陳楊　紅梅　李斐

［摘 要］ 虛擬仿真課程有效突破了傳統(tǒng)教學(xué)手段的限制，使以能力培養(yǎng)為核心的實(shí)踐教學(xué)理念更好地落實(shí)，將其運(yùn)用到“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)中，不僅可以充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)優(yōu)勢(shì)，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，還可以解決“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)中存在的諸多弊端，為實(shí)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，成為高校培養(yǎng)人才的新模式、新途徑。在課后拓展鞏固階段，教師在線布置拓展任務(wù)，學(xué)生可以利用課后業(yè)余時(shí)間，以學(xué)習(xí)小組為單位到開放實(shí)驗(yàn)室的校級(jí)虛擬平臺(tái)上選擇虛擬實(shí)驗(yàn)的“練習(xí)模式”，完成拓展任務(wù)的操作練習(xí)，鞏固所學(xué)知識(shí)。

［關(guān)鍵詞］ 教學(xué)改革；實(shí)踐教學(xué)；虛擬仿真

［基金項(xiàng)目］ 2021年度內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基于信息化資源的教學(xué)改革——以‘虛擬仿真鑒別土壤肥力為例”（SJJX202107）；2021年度內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程“淋溶性灰褐土土壤剖面觀察”；2021年度內(nèi)蒙古自治區(qū)虛擬仿真一流課程“栗鈣土土壤剖面觀察虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”

［作者簡(jiǎn)介］ 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，碩士生導(dǎo)師，主要從事土壤培肥研究；紅 梅（1970—），女，內(nèi)蒙古烏蘭浩特人，博士，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生院教授，博士生導(dǎo)師（通信作者），主要從事土壤調(diào)查和耕地質(zhì)量提升研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）04-0104-04［收稿日期］ 2022-12-06

一、“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

“土壤學(xué)”是農(nóng)業(yè)類高等院校的專業(yè)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(hù)等各項(xiàng)事業(yè)，是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的重要基礎(chǔ)科學(xué)。課程通過(guò)理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐鍛煉，培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生掌握觀察和認(rèn)知土壤、分析和研究土壤、保護(hù)和利用土壤的知識(shí)及技術(shù)［1］?！巴寥缹W(xué)”實(shí)踐教學(xué)是在“土壤學(xué)”理論課程的基礎(chǔ)上，在野外通過(guò)對(duì)地貌類型、巖石類型、成土母質(zhì)、植被類型與生態(tài)景觀等要素的觀察，明確土壤形成的影響因素；根據(jù)土壤剖面的形態(tài)特征和成土條件，以及土壤化學(xué)性質(zhì)的分析、作物生長(zhǎng)發(fā)育的研究來(lái)鑒別土壤的類型、肥力狀況與存在的問(wèn)題，明確各種形態(tài)特征和土壤性狀所代表的意義以及對(duì)土壤水熱動(dòng)態(tài)和作物生長(zhǎng)的影響，為土壤資源合理利用提供依據(jù)。

土壤剖面觀察是“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)的核心，土壤剖面是環(huán)境條件長(zhǎng)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(dòng)態(tài)和當(dāng)前的生物性狀。因此，熟練掌握土壤剖面觀察的技能是學(xué)生必須具備的實(shí)踐能力。但土壤剖面觀察存在以下問(wèn)題。（1）實(shí)習(xí)地點(diǎn)遠(yuǎn)：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)生到很遠(yuǎn)的野外。（2）時(shí)效性差：土壤學(xué)野外實(shí)習(xí)需要考慮到氣候條件及可操作性，一般只能在6～9月進(jìn)行，在此期間有學(xué)生的正常教學(xué)、考試、放假等事宜，協(xié)調(diào)起來(lái)比較困難。（3）安全系數(shù)低：進(jìn)行野外實(shí)習(xí)時(shí)，需要帶學(xué)生乘車到幾百千米以外的地方，時(shí)間長(zhǎng)、路途遠(yuǎn)，而且在乘車及戶外活動(dòng)中都存在安全隱患，因此，每次實(shí)習(xí)都需要為學(xué)生買保險(xiǎn)以達(dá)到安全保障。（4）生態(tài)破壞性大：剖面觀察需要挖大約2米長(zhǎng)、1.5米寬、2米深的坑，雖然觀測(cè)后又進(jìn)行回填，但是對(duì)土壤及植被的破壞很嚴(yán)重。（5）學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性差：對(duì)于短途乘車也不能觀測(cè)到的土壤類型，教師只能通過(guò)圖片或視頻向?qū)W生展示，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性差，效果不好。基于以上原因，在新型的教學(xué)背景下，探索學(xué)生實(shí)踐技能的培養(yǎng)、提高學(xué)生動(dòng)手能力、加強(qiáng)和完善“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)資源的建設(shè)迫在眉睫。

二、“虛擬仿真”在實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

21世紀(jì)以來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展對(duì)人們的生活產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，同時(shí)對(duì)高?，F(xiàn)代教育產(chǎn)生了影響［2］。教育信息化浪潮為創(chuàng)新教學(xué)方法提供了可能；人才培養(yǎng)新需求為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革注入了動(dòng)力?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”理念深入高校實(shí)踐教學(xué)，為高校教育提供了契機(jī)，同時(shí)是高校課堂教學(xué)的重大變革，為實(shí)踐教學(xué)帶來(lái)了新機(jī)遇［3］。

虛擬仿真是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺、視覺心理學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、立體顯示技術(shù)、傳感與測(cè)量技術(shù)、軟件工程、語(yǔ)音識(shí)別與合成技術(shù)及人工智能技術(shù)等多種高新技術(shù)集成之結(jié)晶［4］，其有效突破了傳統(tǒng)教學(xué)手段限制，使以能力培養(yǎng)為核心的實(shí)踐教學(xué)理念更好地落實(shí)。虛擬仿真從整體上，讓實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)融入“互聯(lián)網(wǎng)+”浪潮［5］；從理念上，突破了傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境和手段的限制；從內(nèi)容上，更扎實(shí)、更全面地對(duì)接了理論教學(xué)；從隊(duì)伍上，使教學(xué)團(tuán)隊(duì)成員背景更加多樣化；從效果上，突出了學(xué)生在教學(xué)環(huán)節(jié)中的主體地位。在全世界范圍內(nèi)，虛擬仿真作為一種信息化教育、教學(xué)手段已經(jīng)得到了較廣泛的應(yīng)用；在我國(guó)各級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)開創(chuàng)了虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用的新局面；已成為高校實(shí)踐教學(xué)的新模式、新路徑、新方向［6］。

基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)階段把虛擬仿真的技術(shù)和平臺(tái)應(yīng)用到“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)，不僅能充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)優(yōu)勢(shì)，提高學(xué)生自主學(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(gè)性化。同時(shí)，可以解決“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)中存在的諸多弊端，為實(shí)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(duì)教學(xué)起到積極作用，為培養(yǎng)應(yīng)用型人才提供基礎(chǔ)［7］。

三、基于“虛擬仿真”的“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)模式的構(gòu)建

虛擬仿真堅(jiān)持以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，以準(zhǔn)確適宜的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，采用創(chuàng)新多樣的教學(xué)方式方法、先進(jìn)可靠的實(shí)驗(yàn)研發(fā)技術(shù)、穩(wěn)定安全的開放運(yùn)行模式，建設(shè)敬業(yè)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍、構(gòu)建持續(xù)改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系，達(dá)到顯著示范的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果［8］。

（一）“虛擬仿真”教學(xué)資源建設(shè)

以內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)校級(jí)開放式虛擬仿真教學(xué)及資源共享平臺(tái)為載體（如圖1所示），采用虛擬技術(shù)手段開發(fā)制作“土壤學(xué)”野外實(shí)習(xí)虛擬仿真項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、土壤、植被等均以3D模型展現(xiàn)，直觀、生動(dòng)；土壤理化性狀、肥力水平等相關(guān)數(shù)據(jù)為野外測(cè)量數(shù)據(jù)或科學(xué)研究取得的數(shù)據(jù)，具有高度仿真性；應(yīng)用該軟件可完成野外實(shí)習(xí)前的預(yù)習(xí)和模擬科研訓(xùn)練。該虛擬仿真系統(tǒng)采用三維仿真技術(shù)，以不同土壤類型為背景，制作了栗鈣土土壤剖面觀察和淋溶性灰褐土土壤剖面觀察兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求和步驟，進(jìn)行土壤剖面地貌類型、巖石類型、成土母質(zhì)、植被類型與生態(tài)景觀等要素的觀察，以及土壤剖面形態(tài)特征的描述，完成內(nèi)蒙古典型土壤類型的野外實(shí)習(xí)。該實(shí)驗(yàn)的典型特點(diǎn)是趣味性、實(shí)踐性強(qiáng)，學(xué)生模擬第一人稱視角在場(chǎng)景中開展野外實(shí)習(xí)調(diào)查實(shí)驗(yàn)，按照系統(tǒng)提供的路徑，場(chǎng)景中依次出現(xiàn)“土壤剖面挖掘”“土壤剖面觀察”“土壤剖面回填”三個(gè)模塊，每個(gè)模塊都包含多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，三個(gè)模塊逐層遞進(jìn)，前面模塊是后續(xù)內(nèi)容的基礎(chǔ)；土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、土壤根系、土壤酸堿度等環(huán)節(jié)均具有清晰、逼真、動(dòng)態(tài)的3D效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能。

（二）“虛擬仿真”教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)

團(tuán)隊(duì)集合了農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境專業(yè)“土壤學(xué)”課程組所有的教師力量，教師年齡結(jié)構(gòu)、職稱結(jié)構(gòu)和梯隊(duì)建設(shè)合理，并逐步形成了“核心教師—骨干教師—年輕教師”的三級(jí)梯隊(duì)。核心教師負(fù)責(zé)制定和修訂課程標(biāo)準(zhǔn)，并帶領(lǐng)年輕教師充分運(yùn)用新技術(shù)、新理念制作并實(shí)時(shí)改進(jìn)“虛擬仿真”教學(xué)資源，保障在線課程的有效性與實(shí)用性；骨干教師進(jìn)行課前集體備課和教學(xué)設(shè)計(jì)；年輕教師負(fù)責(zé)在在線開放課程平臺(tái)上開展教學(xué)內(nèi)容的發(fā)布、課程的維護(hù)、討論區(qū)提問(wèn)與實(shí)時(shí)答疑、在線輔導(dǎo)、在線作業(yè)批閱等工作。教師隊(duì)伍中86%的教師具有博士學(xué)位，教師平均年齡為45歲，是以青年教師為主力軍的年輕化教學(xué)團(tuán)隊(duì)。教學(xué)團(tuán)隊(duì)的教師教學(xué)、科研都要抓且都要硬，實(shí)現(xiàn)教學(xué)與科研相長(zhǎng)的平衡局面，將科研成果和科研思維引入教學(xué)，實(shí)現(xiàn)科研反哺教學(xué)，并將課程思政引入虛擬仿真教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀。

（三）構(gòu)建全過(guò)程多元化考核評(píng)價(jià)體系

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)考核評(píng)價(jià)體系遵循多元主體、多元形式和多元維度之間的相互作用，通過(guò)不同評(píng)價(jià)主體、評(píng)價(jià)方式、評(píng)價(jià)內(nèi)容和評(píng)價(jià)形式對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果展開評(píng)價(jià)，有利于保障虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提升［9］?？己擞蓪?shí)驗(yàn)過(guò)程評(píng)定、實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)定及課后習(xí)題三部分組成，每一部分有獨(dú)立的評(píng)判指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程評(píng)定占總成績(jī)的40%、實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)定占40%、課后習(xí)題占20%。第一部分實(shí)驗(yàn)過(guò)程評(píng)定主要考核學(xué)生的實(shí)驗(yàn)態(tài)度和實(shí)踐能力，實(shí)驗(yàn)態(tài)度包括出勤率、課前預(yù)習(xí)等，實(shí)踐能力包括對(duì)實(shí)驗(yàn)的操作能力、實(shí)驗(yàn)的掌握程度等；第二部分實(shí)驗(yàn)完成后進(jìn)行結(jié)果評(píng)定，包括教師評(píng)定和實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)定，任課教師根據(jù)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的表現(xiàn)、解決問(wèn)題的能力給予一定的成績(jī)，并且結(jié)合學(xué)生最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)判；第三部分課后習(xí)題，學(xué)生通過(guò)作答習(xí)題完成該部分的考核。該評(píng)價(jià)體系實(shí)現(xiàn)了以評(píng)輔教、以評(píng)促學(xué)，充分激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)涵式發(fā)展。

四、基于“虛擬仿真”的“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)模式的實(shí)施

虛擬仿真的目的是讓學(xué)生成為“教”“學(xué)”過(guò)程的中心和主體。首先，讓知識(shí)“活”起來(lái)，用新形式提高學(xué)生興趣；其次，讓學(xué)生“走”進(jìn)來(lái)，利用互動(dòng)功能增強(qiáng)學(xué)生參與的積極性；再者，讓師生“動(dòng)”起來(lái)，促進(jìn)師生交流，推動(dòng)課程改革；最后，讓教學(xué)過(guò)程“歡樂”起來(lái)，寓教于樂。

“土壤學(xué)”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)任務(wù)實(shí)施的整個(gè)過(guò)程包括課前自主預(yù)習(xí)階段、課中互動(dòng)學(xué)習(xí)階段、課后拓展鞏固階段，以及貫穿整個(gè)任務(wù)實(shí)施過(guò)程的多元化考核評(píng)價(jià)和多維度教學(xué)反饋環(huán)節(jié)。在課前自主預(yù)習(xí)階段，教師通過(guò)虛擬平臺(tái)在線布置預(yù)習(xí)任務(wù)，明確教學(xué)目標(biāo)；學(xué)生領(lǐng)取預(yù)習(xí)任務(wù)書后，登錄校級(jí)在線開放課程平臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)預(yù)習(xí)，有疑問(wèn)的可以在討論區(qū)交流。在課中互動(dòng)學(xué)習(xí)階段，以學(xué)生為中心，教師是引導(dǎo)者、組織者，教師講解實(shí)驗(yàn)的目的、原理、知識(shí)點(diǎn)、操作步驟與注意事項(xiàng)，學(xué)生經(jīng)過(guò)小組分析、討論，共同解決問(wèn)題。學(xué)生掌握知識(shí)點(diǎn)后，在虛擬平臺(tái)上進(jìn)行操作練習(xí)，在操作過(guò)程中如有疑問(wèn)，可以通過(guò)在線開放課程平臺(tái)上的操作演示視頻尋求解決方法，也可以向教師或其他學(xué)生請(qǐng)教，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)操作后，需要撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告并完成心得體會(huì)，教師在學(xué)生操作過(guò)程中巡回指導(dǎo)、示范答疑。在任務(wù)實(shí)施后，及時(shí)完成學(xué)生自評(píng)、組內(nèi)和組間互評(píng)以及教師評(píng)價(jià)。

結(jié)語(yǔ)

將虛擬仿真引入“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，通過(guò)建設(shè)虛擬仿真教學(xué)資源、教學(xué)團(tuán)隊(duì)，考核評(píng)價(jià)體系，構(gòu)建了“土壤學(xué)”實(shí)踐教學(xué)新模式，不僅解決了實(shí)踐教學(xué)中存在的問(wèn)題，而且極大地發(fā)揮了學(xué)生的主動(dòng)性，成為高校培養(yǎng)人才的新方向。

參考文獻(xiàn)

［1］徐秋芳，姜培坤，錢新標(biāo).高等林業(yè)院校土壤學(xué)課程實(shí)踐教學(xué)改革研究［J］.中國(guó)林業(yè)教育，2004（5）：66-67.

［2］郭哲，張晶.“互聯(lián)網(wǎng)+”視域下開放式課堂教學(xué)改革的困境與破局［J］.現(xiàn)代教育技術(shù)，2021，31（8）：85-91.

［3］陳麗，鄭勤華，林世員.“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代中國(guó)開放大學(xué)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)［J］.開放教育研究，2017，23（1）：15-20.

［4］張敏，文福安，劉俊波.高質(zhì)量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程內(nèi)涵和特征［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2022，39（3）：1-4.

［5］鐘紹春，唐燁偉.人工智能時(shí)代教育創(chuàng)新發(fā)展的方向與路徑研究［J］.電化教育研究，2018，39（10）：15-20+40.

［6］逯行，朱陶，徐晶晶，等.高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本問(wèn)題與趨勢(shì)［J］.現(xiàn)代教育技術(shù)，2021，31（12）：61-68.

［7］王宏宇，丁建寧，許楨英，等.虛實(shí)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)狀分析與發(fā)展探究［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2021，38（7）：11-16.

［8］吉東風(fēng)，李海燕，成何珍，等.國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)驗(yàn)及思考［J］.教育教學(xué)論壇，2020（42）：390-392.

［9］張敏，周勇義，劉金庫(kù)，等.高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程應(yīng)用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究［J］.中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2022（15）：1-6.

Exploration on Practical Teaching of Soil Science in Universities： Application of “Virtual Simulation” in Soil Profile Observation

CHEN Yang1，2， HONG Mei2，3， LI Fei1，2

（1. College of Grassland， Resources and Environment， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot， Inner Mongolia 010011， China; 2. Experimental Teaching Center of Soil and Plant Nutrition in Inner Mongolia Autonomous Region， Hohhot， Inner Mongolia 010011， China; 3. Graduate School， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot， Inner Mongolia 010019， China）

Abstract： The virtual simulation course effectively breaks through the limitation of traditional teaching methods， and makes the practice teaching idea with ability training as the core better implemented. Applying virtual simulation to the practical teaching of Soil Science can not only give full play to the advantages of network teaching， improve learners autonomous learning ability， but also solve many problems existing in the practice teaching， establish new teaching methods and create new teaching environment for practice teaching， which has become a new mode and new way for colleges and universities to cultivate applied talents. In the stage of after-class expansion and consolidation， teachers assign expansion tasks online， and students use their spare time after class to go to the school-level virtual platform of the open laboratory， choose the “practice mode” of the virtual experiment， complete the operation exercises of the expansion task， and consolidate the knowledge they have learned.

Key words： teaching reform; practice teaching; virtual simulation