李紫聰 曾芳

摘要 虛擬仿真教學(xué)近年來(lái)在我國(guó)得到了較快的發(fā)展。以動(dòng)物類(lèi)學(xué)科為例，介紹了我國(guó)該學(xué)科虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，分析其優(yōu)點(diǎn)以及目前教學(xué)中存在的問(wèn)題，并對(duì)該學(xué)科未來(lái)的虛擬仿真教學(xué)建設(shè)提出了一些建議。

關(guān)鍵詞 動(dòng)物類(lèi)學(xué)科;虛擬仿真;教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào) S-01?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2022）09-0266-02

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.09.068

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Research on the Development of Virtual Simulation Teaching in Animal Subjects

LI Zi-cong1， ZENG Fang2

（1. College of Animal Science， South China Agricultural University， Guangzhou， Guangdong 510642; 2. College of Marine Sciences， South China Agricultural University， Guangzhou， Guangdong 510642）

Abstract Virtual simulation teaching has developed rapidly in China in recent years. Taking animal subjects as an example， this paper introduced the development history and current situation of virtual simulation teaching in this subject in China， analyzed its advantages and the existing problems in current teaching， and put forward some suggestions for the future construction of virtual simulation teaching in this subject.

Key words Animal subjects;Virtual simulation;Teaching

1965年，美國(guó)科學(xué)家Ivan Sutherland在他發(fā)表的論文《終極顯示》中首次提出了虛擬仿真的概念[1]。虛擬仿真利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)等感官的模擬，生成一種虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，為用戶(hù)提供身臨其境的沉浸式體驗(yàn)，并能在虛擬環(huán)境中與人、物等環(huán)境對(duì)象進(jìn)行互動(dòng)。

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展以及教育教學(xué)方式的大膽革新，為了適應(yīng)新時(shí)代人才培養(yǎng)的需求，越來(lái)越多的高校將虛擬仿真技術(shù)運(yùn)用到教學(xué)中。虛擬仿真教學(xué)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為依托，利用虛擬仿真程序建模，結(jié)合實(shí)物實(shí)踐場(chǎng)景以及理論知識(shí)創(chuàng)建二維或三維的虛擬環(huán)境，來(lái)實(shí)現(xiàn)學(xué)生在線(xiàn)學(xué)習(xí)的功能，具有不受時(shí)空限制、形象生動(dòng)、效果直觀(guān)等優(yōu)點(diǎn)[2]。

筆者以動(dòng)物類(lèi)學(xué)科為例，介紹了我國(guó)該學(xué)科虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，分析其優(yōu)點(diǎn)以及目前教學(xué)中存在的問(wèn)題，并對(duì)該學(xué)科未來(lái)的虛擬仿真教學(xué)建設(shè)提出了一些建議。

1 我國(guó)動(dòng)物類(lèi)學(xué)科虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀

我國(guó)虛擬仿真教學(xué)相較于國(guó)外起步較晚。根據(jù)教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》（教技〔2012〕5號(hào)）的精神，教育部2013年印發(fā)了《關(guān)于開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》（教高司函〔2013〕94號(hào)），這標(biāo)志著虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作正式啟動(dòng)[3-6]。從2013年開(kāi)始，我國(guó)連續(xù)3年共批準(zhǔn)建設(shè)了100個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[3]，具體名單見(jiàn)《教育部辦公廳關(guān)于批準(zhǔn)北京大學(xué)考古虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心等100個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的通知》（教高廳函〔2016〕6號(hào)），其中與動(dòng)物類(lèi)學(xué)科相關(guān)的有湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)的畜禽安全生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的乳品工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心等。國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)有效推動(dòng)了高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和創(chuàng)新工作。

為了快速實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開(kāi)放共享和高效集約應(yīng)用，以全面提高我國(guó)高等教育教學(xué)質(zhì)量，我國(guó)在加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的同時(shí)，開(kāi)展了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)工作[7-8]。2017年，教育部在印發(fā)的《教育部辦公廳關(guān)于2017—2020年開(kāi)展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》（教高廳〔2017〕4 號(hào)）中提出，我國(guó)到2020年將認(rèn)定約1 000項(xiàng)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，目的是以高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)助推教學(xué)質(zhì)量的提高，助力高等教育強(qiáng)國(guó)建設(shè)[3]。根據(jù)國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)（http：//www.ilab-x.com）的統(tǒng)計(jì)，2017—2019年我國(guó)已建設(shè)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目2 079項(xiàng)，已經(jīng)通過(guò)國(guó)家認(rèn)定的項(xiàng)目有728項(xiàng);已建設(shè)動(dòng)物類(lèi)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程56項(xiàng)，其中通過(guò)國(guó)家認(rèn)定的項(xiàng)目有29項(xiàng)。在已建設(shè)的56項(xiàng)動(dòng)物類(lèi)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程中，動(dòng)物科學(xué)23項(xiàng)、動(dòng)物醫(yī)學(xué)19項(xiàng)、水產(chǎn)養(yǎng)殖8項(xiàng)、其他6項(xiàng)。這56項(xiàng)課程主要涉及豬、雞、牛、魚(yú)等動(dòng)物的生理、解剖、繁育、疾病防控等內(nèi)容，大部分由農(nóng)業(yè)類(lèi)高校建設(shè)。

此外，動(dòng)物類(lèi)學(xué)科虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展歷程還可以通過(guò)相關(guān)的文獻(xiàn)檢索數(shù)據(jù)來(lái)反映。在中國(guó)知網(wǎng)學(xué)術(shù)文獻(xiàn)總庫(kù)（http：//www.cnki.net）高級(jí)搜索頁(yè)面上，以論文“篇名”中含“虛擬仿真”且“篇關(guān)摘”（篇名關(guān)鍵詞摘要）中含“動(dòng)物”，分別以2013年1月1日至2021年7月5日和2001年1月1日至2021年7月5日為時(shí)間區(qū)間進(jìn)行檢索，分別檢索到53和54篇相關(guān)的論文，即后一個(gè)檢索時(shí)間區(qū)間比前一個(gè)檢索時(shí)間區(qū)間只多1篇?jiǎng)游镱?lèi)學(xué)科虛擬仿真相關(guān)的論文。這說(shuō)明在2013年教育部開(kāi)始在全國(guó)布局建設(shè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心之前的13年內(nèi)，即2001—2013年我國(guó)動(dòng)物類(lèi)學(xué)科虛擬仿真教學(xué)還沒(méi)開(kāi)始發(fā)展，2013年以后才開(kāi)始快速發(fā)展。這也說(shuō)明虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展與國(guó)家有關(guān)政策和規(guī)劃息息相關(guān)。304FBA33-FCC3-4956-86F7-FC36DF3D6D58

2 動(dòng)物類(lèi)學(xué)科虛擬仿真教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)

動(dòng)物類(lèi)學(xué)科的實(shí)用性較強(qiáng)，具有重實(shí)驗(yàn)、重實(shí)踐的特點(diǎn)，要求學(xué)生理論聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際，掌握一定的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐操作技能?？商峁﹦?dòng)物類(lèi)學(xué)科實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐的養(yǎng)殖場(chǎng)大多在偏遠(yuǎn)地區(qū)，養(yǎng)殖場(chǎng)一般都有嚴(yán)格的防疫要求，不允許隨意進(jìn)出。此外，動(dòng)物類(lèi)學(xué)科的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐課程涉及豬、牛、羊等動(dòng)物，成本較高，且其生長(zhǎng)、繁殖等周期較長(zhǎng)，所以該學(xué)科實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)存在難度大、成本高、周期長(zhǎng)、具有疫病傳播風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題。因此，很難在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)，這不利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐操作技能。虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)為解決上述問(wèn)題提供了新思路。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)資源，學(xué)生可以隨時(shí)、隨地在虛擬環(huán)境中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐活動(dòng)，有利于提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐操作能力。這種新型的輔助教學(xué)方式有利于克服動(dòng)物類(lèi)學(xué)科實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)原有的不足，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)質(zhì)量[9-12]。

動(dòng)物類(lèi)學(xué)科虛擬仿真教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面：①突破了地域和空間的限制。動(dòng)物類(lèi)學(xué)科的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐通常在遠(yuǎn)離大城市高校數(shù)百公里的養(yǎng)殖場(chǎng)，這不利于運(yùn)送學(xué)生去進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐。同時(shí)，養(yǎng)殖場(chǎng)可提供的教學(xué)和演示空間也有限，難以滿(mǎn)足較大規(guī)模學(xué)生的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐需要。通過(guò)虛擬仿真牧場(chǎng)可以打破地域和空間的限制，讓學(xué)生在牧場(chǎng)之外有身臨其境的體驗(yàn)，并且不受空間限制地開(kāi)展類(lèi)似現(xiàn)場(chǎng)的學(xué)習(xí)。②突破了時(shí)間和周期的限制。生產(chǎn)實(shí)踐或?qū)嵙?xí)是動(dòng)物類(lèi)學(xué)科學(xué)生的必修環(huán)節(jié)。學(xué)生在該環(huán)節(jié)需要了解或掌握豬、牛、羊、家禽等的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，而這個(gè)生產(chǎn)過(guò)程較長(zhǎng)，一般需要數(shù)月甚至數(shù)年。實(shí)際上，學(xué)生不可能有足夠的時(shí)間全程參與、跟蹤整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。通過(guò)虛擬仿真可以將畜禽生產(chǎn)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)進(jìn)行提煉和濃縮后再展示給學(xué)生。這樣可以打破畜禽生產(chǎn)周期的限制，可在較短的時(shí)間內(nèi)獲得良好的教學(xué)效果，顯著提高教學(xué)效率。③突破了教學(xué)成本和資源的限制。動(dòng)物類(lèi)學(xué)科中的動(dòng)物解剖學(xué)、動(dòng)物生理學(xué)等實(shí)驗(yàn)課程通常需要屠宰、解剖一定數(shù)量的豬、牛、馬、羊等大動(dòng)物進(jìn)行教學(xué)展示。這些大動(dòng)物的成本較高，很難保證有足夠數(shù)量的動(dòng)物讓學(xué)生能夠近距離、反復(fù)觀(guān)察和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。因此，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生在正式實(shí)驗(yàn)操作前進(jìn)行充分模擬和仿真，這種模式對(duì)于學(xué)生把握整個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及提高整個(gè)實(shí)驗(yàn)的完成質(zhì)量具有積極的意義。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在提高教學(xué)效果的同時(shí)，有利于減少動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)所需屠宰、解剖的動(dòng)物數(shù)量，降低成本，減少動(dòng)物福利問(wèn)題。④突破了動(dòng)物疫病傳播風(fēng)險(xiǎn)的限制。大量學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)參與動(dòng)物生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐課程，容易給養(yǎng)殖場(chǎng)帶來(lái)動(dòng)物傳染性疾病防疫問(wèn)題。例如，在近年來(lái)我國(guó)暴發(fā)非洲豬瘟的情況下，太多的學(xué)生到養(yǎng)豬場(chǎng)參與動(dòng)物生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐課程會(huì)給養(yǎng)豬場(chǎng)帶來(lái)較高的疾病傳播風(fēng)險(xiǎn)。此外，學(xué)生在教學(xué)過(guò)程中過(guò)多地接觸動(dòng)物，還會(huì)有感染人畜共患病的風(fēng)險(xiǎn)，如布氏桿菌病等。因此，通過(guò)虛擬仿真教學(xué)有利于減少學(xué)生到養(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，減少學(xué)生與動(dòng)物直接接觸所帶來(lái)的疾病傳播和感染風(fēng)險(xiǎn)。

3 目前動(dòng)物類(lèi)學(xué)科虛擬仿真教學(xué)中存在的問(wèn)題

雖然動(dòng)物類(lèi)學(xué)科虛擬仿真教學(xué)有很多優(yōu)點(diǎn)，且近年來(lái)其發(fā)展也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但目前教學(xué)中還存在一些問(wèn)題：①課程數(shù)量偏少，內(nèi)容不成體系。迄今為止，我國(guó)已建設(shè)一定數(shù)量的國(guó)家級(jí)、省部級(jí)和地方級(jí)別的動(dòng)物類(lèi)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，但其數(shù)量對(duì)于我國(guó)龐大的學(xué)生規(guī)模而言仍然偏少。此外，這些課程內(nèi)容比較分散，涉及的動(dòng)物種類(lèi)較多，導(dǎo)致課程內(nèi)容無(wú)法形成一個(gè)比較完整的體系。②場(chǎng)景仿真不足。由于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐場(chǎng)景的環(huán)境因素較為復(fù)雜且多變，目前動(dòng)物類(lèi)學(xué)科虛擬仿真課程的虛擬系統(tǒng)還難以在視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)、三維空間結(jié)構(gòu)和比例等方面與真實(shí)系統(tǒng)相比。③人機(jī)交互不足。在真實(shí)的場(chǎng)景或系統(tǒng)中人與動(dòng)物或場(chǎng)景可以進(jìn)行多種方式、近距離、深度、頻繁的互動(dòng)，因而具有生動(dòng)的趣味性。然而，目前的虛擬仿真課程存在單調(diào)、呆板、枯燥、無(wú)法互動(dòng)或互動(dòng)少等問(wèn)題。④評(píng)價(jià)體系不健全。虛擬仿真是一種新的教學(xué)方式。目前對(duì)相關(guān)課程教學(xué)效果的評(píng)價(jià)體系還不健全，這容易導(dǎo)致難以對(duì)相關(guān)課程的設(shè)置和建設(shè)進(jìn)行正確的指導(dǎo)。⑤資源互補(bǔ)與共享不足。動(dòng)物類(lèi)學(xué)科虛擬仿真課程目前還存在單打獨(dú)斗、重復(fù)建設(shè)的現(xiàn)象，已建設(shè)的課程還存在開(kāi)放和共享不足的問(wèn)題[3，11，13-14]。

4 建議

針對(duì)上述動(dòng)物類(lèi)學(xué)科虛擬仿真課程教學(xué)中目前存在的問(wèn)題，提出以下建議：①通過(guò)充分調(diào)研、討論和征求意見(jiàn)，加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)和規(guī)劃，根據(jù)動(dòng)物類(lèi)學(xué)科的特點(diǎn)和教學(xué)需求，建設(shè)具有完整體系的虛擬仿真課程。②采用最新的虛擬仿真技術(shù)，最大限度地逼近真實(shí)場(chǎng)景。在虛擬仿真課程系統(tǒng)或平臺(tái)投入使用前，組織業(yè)內(nèi)專(zhuān)家進(jìn)行“仿真性”鑒定評(píng)價(jià)，確保其模擬水平達(dá)標(biāo)。③與計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)緊密結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的人機(jī)交互性;利用人工智能、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)，增強(qiáng)人機(jī)交互的智慧化、智能化，便于學(xué)生隨時(shí)、隨地提問(wèn)和學(xué)習(xí)，滿(mǎn)足教學(xué)的需要。④加強(qiáng)信息化教學(xué)政策研究、理論研究、運(yùn)行機(jī)制和關(guān)鍵技術(shù)研究等方面的工作，持續(xù)改進(jìn)相關(guān)教學(xué)評(píng)價(jià)機(jī)制，加強(qiáng)督導(dǎo)考核，不斷健全并完善虛擬仿真教學(xué)的綜合評(píng)價(jià)體系。⑤采用合作互補(bǔ)、強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合等方式開(kāi)展課程建設(shè)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)等加強(qiáng)課程的開(kāi)放共享，進(jìn)一步完善運(yùn)行平臺(tái)的兼容性，降低對(duì)硬件配置的要求，以便于教學(xué)資源的開(kāi)放共享。

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