，能够客观地反映出学生的真实水平和学习态度。

五、基于多课程融合的虚拟仿真实验教学的实施条件

(一)综合性教学团队

玫瑰设施栽培虚拟仿真实验项目的教学团队由中南林业科技大学园艺专业9名教师和校企合作企业的3名高级技术人员共同组成。其中企业选派的技术人员直接参与线上交流和线下实践基地的生产指导，为虚实结合的实验教学模式提供技术保障。

这种形式也避免了以往一个教师只承担一门专业课程教学的弊端。组建大园艺生产类课程实践教学团队，从整体的角度考虑，避免教师只局限于单门课程独立教学导致的教学内容重复或教学内容不全；又可以从专业的角度，将课程学习、实验平台有机融合在一起，起到强强结合、突出技术优势的作用；还可以开阔教师的视野，从专业而非课程的角度系统地培养学生实践能力，使其学有所用，学以致用。

(二)充足的学时

近年来，园艺专业实践教学越来越受到各高校的重视，中南林业科技大学在本科人才培养方案中，加大了实践课时时长。在不增加学分的基础上，把实践课时16个课时、1个学分，修改为32个课时、1个学分，实际加大了实践课程学时量。玫瑰设施栽培虚拟仿真实验涉及多门课程实践操作，故将其安排在第六学期，授课4学时，并将其作为综合实习的组成部分纳入教学大纲，可作为综合实习的预习，也可作为综合实习的检测实验。

(三)“教”与“学”双向评价

现有的教学评价机制主要从学生端进行，以学生的成绩为主要评价依据，难以调动学生深入学习的积极性。本项目从“教”与“学”两端建立评价机制，促进教师实践教学水平提高，培养学生实践创新。在“教”这一端，主要通过提高教师综合能力，学生、教学督导、行业专家等及时对教师实践教学进行评价，衡量“教”的效果，并将评价结果及时反馈给教师改进，从而提升教学水平。在“学”这一端，从课前预习、在线测试成绩、项目报告和课后测试4个部分衡量学生“学”的效果，重点以项目报告的形式考核学生实践技能掌握和素质提升情况。

六、基于多课程融合的虚拟仿真实验教学的实施效果

(一)实践教学内容得到整合，形成知识链条

以案例为串联线索的多课程融合教学比传统教学有明显的优势：通过案例应用引导学习，提高了学生的学习兴趣；多课程融合加强了各门相关课程的学习效果，形成完整的知识链条。多课程融合教学也给教师和学生带来了更高的要求：教师要对涉及的各门课程相关知识非常熟悉，能够将有关知识点联系起来进行归纳、总结、提炼；学生要具备一定的专业基础及学习能动性，课程学习中要及时查漏补缺，确保学习成效。

(二)信息化教学优势得到发挥，调动学生学习主动性

玫瑰设施栽培虚拟仿真实验基于PC端设计，具有移动性、开放性、交互性等特点，摆脱了传统教学过程中实验教学时间和空间上的限制。学生可“随时随地”地开展在线实验设计和操作，可实时追踪玫瑰生长发育全过程，这是传统实验所无法完成的。这一实验方式不仅开拓了学习者的知识视野，也显著地提高了学习兴趣。另外利用虚拟仿真手段直观呈现实验原理和技术，提高了实验课的直观性和新颖性，为学生学习起到了明显的示范作用。通过虚拟仿真实验平台模拟设施栽培中的调控关键技术，还解决了植物生长期与实验期不统一的矛盾，大幅缩短实验观察期，生动形象地展示实验结果。同时，也解决了设施园艺实验设备设施短缺的问题，大幅节约了实验资源。

(三)实践教学的满意度得到提高

玫瑰设施栽培虚拟仿真实验项目从2018年开始作为中南林业科技大学园艺专业综合实习内容，2019年开始应用于农艺与种业研究生教学课题，3年来服务学生200余人。作为开放性实验项目，该项目还适用于农学、林学、园林植物与观赏园艺、植物学等多个专业。虚拟仿真实验项目使用后的在线评价结果，年平均满意度为90.93%。从虚拟仿真实验是否达到实验目的这一条的反馈来看，学生一致认可。但也存在网速和电脑设备配置参差不齐，导致实验时流畅度不佳，影响实验体验感的反馈。

(四)产学研得以紧密结合，启发创新性研究

以玫瑰设施栽培虚拟仿真实验项目为纽带，将虚拟教学、科学研究与职业技能培养相结合，建设专业性、综合性、开放性为一体的实验、实训、科研环境，从而可以启发师生开展创新性研究。通过项目训练，激发了学生主动进行创新性研究，2018年有园艺专业学生在中文核心期刊《经济林研究》上发表论文《不同激素及基质对大马士革玫瑰扦插生根的影响》，2019年学生的论文《厚朴新品种‘武林木兰’的选育》获得第五届全国高校植物生产类大学生实践创新论坛优秀论文，2019年课程教师的“油用玫瑰在长株潭重金属Cd污染区的修复潜力研究”项目获湖南省林业厅立项支持。可见，师生的实践操作能力与创新能力均得到较大提升。

综上，玫瑰设施栽培虚拟仿真实验利用现代信息技术与实验教学的深度融合，丰富了实验教学方式和认知方式，解决了当前园艺植物栽培、设施园艺教学中重课程、轻综合的问题。实验内容的多课程联合，拓展了实验教学内容的广度与深度，帮助学生在知识点学习中形成前后融会贯通。线上实验和线下实验的结合，实现了实验教学的“虚实结合、优势互补”的特点，使学生的动脑与动手能力均得到提升。

资助项目：湖南省教育厅教改项目“基于虚拟仿真的线上线下混合式园艺生产类实践教学研究”，项目编号HNJG-2020-0363；湖南省教育厅教改项目“新形势下农林高校园艺专业创新型人才培养模式探究”，项目编号HNJG-2020-0362；湖南省教育厅教改项目——“双创”需求下的生态学专业实验课程教学优化探索，HNJG-2019-0366。