趙靜雯，林 淼，詹 康，經(jīng)語佳，吳慧光，王夢芝

（1.揚州大學(xué)動物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇揚州 225009；2.揚州大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院，江蘇揚州 225009）

虛擬仿真實驗項目是教育部建設(shè)的五大類型“金課”之一，是國家積極推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實驗教學(xué)項目、拓展實驗教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實驗教學(xué)時間和空間、提升實驗教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措。從2013 年至今虛擬仿真教學(xué)經(jīng)歷了快速發(fā)展的3 個階段，分別是虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)階段（2013—2016 年）、虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)階段（2017—2019 年）和虛擬仿真教學(xué)平臺化發(fā)展階段（2020 年至今），同時伴隨著教育數(shù)字化戰(zhàn)略不斷深化，平臺化建設(shè)成為實現(xiàn)虛擬仿真教學(xué)的關(guān)鍵[1]。教育部印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)教育新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)構(gòu)建高質(zhì)量教育支撐體系的指導(dǎo)意見》，提出要完善智慧教學(xué)設(shè)施，部署學(xué)科專用教室、教學(xué)實驗室，依托感知交互、仿真實驗等裝備，打造生動直觀形象的新課堂[2]。

高校課程虛擬仿真教學(xué)環(huán)境的設(shè)計和建設(shè)還處于初步探索期，沒有既定的方案，導(dǎo)致許多學(xué)校在設(shè)計和建設(shè)虛擬仿真教學(xué)環(huán)境時無章可循，單純追求易見成效的硬件終端建設(shè)，而忽視了教學(xué)應(yīng)用?！讹暳腺|(zhì)量檢測》課程是全國涉農(nóng)高校動物科學(xué)專業(yè)的核心課程，也是一門實踐性和操作性非常強的課程，對保證飼料原料和各種飼料產(chǎn)品質(zhì)量安全尤為重要，可保障養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展和人民群眾的飲食安全。本文以揚州大學(xué)動物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院動物科學(xué)專業(yè)《飼料質(zhì)量檢測》課程開設(shè)虛擬仿真實踐教學(xué)內(nèi)容為例，簡要介紹該課程開設(shè)虛擬仿真實驗內(nèi)容的必要性、建設(shè)性和難點問題，以期為全國農(nóng)業(yè)高校該課程的建設(shè)提供理論和實踐依據(jù)。

1 虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)的必要性

1.1 國家鄉(xiāng)村全面振興戰(zhàn)略對涉農(nóng)專業(yè)人才培養(yǎng)的新需求

以中國現(xiàn)代化推進(jìn)中華民族偉大復(fù)興，重點在農(nóng)業(yè)、農(nóng)村，關(guān)鍵在科技、在人才[3]。如何培養(yǎng)更多知農(nóng)、愛農(nóng)的新型人才，確保國家飼料質(zhì)量安全，促進(jìn)飼料資源合理利用，推進(jìn)鄉(xiāng)村全面振興是我們涉農(nóng)專業(yè)當(dāng)前面臨的重要問題[4,5]。開展虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)有利于堅定涉農(nóng)專業(yè)大學(xué)生愛農(nóng)、學(xué)農(nóng)，投身“三農(nóng)”的信心和決心，有助于傳承先輩“堅苦自立”的奮斗精神和科學(xué)精神，有益于提升大學(xué)生綜合運用涉農(nóng)知識和專業(yè)技能解決實際問題的能力，為涉農(nóng)專業(yè)大學(xué)生投身到脫貧攻堅和鄉(xiāng)村振興的偉大事業(yè)中從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動者提供有力的科技支撐。

1.2 搭建科普教育平臺，擴(kuò)展高校職能的需要

科普教育是高等學(xué)校的三大職能（教書育人、科學(xué)研究和社會服務(wù)）的延伸和內(nèi)涵擴(kuò)展?；诨ヂ?lián)網(wǎng)和虛擬仿真技術(shù)開發(fā)的開放式實驗教學(xué)項目，不僅可為科普教育提供充足、優(yōu)質(zhì)的教育資源，還可以不受時空限制的提供科普教育場所[6]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)呈現(xiàn)一種動態(tài)、開放環(huán)境，學(xué)生可以從任意有價值的角度觀察虛擬世界的元素，進(jìn)行交互性操作，從而獲得虛實結(jié)合的體驗[7]。同時，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入飼料質(zhì)量檢測，滿足高校動物科學(xué)本科生開展相關(guān)實驗的需求，對培養(yǎng)新農(nóng)科一流畜牧人才具有推動作用。

1.3 體現(xiàn)“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)需求

虛擬仿真實驗課程拓展實驗教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新實驗教學(xué)呈現(xiàn)方式，延伸實驗教學(xué)時空，激發(fā)學(xué)生探索新知識的興趣，全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，助力一流本科專業(yè)建設(shè)[8]。虛擬仿真實驗課程應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜實際問題的綜合能力和高階思維，即體現(xiàn)“高階性”。利用虛擬仿真實驗，易于實現(xiàn)課程內(nèi)容與學(xué)科理論發(fā)展前沿以及產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展前沿保持一致，即體現(xiàn)“創(chuàng)新性”。虛擬仿真實驗課程應(yīng)具有綜合性、靈活性等特點，能建設(shè)綜合學(xué)科的設(shè)計性或創(chuàng)新性的課程內(nèi)容，實現(xiàn)“挑戰(zhàn)度”的標(biāo)準(zhǔn)。采用線上虛擬仿真和線下實驗教學(xué)相結(jié)合、基礎(chǔ)實驗和創(chuàng)新實驗相結(jié)合、單一學(xué)科實驗和交叉學(xué)科實驗相結(jié)合等形式，教學(xué)內(nèi)容反映前沿性和時代性，教學(xué)形式體現(xiàn)先進(jìn)性和互動性，使學(xué)習(xí)結(jié)果具有探究性和個性化，以期培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力，訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)造、評價和分析的高級思維[9-11]。

2 《飼料質(zhì)量檢測》課程實驗教學(xué)的難點

飼料營養(yǎng)成分測定是揚州大學(xué)動物科學(xué)、水產(chǎn)養(yǎng)殖和草業(yè)科學(xué)專業(yè)本科生課程《飼料質(zhì)量檢測》的重點內(nèi)容，雖有對應(yīng)的本科實驗教學(xué)課程，但往往只檢測一種或幾種飼料資源且不能評價該飼料資源在動物體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用，使得飼料營養(yǎng)系統(tǒng)評定效果無法進(jìn)行整體體現(xiàn)。為更好的貫徹國務(wù)院國發(fā) 〔2020〕 31 號文關(guān)于“促進(jìn)畜牧業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的意見”的精神，以培養(yǎng)高素質(zhì)農(nóng)業(yè)人才為目的，通過牛飼料營養(yǎng)配比及其生產(chǎn)性能測定虛擬仿真試驗，可以克服實物試驗難開展的3 個難點：①大型綜合訓(xùn)練難度大。肉?；蚰膛ｏ曫B(yǎng)過程復(fù)雜，受飼養(yǎng)階段、牛頭數(shù)和各營養(yǎng)指標(biāo)含量限制，且飼養(yǎng)過程中涉及牛只價格高，裝備較多，同時實物實驗也具有一定危險性。②試驗操作不可逆。營養(yǎng)成分含量、飼喂階段、牛管理方式等類型復(fù)雜，實驗難度大；操作或管理不當(dāng)引起肉牛肉質(zhì)和奶牛產(chǎn)奶量變化大，實驗操作不可逆。③實物試驗成本高昂。泌乳奶牛價格高，場地需求大且用時長（歷時10 個月左右），操作成本高，運行困難，飼料攪拌機械種類多，人工費用高，場地建設(shè)費用高等。

3 《飼料質(zhì)量檢測》課程虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容建設(shè)的必要性

根據(jù)教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020 年）》的總體部署，以及《教育部辦公廳關(guān)于2017—2020 年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》的精神，通過虛擬仿真、融媒體、大數(shù)據(jù)等方式，可以使學(xué)生體驗科學(xué)研究的過程，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，強化科學(xué)探究意識，促進(jìn)學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力[12]，有利于學(xué)生適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和前沿發(fā)展的需要，著眼于提高新農(nóng)科學(xué)子的科學(xué)素養(yǎng)[13]，構(gòu)建“知識與技能”、“過程與方法”、“情感、態(tài)度、價值觀”相融合的課程目標(biāo)體系。主要體現(xiàn)在：

（1）項目與理論課程的結(jié)合度高，緊貼農(nóng)業(yè)生產(chǎn)前沿

牛飼料營養(yǎng)配比及其生產(chǎn)性能測定是《動物營養(yǎng)學(xué)》和《飼料學(xué)》的重要教學(xué)內(nèi)容，項目實施將解決傳統(tǒng)實驗手段無法開展和有機銜接的教學(xué)問題。牛飼料營養(yǎng)配比及其生產(chǎn)性能測定虛擬仿真實驗有利于更深層次挖掘飼料資源，為畜禽日糧科學(xué)搭配提供可靠的依據(jù)，對提高畜牧養(yǎng)殖效率，實現(xiàn)養(yǎng)殖生產(chǎn)現(xiàn)代化、科學(xué)化具有舉足輕重的作用。

（2）在有限的資源與時間內(nèi)，實現(xiàn)學(xué)生在虛擬環(huán)境下直面農(nóng)業(yè)一線的實踐+實戰(zhàn)訓(xùn)練，提高學(xué)生的實踐能力

通過虛擬仿真實訓(xùn)方式，學(xué)生不必離開學(xué)校，無需額外的空間場地即能實現(xiàn)實訓(xùn)教學(xué)。課程建設(shè)可以有效減少教學(xué)成本，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，開拓學(xué)生視野，增強學(xué)生對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)畜牧業(yè)生產(chǎn)前沿認(rèn)知。在理論教學(xué)中虛擬仿真實驗利用教學(xué)設(shè)計合理性通過仿真可全方位立體的角度向?qū)W生展示日常生活中難以接觸，無法還原和實現(xiàn)的內(nèi)容。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+”和5G 時代的來臨，慕課、實景教學(xué)、3D虛擬仿真等教學(xué)方法應(yīng)運而生[14-16]。

（3）教學(xué)與產(chǎn)業(yè)深度融合，項目基于科研教學(xué)模型，可用于產(chǎn)業(yè)指導(dǎo)

本項目的建設(shè)與應(yīng)用可以讓更多含有動物科學(xué)專業(yè)的學(xué)校學(xué)生和從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動者了解飼料營養(yǎng)配比等方面的基礎(chǔ)知識和實驗技能，普及畜牧知識，提高生產(chǎn)效率，推進(jìn)精準(zhǔn)扶貧工作的全方位落實。采用實景教學(xué)和虛擬仿真教學(xué)結(jié)合的方法，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，提高學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，使人才培養(yǎng)模式更利于滿足社會的現(xiàn)實需求，大學(xué)生畢業(yè)就業(yè)后能迅速融入和適應(yīng)養(yǎng)殖業(yè)的實際生產(chǎn)，迅速成長為行業(yè)的中堅力量[17]。

4 《飼料質(zhì)量檢測》課程虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容建設(shè)的目的性

牛飼料營養(yǎng)配比及其生產(chǎn)性能測定虛擬仿真實驗教學(xué)項目依托《飼料質(zhì)量檢測》課程，利用已掌握《動物營養(yǎng)學(xué)》《飼料學(xué)》等知識，為學(xué)生專業(yè)必修課《飼料配方設(shè)計》提供實踐支撐。動物養(yǎng)分與飼料科學(xué)應(yīng)用適應(yīng)畜牧業(yè)和飼料工業(yè)發(fā)展的需要，重點是要加強飼料化學(xué)成分的分析，研究如何系統(tǒng)提高飼料養(yǎng)分和飼料資源（特別是能量和蛋白飼料）的利用率以及各成分間相互作用。本虛擬仿真實驗項目擬通過牛飼養(yǎng)流程中的關(guān)鍵營養(yǎng)指相關(guān)知識點、操作步驟及其相互作用等，使學(xué)生能夠系統(tǒng)了解牛飼養(yǎng)全過程飼料營養(yǎng)成分的變化，熟悉規(guī)模化牛飼養(yǎng)中營養(yǎng)指標(biāo)的概念和操作流程，掌握關(guān)鍵營養(yǎng)指標(biāo)的原理、檢測方法及其應(yīng)用效果。使人才培養(yǎng)模式更利于滿足社會的現(xiàn)實需求，大學(xué)生畢業(yè)就業(yè)后能迅速融入和適應(yīng)養(yǎng)殖業(yè)的實際生產(chǎn)，迅速成長為行業(yè)的中堅力量。實驗?zāi)康娜缦拢孩倮斫馀ｏ暳细鳡I養(yǎng)指標(biāo)的檢測技術(shù)及其對生產(chǎn)性能變化影響，學(xué)生學(xué)習(xí)其基本概念、工作原理和工作流程。②掌握應(yīng)用牛飼養(yǎng)過程中蛋白質(zhì)指標(biāo)、能量指標(biāo)和纖維指標(biāo)，學(xué)生學(xué)習(xí)牛飼養(yǎng)過程涉及飼料工作原理和操作方法。③促進(jìn)學(xué)生對牛飼料營養(yǎng)需求的全過程理解，以及各個環(huán)節(jié)的作業(yè)目的和實施方法，提升崗位任職能力。

5 《飼料質(zhì)量檢測》課程虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容建設(shè)的基本原理

在滿足虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)使用要求的情況下，充分考慮系統(tǒng)的可用性、穩(wěn)定性、可靠性，同時兼顧系統(tǒng)的先進(jìn)性、兼容性、可擴(kuò)展性。實驗的總體設(shè)計圍繞著3 個階段，分別是課程思政、奶牛飼料營養(yǎng)配比及測定和實驗報告及討論，其中主要部分是“認(rèn)知、操作、探索”三個模塊。采用“通關(guān)式”的方法進(jìn)行構(gòu)建，即每一個模塊均需達(dá)到合格后方可進(jìn)入下一個環(huán)節(jié)（圖1）。認(rèn)知模塊是試驗前期所需要建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，學(xué)生在認(rèn)知模塊可以提前了解牛飼料重要營養(yǎng)指標(biāo)的理論知識和操作規(guī)范。認(rèn)知模塊通過視頻和圖文的形式演示牛飼料重要營養(yǎng)指標(biāo)所涉及的實驗儀器和實驗操作，為后續(xù)的實驗打下理論基礎(chǔ)。操作模塊是牛飼料重要營養(yǎng)指標(biāo)虛擬仿真的主體環(huán)節(jié)，也是項目交互體驗的主要環(huán)節(jié)。通過unity3D 軟件開發(fā)，將模型資源和動畫資源整合，學(xué)生按要求操作牛飼料重要營養(yǎng)指標(biāo)作業(yè)流程，包括原料選擇、添加量、營養(yǎng)物質(zhì)含量、生產(chǎn)性能測定、質(zhì)量檢查與調(diào)節(jié)等，在試驗過程中軟件會給出提示引導(dǎo)學(xué)生正確操作，幫助學(xué)生順利完成試驗。探索模塊是試驗最終的考核環(huán)節(jié)，學(xué)生需要在牛場中選擇不同營養(yǎng)指標(biāo)含量作業(yè)要求及相關(guān)性能參數(shù)，軟件根據(jù)數(shù)據(jù)推導(dǎo)，得出牛產(chǎn)奶量、乳蛋白、乳脂肪、凈能等實驗?zāi)M數(shù)據(jù)，從而判斷學(xué)生對牛飼料營養(yǎng)作業(yè)的熟練度是否達(dá)標(biāo)，以此作為實驗的考核與評價標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 技術(shù)路線

6 《飼料質(zhì)量檢測》課程虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容建設(shè)的創(chuàng)新性

6.1 先進(jìn)性

飼料營養(yǎng)含量多樣、形態(tài)復(fù)雜，采用虛擬仿真技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)飼料樣品立體展示、動態(tài)展現(xiàn)，有助于學(xué)生的直觀、高效、全面的觀察，大幅提升教學(xué)效果，大量節(jié)約教學(xué)時間和成本。通過三維仿真技術(shù)，系統(tǒng)化的飼料營養(yǎng)評定虛擬仿真項目的建設(shè)，引領(lǐng)學(xué)生系統(tǒng)分析飼料原料各因素之間的區(qū)別與聯(lián)系，領(lǐng)悟真實背景下牛營養(yǎng)與飼養(yǎng)的關(guān)系，再現(xiàn)多種飼料原料配比營養(yǎng)成分不同對動物飼養(yǎng)影響的真實場景，彌補《飼料質(zhì)量檢測》課程實踐教學(xué)各營養(yǎng)指標(biāo)之間獨立分析的不足，具有開創(chuàng)動物飼料營養(yǎng)與規(guī)?；S飼養(yǎng)水平之間虛擬仿真實踐的先進(jìn)意義。

6.2 示范性

牛飼料營養(yǎng)配比及其生產(chǎn)性能測定是動物成產(chǎn)中最為復(fù)雜、最難觀測的部分。通過本項目的成功實施，能夠為其他畜種的虛擬仿真實驗提供思路和技術(shù)借鑒。對參加實驗的學(xué)生全過程進(jìn)行記錄，并隨時進(jìn)行實驗指導(dǎo)，對于學(xué)生預(yù)習(xí)效果、實驗步驟以及實驗成績評價都具備完善的評價標(biāo)準(zhǔn)，提高評價的公正性。本平臺建立完善的反饋機制，對參加實驗學(xué)生各方面的建議、評價與反饋信息，進(jìn)行全面系統(tǒng)的統(tǒng)計分析，為指導(dǎo)教師改進(jìn)和完善實驗提供參考，提高教學(xué)效果。傳統(tǒng)教學(xué)模式只能面向在校的學(xué)生，社會上有需求的人士幾乎不可能接受到相關(guān)知識教育，因此采用虛擬仿真實驗教學(xué)方式，可全面向社會推廣示范，使企業(yè)受益。以前企業(yè)需要派送人員到學(xué)校里來學(xué)習(xí)，給企業(yè)和學(xué)校帶來諸多不便。該虛擬仿真實驗項目建設(shè)好后，可向社會相關(guān)企業(yè)進(jìn)行推廣，企業(yè)可通過網(wǎng)絡(luò)在家或在企業(yè)就可以開展牛飼料營養(yǎng)配比及其生產(chǎn)性能測定檢測虛擬仿真實驗，為后期真實的養(yǎng)殖過程打下堅實的基礎(chǔ)[18]。

6.3 創(chuàng)新性

牛飼料營養(yǎng)配比及其生產(chǎn)性能測定虛擬仿真實驗實現(xiàn)了學(xué)生在操作過程中詳細(xì)學(xué)習(xí)飼料營養(yǎng)特點和形態(tài)特征、營養(yǎng)成分含量、動物飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)與動物飼養(yǎng)的同伸關(guān)系，能夠鞏固理論知識點甚至部分代替理論教學(xué)；學(xué)習(xí)評價單元實現(xiàn)了學(xué)生通過觀察飼料原料形態(tài)和單一飼料測定動物生產(chǎn)性能的能力，并對不同形態(tài)特征飼料營養(yǎng)配比進(jìn)行診斷以判斷其影響動物發(fā)育的因素，并提出調(diào)控方法，能夠理論聯(lián)系實際，提升了發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的實踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

7 《飼料質(zhì)量檢測》課程虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容建設(shè)的平臺化

揚州大學(xué)虛擬仿真教學(xué)管理平臺已具備管理與服務(wù)門戶、公共基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、虛擬仿真教學(xué)資源管理、虛擬仿真教學(xué)裝備管理、虛擬仿真教學(xué)基礎(chǔ)條件管理、教學(xué)與教務(wù)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與可視化等功能模塊。通過該虛擬仿真教學(xué)管理平臺，教師能夠進(jìn)行虛擬仿真教學(xué)過程的設(shè)計和實施；管理人員可對虛擬仿真教學(xué)資源的建設(shè)情況、學(xué)生在線學(xué)習(xí)情況進(jìn)行監(jiān)管、查詢和統(tǒng)計；學(xué)習(xí)者可完成虛擬仿真課程的學(xué)習(xí)過程，實現(xiàn)“教、管、學(xué)、考、評”一體化，為開展虛擬仿真教學(xué)提供保障[19]。借助人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)、學(xué)習(xí)分析技術(shù)等，虛擬仿真教學(xué)管理平臺還可以提供實時智能答疑和互動，對學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評定學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況和學(xué)習(xí)難點，幫助教師提供更加精準(zhǔn)的教學(xué)指導(dǎo)[20]，為培養(yǎng)復(fù)合型“新農(nóng)科”人才提供有效途徑。

8 小結(jié)

《飼料質(zhì)量檢測》課程增加虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容，將彌補現(xiàn)有課程體系的不足，通過融合現(xiàn)代信息技術(shù)與教育技術(shù)，開展多學(xué)科知識體系交叉，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和課程體系，創(chuàng)新現(xiàn)代教學(xué)模式，實現(xiàn)現(xiàn)階段高校專業(yè)人才培養(yǎng)的特點和能力素質(zhì)要求。