李海港 陳楊 紅梅

[摘 要] 虛擬仿真是通過虛擬軟件模擬現(xiàn)實的實驗手段，是一種新型的教學(xué)技術(shù)。將該教學(xué)技術(shù)運用到“土壤學(xué)”實踐教學(xué)中，可以打破教學(xué)實訓(xùn)場地及實驗環(huán)境的限制，實現(xiàn)以學(xué)生為主體的實踐教學(xué)，調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)學(xué)生自主實驗的興趣，提高實訓(xùn)效率，進而可提升學(xué)生的實踐能力與專業(yè)技術(shù)應(yīng)用能力。在新冠肺炎疫情防控的特殊時期，保證了教學(xué)進度和教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞] 虛擬仿真;土壤學(xué);實踐教學(xué)

[基金項目] 2018年度內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革研究項目“‘虛擬仿真在‘土壤學(xué)實踐教學(xué)中的應(yīng)用研究”（JGYB201809）;2018年度內(nèi)蒙古自治區(qū)教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃項目“‘互聯(lián)網(wǎng)+在高?！寥缹W(xué)實踐教學(xué)中的應(yīng)用”（NGJGH2018046）

[作者簡介] 李海港（1979—），男，山東安丘人，博士，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院副教授，主要從事土壤健康研究;陳 楊（1980—），女，內(nèi)蒙古包頭人，博士，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院副教授（通信作者），主要從事土壤養(yǎng)分管理研究。

[中圖分類號] G642.41? ?[文獻標(biāo)識碼] A? ? ?[文章編號] 1674-9324（2021）08-0132-05? ? ? ?[收稿日期] 2020-11-02

“土壤學(xué)”是農(nóng)林院校的專業(yè)基礎(chǔ)課，其實踐教學(xué)環(huán)節(jié)為培養(yǎng)應(yīng)用型和創(chuàng)新性人才奠定了重要的基礎(chǔ)。但在“土壤學(xué)”實踐教學(xué)中存在實習(xí)地點遠、安全隱患大、生態(tài)破壞性強、時效性差等弊端，因此加強和完善“土壤學(xué)”實踐教學(xué)資源的改革和建設(shè)顯得尤為迫切。虛擬仿真是在“互聯(lián)網(wǎng)+”的大背景下產(chǎn)生的新型教學(xué)模式和教學(xué)技術(shù)，以其綠色、安全、可共享等優(yōu)勢為實踐教學(xué)帶來了新機遇，在實驗實訓(xùn)教學(xué)中得到了認可和應(yīng)用。把虛擬仿真應(yīng)用到“土壤學(xué)”實踐教學(xué)中，突出了學(xué)生在教學(xué)環(huán)節(jié)的主體地位，加深了學(xué)生對實驗的理解，還可以解決野外實習(xí)中存在的諸多問題，成為“土壤學(xué)”實踐教學(xué)模式改革的重要手段和途徑。

一、“土壤學(xué)”實踐教學(xué)的重要性及存在的問題

“土壤學(xué)”是高等農(nóng)業(yè)院校農(nóng)學(xué)、林學(xué)、草學(xué)、農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境等專業(yè)的專業(yè)核心基礎(chǔ)課，廣泛應(yīng)用和服務(wù)于農(nóng)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境生態(tài)建設(shè)、區(qū)域治理、資源利用與環(huán)境保護等各項事業(yè)，是關(guān)系到國計民生的重要基礎(chǔ)科學(xué);是學(xué)生對所學(xué)專業(yè)產(chǎn)生興趣并樹立專業(yè)志向的入門課程，具有較強的理論性和實踐性，對學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)有重要的影響，其教學(xué)效果的好壞直接關(guān)系到學(xué)生對后續(xù)專業(yè)課程的理解、掌握以及應(yīng)用?！巴寥缹W(xué)”課程由理論教學(xué)和實踐教學(xué)共同組成。實踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)階段，創(chuàng)新型和應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，要求學(xué)生具有更高、更強的實踐能力;因此，實踐教學(xué)在學(xué)生培養(yǎng)方面發(fā)揮著重要的作用[1-3]。

“土壤學(xué)”實踐教學(xué)中的一個重要環(huán)節(jié)是認知不同類型的土壤，這需要到自然環(huán)境中尋找典型土壤，進行土壤剖面的觀察和研究。土壤剖面反映了土壤實體形態(tài)，是環(huán)境條件長期作用下物質(zhì)變化的結(jié)果，是土壤內(nèi)在性質(zhì)的綜合表征，不同的剖面形態(tài)，反映了土壤中歷史上相應(yīng)的水熱動態(tài)和當(dāng)前的生物性狀。在“土壤學(xué)”實踐教學(xué)中，學(xué)生需根據(jù)對土壤剖面的形態(tài)特征及成土條件的觀察、土壤化學(xué)性質(zhì)的分析、作物生長發(fā)育等來鑒別土壤的類型及肥力狀況，發(fā)現(xiàn)影響植物生長的土壤障礙，為土壤合理利用、保護提供依據(jù)。因此，熟練掌握土壤剖面觀察的技能就成為學(xué)生必須具備的實踐能力，對學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)及就業(yè)具有關(guān)鍵作用。

在“土壤學(xué)”實踐教學(xué)中也存在諸多問題。①實習(xí)地點遠、路途長。土壤的分布具有地域性，想找到具有代表性的典型土壤，需要帶學(xué)生到路途遠、人為干擾小的野外才能實現(xiàn)。②安全隱患大。進行野外實習(xí)時，需要帶學(xué)生乘車到幾百公里以外，路途遠、花費時間長，有的土壤類型學(xué)生要爬山才能見到，乘車及戶外教學(xué)都存在極大的安全隱患，因此在實習(xí)過程中都需要為學(xué)生們買保險。③生態(tài)破壞性大。剖面觀察需要挖大約2米長、1.5米寬、2米深的一個土坑，雖然觀測后會進行回填，但對土壤及植被的擾動、破壞很嚴重，短時期內(nèi)很難恢復(fù)。④時效性?！巴寥缹W(xué)”野外教學(xué)需要考慮到氣候條件及可操作性，一般只能在6月至9月進行，而此期間學(xué)生有正常的教學(xué)、考試、放假等各項事宜，協(xié)調(diào)比較困難。⑤學(xué)生學(xué)習(xí)主動性差。挖剖面不僅生態(tài)破壞性大，而且還受學(xué)生體力及野外教學(xué)時間的限制，一般每個班只挖一個剖面，實驗顧及不到所有同學(xué)，存在實驗報告雷同的現(xiàn)象，學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性不高，效果不好?；谝陨显颍谛碌慕虒W(xué)背景下，探索學(xué)生實踐技能的培養(yǎng)、提高學(xué)生動手能力、加強和完善“土壤學(xué)”實踐教學(xué)資源的建設(shè)迫在眉睫。

二、虛擬仿真應(yīng)用的可行性

隨著學(xué)生能力培養(yǎng)需求的不斷提高，現(xiàn)有實驗實踐教學(xué)條件已不能完全滿足，需要創(chuàng)造新的教育技術(shù)和模式。任何一個新型教育技術(shù)的應(yīng)用都會對學(xué)習(xí)環(huán)境、教學(xué)方式、實驗手段、教學(xué)活動設(shè)計、學(xué)習(xí)評價等產(chǎn)生影響，從而引起知識生產(chǎn)觀、知識生產(chǎn)方式以及教育者、學(xué)習(xí)者、參與者等多種角色的認知方式、行為模式發(fā)生變化[4]?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展對人們的生活產(chǎn)生了深遠的影響，同時為教育信息化提供了平臺，也對高校現(xiàn)代教育產(chǎn)生了影響，為高校教育提供了契機，也是高校課堂教學(xué)的重大變革，為實踐教學(xué)帶來了新機遇[5，6]。以虛擬仿真為核心的“互聯(lián)網(wǎng)+”是教學(xué)手段、教育方式重大的前所未有的變革，它是用一個系統(tǒng)模仿另一個真實系統(tǒng)的技術(shù)，是一種可創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)[7]，它可以充分利用便捷的網(wǎng)絡(luò)和豐富的資源，為學(xué)生學(xué)習(xí)提供一個良好的環(huán)境，使得實驗實踐教學(xué)的示教、訓(xùn)練和考核方式更為科學(xué)、有趣和簡便易行[8，9]。它以三維交互技術(shù)為核心，結(jié)合三維及二維動畫、視頻、圖片、文字等多媒體表現(xiàn)形式帶來一種全新的學(xué)習(xí)體驗，它的直觀不抽象、互動不被動、構(gòu)想早驗證等特點能夠大大提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)生對于知識的學(xué)習(xí)和理解，提高學(xué)習(xí)效率和教學(xué)效果，尊重學(xué)生主體性，突出學(xué)生個體價值[ 10 ]。虛擬仿真實驗的綠色、安全、可共享等特點有利于大規(guī)模改善學(xué)校的教學(xué)環(huán)境，為實驗實踐教學(xué)引入了信息化、智能化基因，讓實驗實踐教學(xué)融入“互聯(lián)網(wǎng)+”，突破了傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境和手段的限制，更扎實、更全面的對接了理論教學(xué)，還可使教學(xué)團隊成員背景更加多樣化，突出了學(xué)生在教學(xué)中的主體地位[ 11，12 ]。

基于虛擬仿真實驗的優(yōu)勢，現(xiàn)階段把虛擬仿真技術(shù)和平臺應(yīng)用到“土壤學(xué)”實踐教學(xué)中，不僅能充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)優(yōu)勢、提高學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí)能力，還能提升教師和學(xué)生的信息素養(yǎng)，使教育更加人性化與個性化，而且還可以解決“土壤學(xué)”實踐教學(xué)中存在的諸多問題和弊端，為“土壤學(xué)”實踐教學(xué)建立新型的教學(xué)方式、創(chuàng)設(shè)新型的教學(xué)環(huán)境，還可助推教師角色轉(zhuǎn)換，對教學(xué)起到積極的作用，為培養(yǎng)應(yīng)用型人才提供基礎(chǔ)。

三、虛擬仿真在“土壤學(xué)”實踐教學(xué)中的應(yīng)用

栗鈣土是溫帶半干旱大陸性氣候和干草原植被下發(fā)育成的地帶性土壤，剖面上部是呈栗色的腐殖質(zhì)層，主要的成土過程是腐殖質(zhì)積累和碳酸鈣淀積，內(nèi)蒙古從東到西都有分布，是分布面積最大的土壤類型之一。栗鈣土土壤剖面的觀察具有代表性和典型性，因此成了“土壤學(xué)”實踐教學(xué)的核心內(nèi)容之一，每年我校約1100人進行該項實踐教學(xué)。

栗鈣土土壤剖面觀察虛擬仿真實驗于2019年應(yīng)用于“土壤學(xué)”實踐教學(xué)中（圖1）。實驗共分三個模式（圖2），即教學(xué)模式、練習(xí)模式、考試模式，其中教學(xué)模式以三維視頻展現(xiàn)了整個實驗的正確操作步驟，同時針對一些關(guān)鍵步驟或注意事項，教師設(shè)置了問題并提供正確答案;練習(xí)模式有利于學(xué)生課后進行鞏固復(fù)習(xí);考試模式用于評價學(xué)生實踐能力。在整個實驗中，不論哪個模式，教師都能在后臺觀察到學(xué)生的所有操作，并及時了解學(xué)生對知識點的掌握程度，體現(xiàn)了教師和學(xué)生間的互動性。

實驗包括土壤基本情況調(diào)查;土壤剖面坑點的選擇和挖掘;土壤剖面物理、化學(xué)、生物學(xué)性質(zhì)的觀察;土壤野外定名;土壤剖面回填等幾個步驟，涉及8個知識點，18個細節(jié)內(nèi)容。學(xué)生需按照實驗的要求完成所有操作（圖3），并隨時記錄觀測到的結(jié)果（圖4）。

學(xué)生可以通過智能手機或PC端登錄實驗項目平臺，熟悉實驗背景、目的，完成課前測試，并按照圖5所示流程開展栗鈣土土壤剖面觀察虛擬仿真實驗，實驗結(jié)束后學(xué)生需要提交實驗報告。傳統(tǒng)的“土壤學(xué)”實踐教學(xué)一個人是不能獨立完成的，需要以班級為單位共同完成，在完成過程中很好地體現(xiàn)了同學(xué)間的團隊合作精神。在該軟件的設(shè)計中，也考慮了同學(xué)間的團隊合作意識，在撰寫心得體會時，不僅要求學(xué)生凝煉知識點，還需把協(xié)作精神、團隊意識都體現(xiàn)出來。上述虛擬仿真實驗過程見圖5。

四、栗鈣土土壤剖面觀察虛擬仿真實驗的特色與成效

傳統(tǒng)的栗鈣土土壤剖面觀察存在實習(xí)地點遠、安全隱患大、時效性差、生態(tài)破壞性強等弊端，通過虛擬仿真實驗平臺開展該實驗，最大限度激發(fā)了學(xué)生的自主實驗興趣，加深了學(xué)生對實驗的理解，還可以解決野外教學(xué)中存在的諸多問題，使實習(xí)不受時間、空間、安全的限制，并迎合了當(dāng)今大學(xué)生對現(xiàn)代信息技術(shù)的喜好，構(gòu)建更完整的知識體系，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。對于教師而言，可結(jié)合實際教學(xué)需求，最大限度地發(fā)揮虛擬元器件資源的優(yōu)勢，豐富和完善了現(xiàn)有教學(xué)手段，可為探索“土壤學(xué)”實踐教學(xué)模式改革奠定基礎(chǔ)。

通過網(wǎng)絡(luò)平臺，學(xué)生可以隨時隨地進行在線實驗操作。如在實驗前，學(xué)生可以通過系統(tǒng)中的相關(guān)模塊，事先了解實驗?zāi)康?、原理等相關(guān)基本知識。實驗課后，可以通過重復(fù)實驗設(shè)計和操作，鞏固課堂所學(xué)內(nèi)容。通過這種實驗設(shè)計—結(jié)果反饋—發(fā)現(xiàn)問題的過程，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的實驗方法，拓展其知識視野，激發(fā)個人的主觀能動性和創(chuàng)造性。同時，學(xué)生還可以通過在線交流的形式，與教師進行一定的互動，提升學(xué)習(xí)的針對性和實效性。通過實驗平臺，任課教師可以清晰地了解學(xué)生對相關(guān)知識的掌握情況，為今后有針對性地開展課堂教學(xué)提供參考信息。

在2020年春季學(xué)期新冠肺炎疫情防控期間，響應(yīng)教育部“停課不停學(xué)”的號召，我校積極開展在線教學(xué)活動。本項目為學(xué)生提供線上自主學(xué)習(xí)服務(wù)，實驗完成人數(shù)達到600名，起到了很好的線上教學(xué)示范作用，保證了疫情防控期間的教學(xué)進度和教學(xué)質(zhì)量。

五、展望

在本科“土壤學(xué)”實踐教學(xué)中還涉及淋溶性灰褐土（內(nèi)蒙古中部的緯度地帶性土壤）土壤剖面觀察、鹽堿土（非地帶性土壤）土壤剖面觀察，未來我們將繼續(xù)建設(shè)相關(guān)內(nèi)容。依托學(xué)校的實驗基地“賽罕烏拉國家級自然保護區(qū)”所具有的土壤類型，擴展草甸土、沼澤土、風(fēng)沙土、山地黑土、黃土等土壤剖面觀察虛擬仿真軟件的構(gòu)建，使本科教學(xué)實踐環(huán)節(jié)更加完善。嘗試開發(fā)手機App服務(wù)功能，并通過微信公眾號搭載虛擬仿真教學(xué)軟件，完善相關(guān)軟件所需的輔助教學(xué)資源，提升應(yīng)用軟件的便捷性和效果。

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