基于虚拟现实技术的农业高校专业课实践教学探索
时间：2021-01-28 02:03:34 来源：达达文档网 本文已影响 人 
张芊 田斌强 张小全
【摘要】实践教学是农业高校专业课教学的重要环节，虚拟现实技术的引入和应用能够解决传统实践教学当中的一系列问题，将传统的“以教促学”的学习方式变为学生与虚拟实验环境互动学习的方式来掌握知识与技能的新模式，为实践教学活动提供了一个科学有效的解决方案。
【关键词】虚拟仿真;实践教学;栽培学
高校教育作为中国教育体系的重要组成部分，承担着为社会培养、输送各类型人才的任务。在当前我国进入社会主义建设新阶段，云计算、物联网、大数据等各类新技术、新理论层出不穷的情况下，社会各行业对技术性、操作性人才的需求量逐年增加，这就对高校专业课实践教学提出了更高的要求。农业院校传统的栽培学课程中教学实验及实践活动的开展往往需要将授课班级分为若干实验小组，为每个实验小组准备相应的实验器材、活动场地，并按照教学计划进行实践教学活动。这种情况下，往往囿于实验设备不足及授课时间限制，每位学生进行实践操作的机会很有限，这也使得实践教学效果大打折扣。近年来，随着计算机图形学、人工智能等领域的发展，虚拟现实技术越来越多地应用于高校专业课教学活动中，为解决上述问题提供了有效途径。
一、虚拟现实技术介绍
虚拟现实技术（VR技术）集成了计算机图形学和人工智能等领域的研究成果，利用计算机图形系统和各种显示及控制等接口设备，在计算机上生成可交互的虚拟三维环境，给使用者提供沉浸式体验。
虚拟现实技术的特性被称为“3I”， 即沉浸性、交互性和构想性。沉浸性是指用户通过交互设备全方位地置身于虚拟世界中，这种沉浸式体验主要根据用户的视觉、听觉、触觉等多方面感知数据来构建生成，营造一个逼真的三维虚拟环境。交互性是指在虚拟环境中用户以自然的行为技能对其中的对象进行实时操作，实现真正的人机交互。构想性是虚拟现实技术为用户提供反映其丰富想象力的机制，是人类思想的一种体现。虚拟现实技术能够很好地解决传统教学当中理论讲解过程中互动性、解释性不足的难题，学生能够得到充分的学习和动手操作的机会，实现翻转课堂的学习效果，将传统的“以教促学”的学习方式，变为学生与信息环境互动学习来得到知识与技能的新模式，为实践教学活动提供了一个科学有效的解决方案。
二、农业高校专业课实践教学活动中应用虚拟现实技术的优势与意义
（一）虚拟现实技术能突破空间和时间的限制
农业高校各类专业课程均具有较强的实践性，这类专业课程的核心教学目标就是在让学生具备较好的理论基础之上，同时具有较强的实践能力。学生实践能力的培养需要通过相关的实践教学活动来实现，但是农业生产实践的开展往往需要遵循农作物生长发育规律，在农作物生长发育的特定阶段、特定地点开展。限于上述情况，农业高校的专业课实践教学活动会出现与理论课脱节的情况。虚拟现实技术综合运用三维仿真、人机交互、人工智能等新技术、新手段来组织相关学科知识的展现和操作，通过搭建符合实际情况、合理的实践教学环境，能够克服时间、地点以及材料的限制，实现理论教学与实践活动的无缝衔接。
（二）虚拟现实技术能弥补高校实践教学条件的不足
虚拟现实技术的应用能有效缓解实践教学中实验场地有限、设备昂贵、经费紧缺等方面的问题，整体改善教学环境，增强高校课堂教学水平。学生在课堂上就能反复地进行各式各样的实验，既能加深学生对实验内容的认识和理解，也能减少设备长期使用造成的损坏以及教学材料的消耗，从而达到节约教学成本的目的。
（三）虚拟现实技术能够降低仿真实验或操作的危险系数
虚拟现实技术为高校实验提供了更为安全可靠的教学方式。在虚拟实验教学中不仅能避免实验自身的高危性或实验失败会对人体、设备造成损伤，还能以直观的方式发现因错误操作造成的不良实验后果，督促学生正确地进行实践操作。
基于虚拟现实技术，教师在进行理论教学的过程中能够随时开展实际操作、展示等活动，极大地提升了理论教学的接受效果;虚拟现实技术中多媒体展示、人机交互操作使枯燥、抽象的概念以及操作过程等能够被生动立体地展示出来，引导学生主动学习知识、掌握概念的实质，启发学生在教学过程中发现和解决问题，培养其高层次的思维技能。另外，结合虚拟现实技术和互联网技术能够实现实践教学活动的在线开展，实现不同地区的老师与学生、学生与学生之间的交流和训练，加强教育的互动性，丰富高校实践教学内容的外在形式，优化教学内容的内在结构，促进教学手段的科学化、高效化发展，对培养个性化、高素质的全面型人才具有很大的促进作用。
三、基于虚拟现实技术的实践教学活动设计与实施
栽培学课程中的病虫害田间试验要求学生在田间实地调查发生病虫害情况，了解害虫的分布特点，正确估计其种群密度，为制定合理的防虫策略提供依据。此类调查实践活动往往需要耗费任课教师大量精力进行组织，由于病虫害的发病具有一定的随机性，使得实践教学开展时间不固定。
为充分利用虚拟现实技术提高教学质量，克服上述困难，任课教师可设计基于虚拟仿真的病虫害田间调查实验。进行实际仿真操作前，首先，由教师在线上梳理相关实验内容的知识点，并以在线屏幕共享的方式演示具体的操作步骤;其次，学生登录系统，选择工具、选择样地、确定样方，进行随机预抽样，并根据抽样结果计算种群平均密度和方差，进而判断种群空间格局类型，再根据空间格局类型选择抽样方法，并完成抽样调查进行密度估计;最后，完成实验报告。实验报告需记录整个过程，并得出结论。另外，任课教师将每次的实践教学内容分为规定完成项目和可选项目两部分，可选项目设置难度略高于规定内容，是为学有余力的学生准备，目的在于更好地满足不同程度的学生的学习需求。
四、教学效果分析
利用虚拟现实技术进行线上实践教学活动，能够克服教学资源有限、学生动手机会不足等问题，可以加深学生对课程知识点的理解，提高学生动手操作能力，对于信息技术类的实践课程是很好的补充。但从教学活动的实施过程来看也存在一定的不足：一是在线学习对学生的约束性不足，尽管布置了作业完成的截至时间，但由于网络状况不佳、计算机软硬件故障等无法按时完成实验报告的学生大有人在，而任课教师很难判断原因;二是實验报告自主完成情况无法判断，在线实践教学活动平台完成的实验报告无法记录完成时的IP地址和用户信息，所以对于报告是否由本人完成往往难以确定。
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（作者单位：河南农业大学）
