鐘鳳林 侯毛毛 申寶營 福建農(nóng)林大學園藝學院 陳競楠 福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術學院

近年來，黨中央、國務院高度重視教育信息化工作?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》指出，“信息技術對教育發(fā)展具有革命性影響，必須予以高度重視”，并把“加快教育信息化進程”單獨作為一部分進行了專門的闡述。虛擬仿真實驗教學的本質(zhì)特征是應用信息技術，創(chuàng)造探索性和實踐型學習的開放平臺，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，同時為現(xiàn)代化實驗教學改革增添助力。

由于受到實驗場地、資金投入的限制，高校難以為植物學、生態(tài)學、工程學等不少學科的學生提供與真實操作現(xiàn)場完全一致的場景[6-8]。為了提升學生實踐能力，許多時候學校將學生送入企業(yè)學習或在學校內(nèi)進行輪班實踐，這一方面給平時的課程安排造成不便，另一方面影響企業(yè)的正常生產(chǎn)，很多大型精密儀器沒有經(jīng)過培訓讓學生上手操作，極易損壞儀器造成嚴重經(jīng)濟損失。而虛擬仿真技術可以為學生模擬真實的現(xiàn)場條件，學生經(jīng)過虛擬仿真軟件培訓合格后方可上機操作，有效實現(xiàn)了理論知識學習到現(xiàn)場實踐操作之間的柔性過渡。本研究擬以福建農(nóng)林大學園藝學院《海峽特色園藝植物工廠化栽培虛擬仿真實驗項目》為例，系統(tǒng)全面地分析項目建設背景和目的、建設過程和建設成效，以期為類似學科創(chuàng)新實踐型人才培養(yǎng)提供理論和實踐依據(jù)。

1 項目建設背景與目的

1.1 培養(yǎng)服務于地方經(jīng)濟發(fā)展和國家戰(zhàn)略需求的創(chuàng)新實踐型園藝人才

臺灣和福建有天然的地理優(yōu)勢，經(jīng)濟合作有深厚的潛力?！耙粠б宦贰背h以來，閩臺兩地抓住歷史機遇，在產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和經(jīng)貿(mào)往來上取得了積極進展。園藝產(chǎn)業(yè)是閩臺經(jīng)濟貿(mào)易和科技交流的關鍵產(chǎn)業(yè)，在福建和臺灣農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結構中均占據(jù)重要地位，目前臺商在閩投資園藝產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模。福建農(nóng)林大學園藝學院具有一級學科“園藝學”博士后流動站，在園藝專業(yè)人才的培養(yǎng)上備受關注。作為傳統(tǒng)優(yōu)勢及重點學科，福建農(nóng)林大學園藝專業(yè)為福建省園藝產(chǎn)業(yè)發(fā)展和人才輸送提供了有力保障，也是未來閩臺園藝產(chǎn)業(yè)合作中人才培養(yǎng)的主力軍。因此，在“一帶一路”戰(zhàn)略、“鄉(xiāng)村振興”計劃和閩臺園藝產(chǎn)業(yè)合作機遇的大框架下，依托福建省園藝產(chǎn)業(yè)特色和福建農(nóng)林大學園藝學科優(yōu)勢，將真實企業(yè)項目、教師科研項目、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目轉化成為了虛擬仿真教學項目，促進“虛擬教學-現(xiàn)實教學-科學研究-實踐應用”相互轉化和相互融合，培養(yǎng)服務于地方經(jīng)濟發(fā)展和國家戰(zhàn)略需求的創(chuàng)新實踐型園藝人才。

1.2 突破傳統(tǒng)教學在實驗周期、教學場地、設備數(shù)量等方面的局限

福建農(nóng)林大學園藝學院設施農(nóng)業(yè)科學與工程系設有專業(yè)核心課程《設施農(nóng)業(yè)控制技術與裝備》及配套實驗，面向設施專業(yè)大學三年級學生。然而，在植物工廠化栽培實驗中，受到教學場地、時間、設備數(shù)量等多方面限制，教學實施上存在真實條件不具備、難以達到教學效果的問題。如（1）栽培裝置實物高度高且體積大，水路電路系統(tǒng)交織繁雜，搭建和裝配過程存在安全隱患；（2）裝置臺套數(shù)少，不能滿足本專業(yè)所有學生同時開課的需求；（3）園藝植物生長周期長，難以實時觀察營養(yǎng)液性質(zhì)變化和植物發(fā)育動態(tài)；（4）教學準備、維護和還原的工作量大，給教學管理帶來較大困難。

鑒于此，在已有課程的基礎上，項目以培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新思維為目標，以虛實結合、能實不虛、互為補充、示范輻射和社會共享為指導思想，以閩臺特色園藝植物為試驗材料，借助虛擬仿真、網(wǎng)絡通訊、人機交互和多媒體技術，建設“海峽特色園藝植物工廠化栽培”虛擬仿真實驗項目。項目融合現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)+教育、多樣化教學、在線教學和虛擬實驗仿真，營造學生自主性學習、研究性學習和探索性學習氛圍。不僅可降低實驗教學成本，打破傳統(tǒng)實驗教學過程中的時間、場地、設備數(shù)量制約，實現(xiàn)隨時隨地學習，而且有利于《設施植物栽培學》《設施植物營養(yǎng)學》《設施農(nóng)業(yè)控制技術與裝備》《無土栽培》《花卉栽培學》《園藝療法》和《植物遺傳育種》等多課程資源共享，幫助學生知識點串聯(lián)和知識體系構建，強化學生學習效果。

項目通過2個模塊實驗，具體達到以下目的：（1）園藝植物栽培設施搭建模塊。要求學生掌握栽培設施各零部件的用途及安裝要點，及掌握環(huán)境控制裝備的功能、選型和安裝方法；（2）園藝植物工廠化生產(chǎn)模塊。要求學生掌握閩臺特色園藝植物的生長習性及環(huán)境參數(shù)設定方法，及掌握生產(chǎn)過程中營養(yǎng)液理化性質(zhì)變異的原因及解決途徑。

2 項目建設與實施

2.1 項目知識點設計與項目建設

植物工廠設計目前還未有統(tǒng)一的國家技術規(guī)范，用人單位對該方面的人才需求量又非常大。鑒于此，項目團隊走訪數(shù)十家植物工廠生產(chǎn)企業(yè)，考察其對本專業(yè)人才理論和實踐技能的要求。大部分企業(yè)均要求學生具備植物工廠設計、建設、生產(chǎn)及商品化選擇全過程的知識能力，即在給定的生產(chǎn)空間內(nèi)實現(xiàn)從“無”到“有”。鑒于此，本項目以不同類型的3種閩臺特色作物—中草藥作物金線蓮、蔬菜作物青梗菜和花卉作物蝴蝶蘭為材料，設計2大模塊共10個知識點。

模塊1為植物生產(chǎn)模塊，具體包括栽培設施搭建→營養(yǎng)箱選型→空調(diào)選型→環(huán)境控制裝備安裝。主要步驟的操作要點和參數(shù)如下：

(1）栽培設施搭建（圖1-a）

①栽培槽安裝：將零部件箱中的栽培槽安裝至正確位置，要求注意栽培槽應按照一定比例傾斜，傾斜角度以不影響進水側植物種植為前提。

②進水口安裝：進水口應安裝于設計液面上方，防止系統(tǒng)關閉時虹吸原理造成營養(yǎng)回流，損壞水泵甚至導致短路。

③進出水管安裝：出水管管徑應滿足所有分出水管出水流量總和的要求。

④泡沫/塑料板安裝：泡沫/塑料板應安裝于設計液面以上1-3cm位置，防止缺氧脅迫阻礙根系生長發(fā)育。

(2）營養(yǎng)箱選型（圖1-b）

①營養(yǎng)箱理論體積計算：為保證正常循環(huán)，營養(yǎng)箱理論體積應為各栽培層營養(yǎng)液體積之和，計算方法如下：

式中，V為營養(yǎng)箱理論體積（cm3），n為栽培槽層數(shù)，Li為栽培槽底面長度（cm），Wi為栽培槽底面寬度（cm），Hi為設計液面高度（cm）。

②營養(yǎng)箱最小體積計算：實際生產(chǎn)中，營養(yǎng)箱容積設計應當考慮水泵進水口與營養(yǎng)箱底面的距離，及進出水管道內(nèi)營養(yǎng)液體積，因此營養(yǎng)箱最小體積計算方法如下：

式中，Vmin為營養(yǎng)箱最小體積（cm3），Vd為水泵進水口所在平面與營養(yǎng)箱底面形成的體積（cm3），Vp為進出水管道容積總和（cm3）。

③營養(yǎng)箱選型和安裝：必須選擇大于營養(yǎng)箱最小體積的營養(yǎng)箱，安裝于正確位置。

(3）空調(diào)選型（圖1-c）

①空調(diào)最小制冷（熱）量計算：根據(jù)不同作物生長需要計算單位面積制冷（熱）量，結合空間大小計算出空調(diào)制冷（熱）量，制冷（熱）量加上10%的富余量即為空調(diào)最小制冷（熱）量。

②空調(diào)選型和安裝：空調(diào)匹數(shù)應滿足最小制冷（熱）量需求，安裝在屋頂中央，以均勻地對植物工廠進行增溫降溫。

（4）環(huán)境控制裝備安裝（圖1-d）

將溫度、濕度、CO2傳感器均勻安裝于墻體中部，防止安裝高度過高或過低造成誤報警。補光LED燈設置應考慮光照均勻度，過道側LED燈布置相對密集。

圖1 植物工廠搭建模塊虛擬仿真

模塊2為植物生產(chǎn)模塊，具體操作步驟包括進場消毒→環(huán)境參數(shù)設置→營養(yǎng)液配制→營養(yǎng)液性質(zhì)測定→突發(fā)情況處理→園藝植物商品化選擇。

(1）進場消毒（圖2-a）

進場前更換防護服和腳套，在手上噴灑消毒液，進入風淋室吹走身上灰塵并噴灑消毒水消毒。同時控制室內(nèi)的消毒裝置設定消毒時間進行整個植物工廠的消毒。室內(nèi)紫外線消毒照射時間不少于30min，操作者在關閉閉紫外線燈15-20min后再進入室內(nèi)。

(2）環(huán)境參數(shù)設置（圖2-b）

①金線蓮：EC值1Ms/cm，pH5.0-6.0，溫度 20-30℃，光強3000-4000lux。

②青梗菜：EC值 2Ms/cm，pH6.0-7.0，溫度15-25℃，補充二氧化碳。

③蝴蝶蘭：EC值1Ms/cm，pH5.5-6.0，溫度25-28℃，光強11000lux。

（3）營養(yǎng)液配制（圖2-c）

①金線蓮：通過最優(yōu)硝銨配比計算每升營養(yǎng)液中應加入多少硝酸鉀、四水合硝酸鈣和硝酸銨。金線蓮最佳硝銨態(tài)氮配比是6：1，每升營養(yǎng)液硝態(tài)氮6mmol/L，銨態(tài)氮1mmol/L,最適合金線蓮生長。因此，計算可得硝酸鉀添加量350mg/L，四水合硝酸鈣472mg/L，硝酸銨30mg/L。

②青梗菜：青梗菜最佳硝銨態(tài)氮配比是7：1，每升營養(yǎng)液硝態(tài)氮14mmol/L，銨態(tài)氮2mmol/L,最適合青梗菜生長。因此，計算可得硝酸鉀添加量607mg/L，四水合硝酸鈣945mg/L，磷酸銨230mg/L。

③蝴蝶蘭：蝴蝶蘭的最佳硝銨態(tài)氮配比是4：1，每升營養(yǎng)液硝態(tài)氮4mmol/L，銨態(tài)氮1mmol/L，最適合蝴蝶蘭的生長。因此，計算可得硝酸鉀添加量177mg/L，四水合硝酸鈣354mg/L，硫酸銨132mg/L。

（4）營養(yǎng)液性質(zhì)測定（圖2-d）

利用pH/EC測定儀測定營養(yǎng)液pH值和EC值，并觀測其動態(tài)變化。

（5）突發(fā)情況處理（圖2-e）

正常情況下營養(yǎng)液EC值逐漸下降，pH逐漸升高由弱酸性變?yōu)槿鯄A性。

①EC值不正常升高：配制營養(yǎng)液時藥劑未完全溶解，植物生長過程中逐漸溶解導致EC值異常升高，此時加水稀釋。

②pH值不正常下降：考慮出現(xiàn)根系腐爛等情況，此時及時更換營養(yǎng)液并篩去爛根植物。

(6）園藝植物商品化選擇（圖2-f）

出現(xiàn)多株植物的3D立體圖，根據(jù)采收標準選擇滿足商品化要求的園藝植物。

圖2 海峽特色植物生產(chǎn)模塊虛擬仿真

2.2 項目實施

課程之前，學生對虛擬平臺和虛擬軟件中的實驗教學內(nèi)容進行預習和試操作。課程開始，教師在多媒體實驗室演示虛擬教學平臺中的虛擬軟件，學生正式進入實驗學習，學習難點的解答和互動通過網(wǎng)絡平臺中的在線答疑功能進行。模塊一（園藝植物栽培設施搭建）虛擬實驗完成并測試合格后，學生可進行預約實驗，按照預約時間和地點進入實驗室，在15：1縮小的微型植物工廠模型中完成生產(chǎn)裝置的搭建和安裝調(diào)試。模塊二（園藝植物工廠化生產(chǎn)模塊）虛擬實驗完成并測試合格后，學生可預約進入實驗室配制營養(yǎng)液和測定營養(yǎng)液理化性質(zhì)。

虛擬實驗結束后，教師根據(jù)學生提交的試驗報告在線評分并及時反饋成績，學生在第一時間糾錯和總結，并將虛擬仿真中獲取的知識和培訓經(jīng)驗應用于實體實驗。教師根據(jù)虛擬實驗和實體實驗結果分別給予成績和對應說明，按照比例給予總分。學生可在虛擬軟件中的反復練習，通過虛實結合的方式充分培養(yǎng)實踐能力和創(chuàng)新思維。

3 實施效果分析

(1）提升了學生參與度。本虛擬仿真實驗項目不受設備數(shù)量的限制，每位學生都可“人手一臺”進行獨立操作。

(2）消除了安全隱患。植物工廠生產(chǎn)設備高度高、體積大、水路電路交織繁雜，操作不當極易引發(fā)安全事故，本虛擬仿真項目的引入使實驗過程完全消除了安全隱患。

(3）提高了學習興趣、激發(fā)了學習熱情。本虛擬仿真實驗教學中現(xiàn)代化的教學方式和探索性的學習引導有利于學生提高學習興趣、激發(fā)學習熱情、養(yǎng)成自主學習習慣、培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

(4）促進理論和實踐緊密結合，有效強化了學習效果。該虛擬仿真項目完全模擬企業(yè)生產(chǎn)的真實場景，使學生掌握“栽培設施搭建-調(diào)控設備安裝-環(huán)境參數(shù)設定-營養(yǎng)液配制-植物生長監(jiān)控-商品化選擇”一整套園藝植物工廠化生產(chǎn)流程，打破實驗教學過程中的時空限制，真正實現(xiàn)理論和實踐高度結合。

為了更好地觀察實施效果，本研究選取72位本專業(yè)學生進行試驗。試驗將學生分為AB兩組，每組36人。所有學生在實驗操作前均經(jīng)過理論知識課堂學習，A組經(jīng)過虛擬仿真軟件測試合格后進入實驗室操作，B組直接進入實驗室操作。植物工廠建設和特色植物生產(chǎn)兩大模塊共10個大知識點，23個分知識點，本研究以分知識點操作出錯率為評價指標進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，結果如圖3所示。從圖3可以看出，經(jīng)過虛擬仿真實訓的A組出錯率明顯低于B組，A組平均出錯率僅為9.1%，而B組出錯率高達38.8%。

圖3 操作出錯率統(tǒng)計

4 結語

企業(yè)實際生產(chǎn)設計較多貴重精密儀器和裝置，這對高校實踐型人才的培養(yǎng)提出了更高的要求。以植物工廠為例，在實際操作中，栽培設施搭建過程出現(xiàn)錯誤極易引發(fā)安全事故，環(huán)境參數(shù)設置錯誤將造成重大經(jīng)濟損失。因此，如何提高學生實驗操作的準確性、提升學生實踐技能成為當前實驗課程亟待解決的關鍵問題。從本研究中可看出，《海峽特色園藝植物工廠化栽培虛擬仿真實驗項目》的打造有效解決了學生進入企業(yè)之前的培訓問題，經(jīng)過虛擬仿真實訓后操作出錯率大幅降低。項目的順利運行突破了傳統(tǒng)實驗裝置臺套數(shù)、試驗場地、教學管理、經(jīng)費投入等一系列限制，在現(xiàn)代創(chuàng)新實踐型園藝人才培養(yǎng)中取得了積極的效果。

本項目的實施可為其他學科虛擬仿真軟件的開發(fā)提供一定參考，筆者認為，虛擬仿真項目可解決很多學科的現(xiàn)實問題，如生態(tài)學專業(yè)學生難以進入生態(tài)脆弱的國家保護區(qū)進行實地考察、建筑專業(yè)學生進入正在建設中的高層樓房存在安全隱患、核科學專業(yè)學生操作不當易引發(fā)生命安全事故、醫(yī)學專業(yè)學生在進入工作前較難獲得與工作中一致的培訓條件等?？傊瑖掖笳吖膭畹谋尘跋?，虛擬仿真實驗教學項目必將承擔更多的教學任務，發(fā)揮更加關鍵的作用。