依托虛擬仿真平臺作物育種學課程實驗教學改革探索-以馬鈴薯育種技術為例

信息時代的到來，對高校傳統(tǒng)的實驗課程教學提出了新的挑戰(zhàn)。虛擬仿真實驗技術是指通過計算機構建出仿真的實驗場景，突破原有實驗條件限制，不受時間和空間的制約[1-2]而進行實驗。教育部非常重視虛擬仿真實驗教學項目的開發(fā)與建設，2017年7月，教育部辦公廳印發(fā)《關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》，提出：以完整的實驗教學項目為基礎，建設示范性虛擬仿真實驗教學項目，形成專業(yè)布局合理、教學效果優(yōu)良、開放共享有效的高等教育信息化實驗教學項目示范新體系，支撐高等教育教學質(zhì)量全面提高[3]。以虛擬仿真實驗教學項目為載體，加快虛擬工廠、智能實驗室等的建設，并利用信息技術來發(fā)展實驗教學，能夠以實驗教學的信息化促進高等教育的發(fā)展[4-6]。鄉(xiāng)村振興工作的重點包括加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村大數(shù)據(jù)應用，推進智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展，推動數(shù)字化應用場景研發(fā)推廣，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)將以全新的方式推動傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的轉型與升級[4-5]。作物學作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)不可或缺的一部分，越來越受到社會的重視。農(nóng)學專業(yè)培養(yǎng)體系的特點是理論與實踐緊密結合，培養(yǎng)學生可持續(xù)發(fā)展的意識及使學生掌握農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的技能與方法，實踐教學在專業(yè)人才培養(yǎng)方面有重要作用[6-7]。需將現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術、新一代信息技術等多門學科融合，著力提升農(nóng)學專業(yè)人才的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力與科研素養(yǎng)，培養(yǎng)農(nóng)學專業(yè)學生的綜合實踐能力[8-10]。黑龍江八一農(nóng)墾大學農(nóng)學專業(yè)是首批國家級卓越復合應用型人才培養(yǎng)模式改革試點專業(yè)和國家一流本科專業(yè)建設點。該校緊緊圍繞建設特色鮮明的高水平現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大學的辦學定位，立足服務墾區(qū)和龍江區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，面向現(xiàn)代化大農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)人才需求，培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展，掌握現(xiàn)代作物栽培和育種基本理論、基本知識和實踐技能，富有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識和能力的拔尖創(chuàng)新型和復合應用型農(nóng)業(yè)技術人才。拔尖創(chuàng)新型人才注重科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)，復合應用型人才注重綜合應用技能培養(yǎng)[11-13]。1作物育種學實驗課程實驗教學現(xiàn)狀作物育種學是黑龍江八一農(nóng)墾大學農(nóng)學專業(yè)的必修課，課程針對作物育種理論知識安排了相應的實驗內(nèi)容。由于作物育種是一個漫長而又復雜的過程，該課程在本科三年級上學期開課，此時為北方的秋冬季節(jié)，學生參與田間育種實驗也只能看到秋收的過程，對于前期準備工作、播種、雜交授粉、田間管理等環(huán)節(jié)難以參與其中，學生對所學育種理論的理解浮于表面。1.1知識點缺乏連貫性由于馬鈴薯育種技術知識點分散，馬鈴薯屬于無性繁殖作物，理論與實踐之間跨度較大。圖像處理涉及理論知識點多，不同章節(jié)的理論沒有必然的學習次序，由于課時有限，學生與教師之間互動較少，學生接受知識較被動，且與實踐環(huán)節(jié)脫節(jié)，學習效率較低。1.2實驗資源有限馬鈴薯育種技術實驗需要多個環(huán)節(jié)，從播種到收獲每個環(huán)節(jié)都需要準備大量種子材料及實驗用品，課堂上教師講授僅限于書本和課件中的理論知識，馬鈴薯育種所需相關設備及材料不能滿足實驗教學需要，學生憑觀看課件理解實驗內(nèi)容，知識掌握程度各異，實驗效果也不甚理想。1.3學生動手能力的差異使得教學效果不理想馬鈴薯育種需要較強的動手能力，而學生的實踐能力不同，大部分學生把時間用在認知材料和掌握儀器操作環(huán)節(jié)，無法投入更多精力去理解和整合整個育種過程。有些實驗需要去育種基地完成，但受到諸多因素影響，加上育種基地設施不完善，導致教與學的效果都不理想。基于以上問題，在黑龍江八一農(nóng)墾大學虛擬仿真實驗室平臺的申報與建設過程中，課程組著手對作物育種學中馬鈴薯育種技術課程的實驗內(nèi)容進行改革，借助虛擬仿真軟件的開發(fā)提升課程教學質(zhì)量。課程組依托虛擬仿真平臺的實驗課程改革，結合作物育種技術特點，先后開發(fā)了玉米新品種選育和馬鈴薯育種技術虛擬仿真實驗軟件，虛擬仿真實驗軟件的應用，不但提升了學生的學習興趣及積極性，也幫助學生體會虛擬仿真技術的科學性及多元性特點，從而加深學生對育種實驗的全面了解。2實驗課程改革2.1課程理念（1）農(nóng)學院作物育種學課程組遵循以學生為中心、問題導向、持續(xù)改進的教育教學理念，構建了“整合教學內(nèi)容、融合教學模式、結合教學育人、混合教學形態(tài)”的創(chuàng)新舉措。2020年引入中國農(nóng)業(yè)大學作物育種學智慧樹共享課程，開展線上線下混合式教學，成效顯著，學生反饋較好。2021年作物育種學獲批黑龍江省線上線下混合式一流課程。馬鈴薯育種技術虛擬仿真技術是課題組“以虛促學、以虛證實、虛實結合”教學理念的踐行。借助虛擬仿真平臺提供的服務器資源，利用虛擬軟件配置的真實環(huán)境，完成系統(tǒng)性綜合實驗。（2）開辟虛擬實踐帶動創(chuàng)新的新架構。馬鈴薯育種技術虛擬仿真實驗教學的核心是將過去需要線下完成的長周期育種實驗變革為虛擬界面操作方式，課程組構建了以“興趣—專業(yè)—創(chuàng)新”逐層次遞進、以馬鈴薯育種技術各環(huán)節(jié)為主線的新實驗教學體系，培養(yǎng)學生實踐創(chuàng)新能力的系統(tǒng)性綜合實驗逐漸替代傳統(tǒng)的以鞏固知識點為目的的單元驗證性實驗。2.2改革措施2.2.1理論教學模式改革課程組對作物育種學實驗基礎理論部分的講授方式實施了改革，突出作物育種中主要概念的基本性質(zhì)和實際意義，強調(diào)學生重在理解，弱化記憶。在授課過程中，教師結合自身科研項目，針對不同作物在育種過程中需要注意的問題進行講解，引導學生思考如何簡化、分解復雜問題。增加授課中的思政元素，引入育種家的科研事跡，加強師生間互動，教學示例緊扣育種主題，貼近時事與生活，使理性教育和感性認識能夠更好地融合[14]。2.2.2教學資源升級改革前，學生僅能通過教師發(fā)布的教學課件或者教材進行預習。近幾年，隨著網(wǎng)課頻率增加，課程組引進智慧樹中國農(nóng)業(yè)大學作物育種學共享課程作為授課中的學分課資源，學生可在課前通過觀看相關章節(jié)視頻完成預習，并完成章節(jié)測試。課程組充分利用智慧樹平臺，除共享課外，還建立了翻轉課堂，將教學資源上傳平臺供學生預習和復習使用，有效解決了由于課時限制學生沒有機會延伸閱讀課程相關內(nèi)容、各類文獻等問題。課程組在平臺中設置了課后作業(yè)，便于學生鞏固課堂所學知識，在理論課期末考核中學分課成績（包括教學視頻觀看和完成單元測試）占比25%，翻轉課成績（包括翻轉課互動和課后作業(yè)）占比25%，期末考試成績占比50%，合理優(yōu)化了考核評價體系，讓學生將更多精力用在平時的學習和積累中。2.2.3實驗形式改革課程組經(jīng)過研討，對作物育種學實驗課的授課形式進行了改革，將傳統(tǒng)的固定上課時間以及固定機房上機實驗方式改為讓學生自由掌握實驗節(jié)奏，學生可以隨時下載虛擬仿真實驗軟件或者線上訪問虛擬仿真平臺進行實驗。此授課形式能夠充分發(fā)揮學生學習自主性，使學生主動在課余時間進行相關知識點及馬鈴薯育種技術的針對性學習。3馬鈴薯育種技術虛擬仿真實驗結合作物育種的特點，課程組設計開發(fā)了馬鈴薯育種技術綜合性虛擬仿真實驗軟件，內(nèi)容針對馬鈴薯育種各環(huán)節(jié)進行虛擬場景操作與追蹤。實驗涉及馬鈴薯有性雜交技術及后代選擇技術等4個模塊，通過模擬育種虛擬場景，使學生沉浸式體驗育種的各環(huán)節(jié)，對于提高學生實踐能力具有很大作用。3.1實驗教學流程馬鈴薯育種技術虛擬仿真實驗教學流程如圖1所示，主要包括4個環(huán)節(jié)：（1）實驗開始之前，教師講解實驗目的，幫助學生繪制實驗的思維圖譜，讓學生對實驗項目有基本認知；（2）在實驗過程中，學生根據(jù)軟件提示逐步完成實驗操作，鞏固知識點；（3）所有實驗操作完成之后，系統(tǒng)會顯示分數(shù)，學生撰寫心得體會，教師將實驗操作系統(tǒng)評分（占比80%）和心得體會評分（占比20%）折算反饋給學生；（4）在驗收環(huán)節(jié)，教師講授基本知識后，對關鍵步驟進行解釋和指導，最后通過問答形式評估學生的完成情況。這些環(huán)節(jié)需要學生自覺學習和設計，并在虛擬平臺上完成實驗。圖1馬鈴薯虛擬仿真實驗流程圖3.2考核評估方式課程組在設計馬鈴薯育種技術虛擬仿真實驗腳本時將考核的知識點設置成題目，題目類型以選擇題為主，學生進行虛擬仿真實驗時可通過系統(tǒng)提示進行下一步的操作，4項主題實驗滿分100分，每項實驗25分，分值包括操作得分和做題得分。學生在實驗操作中逐漸意識到每一步操作的重要性，同時也能加深對操作步驟的印象，有效提升學習主動性和動手操作能力以及實驗的完成度。3.3實施成效以虛擬仿真的方式進行綜合性項目實驗教學，改變了作物遺傳育種課程傳統(tǒng)的實驗教學方法。黑龍江八一農(nóng)墾大學農(nóng)學院2018級農(nóng)學專業(yè)進行馬鈴薯虛擬仿真實驗時測試班級僅有一個，共30人。馬鈴薯育種技術虛擬仿真實驗在2019級農(nóng)學專業(yè)和種子科學與工程專業(yè)推廣，學生學習人數(shù)累計達到272人，2020級學生學習人數(shù)達到285人。云南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學專業(yè)引用馬鈴薯虛擬仿真實驗進行測試，共有133人完成測試，效果良好。本文通過調(diào)查問卷方式，收集2020、2021學年的授課班教學反饋，結果表明：學生的學習積極性、創(chuàng)造性普遍有所提高，并對采用虛擬仿真技術進行綜合性實驗持肯定態(tài)度。調(diào)查問卷統(tǒng)計結果如圖2與圖3所示。圖2虛擬仿真