高校“土壤学”实践教学模式探索

     —“虚拟仿真”在土壤剖面观察中的应用

陈 杨^1,2 ，红 梅^1,2,3 ，李 斐^{1,2  4版}

（1. 内蒙古农业大学草原与资源环境学院，内蒙古 呼和浩特 010011；2.内蒙古自治区土壤与植物营养实验教学中心，内蒙古 呼和浩特 010011；3.内蒙古农业大学研究生院，内蒙古 呼和浩特 010019）

[摘  要]：虚拟仿真课程有效突破了传统教学手段限制，使以能力培养为核心的实践教学理念更好落实，其运用到《土壤学》实践教学中，不仅充分发挥网络教学优势、提高学习者自主学习能力，还可以解决《土壤学》实践教学中存在的诸多弊端，为实践教学建立新型的教学方式、创设新型的教学环境，成为高校培养人才的新模式、新途径。在课后拓展巩固阶段，教师在线布置拓展任务，学生利用课后的业余时间以学习小组为单位到开放实验室的校级虚拟平台上，选择虚拟实验的“练习模式”，完成拓展任务的操作练习，巩固所学知识。

[关键词]：教学改革；实践教学；虚拟仿真

[基金项目]：2021年内蒙古农业大学教育教学改革研究项目：“基于信息化资源的教学改革—以“虚拟仿真”鉴别土壤肥力为例”（SJJX202107）；2021年内蒙古农业大学虚拟仿真实验教学一流课程—淋溶性灰褐土土壤剖面观察【项目编号无】；2021年内蒙古自治区虚拟仿真一流课程—栗钙土土壤剖面观察虚拟仿真实验【项目编号无】。

[作者简介]：陈杨（1980-），女，内蒙古包头市，博士，内蒙古农业大学草原与资源环境学院副教授，硕士生导师，主要从事土壤培肥的教学与科研；红梅（1970-）女 ，内蒙古乌兰浩特市，博士，内蒙古农业大学草原与资源环境学院教授（通讯作者），博士生导师，主要从事土壤调查和耕地质量提升的教学与科研。

[中图分类号]：G642   [文献标识码]：A   

1 《土壤学》实践教学现状

土壤学是农业类高等院校的专业基础课，广泛应用和服务于农林业可持续发展、环境生态建设、区域治理、资源利用与环境保护等各项事业，是关系到国计民生的重要基础科学。课程通过理论学习和实践锻炼，培养和训练学生掌握观察和认知土壤、分析和研究土壤、保护和利用土壤的知识和技术^[1]。《土壤学》实践教学是在《土壤学》理论课程的基础上，在野外通过地貌类型、岩石类型、成土母质、植被类型与生态景观等要素的观察，明确土壤形成的影响因素；根据土壤剖面的形态特征和成土条件以及土壤化学性质的分析、作物生长发育的研究来鉴别土壤的类型、肥力状况以及存在问题，明确各种形态特征和土壤性状所代表的意义、对土壤水热动态和作物生长的影响，为土壤资源合理利用提供依据。

土壤剖面观察是《土壤学》实践教学的核心，土壤剖面是环境条件长期作用下物质变化的结果，是土壤内在性质的综合表征，不同的剖面形态，反映了土壤中历史上相应的水热动态和当前的生物性状。因此，熟练掌握土壤剖面观察的技能就成为学生必须具备的实践能力。但土壤剖面观察存在以下问题：（1）实习地点远：土壤的分布具有地域性，想找到具有代表性的典型土壤，就需要带学生到很远的野外才能实现。（2）时效性差：土壤学野外实习需要考虑到气候条件及可操作性，一般只能在6-9月进行，而这个期间有学生的正常教学、考试、放假等事宜，协调比较困难。（3）安全系数低：进行野外实习时，需要带学生乘车到几百公里以外，时间长、路途远，而且在乘车及户外活动中都存在安全隐患，因此每次实习都需要为学生买保险以达到安全保障。（4）生态破坏性大：剖面观察需要挖大约2米长、1.5米宽、2米深的一个坑，虽然观测后又进行回填，但是对土壤及植被的破坏很严重。（5）学生学习主动性差：对于短途乘车都不能观测到的土壤类型，老师只能通过图片或视频向学生展示，学生学习积极性差，效果不好。基于以上原因，在新型的教学背景下，探索学生实践技能的培养、提高学生动手能力、加强和完善《土壤学》实践教学资源的建设迫在眉睫。

2 “虚拟仿真”在实践教学应用中的优势

21世纪以来，互联网技术的飞速发展对人们的生活产生了深远的影响，同时也对高校现代教育产生了影响^[2]。教育信息化浪潮为创新教学方法提供了可能；人才培养新需求为实验教学改革注入了动力。“互联网+”理念深入到高校实践教学中，为高校教育提供了契机，同时也是高校课堂教学的重大变革，为实践教学带来了新机遇^[3]。

虚拟仿真是计算机图形学、计算机视觉、视觉心理学、仿真技术、多媒体技术、立体显示技术、传感与测量技术、软件工程、语音识别与合成技术及人工智能技术等多种高新技术集成之结晶^[4]，其有效突破了传统教学手段限制，使以能力培养为核心的实践教学理念更好落实。虚拟仿真从整体上，让实验实践教学融入“互联网+”浪潮^[5]；从理念上，突破了传统教学环境和手段的限制，从内容上，更扎实、更全面地对接了理论教学，从队伍上使教学团队成员背景更加多样化，从效果上，突出了学生在教学环节的主体地位。在全世界范围内，虚拟仿真作为一种信息化教育、教学手段已经在世界范围内得到了较广泛的应用；在我国各级虚拟仿真实验教学中心建设开创了虚拟仿真技术在实验实践教学中应用的新局面；已成为高校实践教学的新模式、新路径、新方向^[6]。

基于虚拟仿真实验的优势，现阶段把虚拟仿真的技术和平台，应用到《土壤学》实践教学中不仅充分发挥网络教学优势、提高学习者自主学习能力，还能提升教师和学生的信息素养，使教育更加人性化与个性化；而且还可以解决《土壤学》实践教学中存在的诸多弊端，为实践教学建立新型的教学方式、创设新型的教学环境，还可助推教师角色转换，对教学起到积极的作用，为培养应用型人才提供基础^[7]。

3 基于“虚拟仿真”的《土壤学》实践教学模式的构建

虚拟仿真坚持以学生为中心的实验教学理念，以准确适宜的实验教学内容为基础，采用创新多样的教学方式方法、先进可靠的实验研发技术、稳定安全的开放运行模式，建设敬业专业的实验教学队伍、构建持续改进的实验评价体系，达到显著示范的实验教学效果^[8]。

3.1“虚拟仿真”教学资源建设

以内蒙古农业大学校级开放式虚拟仿真教学及资源共享平台为载体，采用虚拟技术手段开发制作《土壤学》野外实习虚拟仿真项目，实验场景、土壤、植被等均以3D模型展现，且直观、生动；土壤理化性状、肥力水平等相关数据为野外测量数据或科学研究取得的数据，具有高度仿真性；应用该软件可完成野外实习前的预习和模拟科研训练。该虚拟仿真系统采用三维仿真技术，以不同土壤类型为背景，制作了栗钙土土壤剖面观察和淋溶性灰褐土土壤剖面观察2个实验，根据实验要求和步骤，进行土壤剖面地貌类型、岩石类型、成土母质、植被类型与生态景观等要素的观察，以及土壤剖面形态特征的描述，完成内蒙古典型土壤类型的野外实习。该实验的典型特点是趣味性、实践性强，学生模拟第一人称视角在场景中开展野外实习调查实验，按照系统提供的路径，场景中依次出现“土壤剖面挖掘”、“土壤剖面观察”、“土壤剖面回填”三个模块，每个模块都包含多个知识点，三个模块逐层递进，前面模块是后续内容的基础；土壤质地、土壤结构、土壤根系、土壤酸碱度等环节均具有清晰、逼真、动态的3D效果，激发学生的学习兴趣和潜能。

图1 虚拟仿真实验登录平台

3.2“虚拟仿真”教学团队建设

团队集合了农业资源与环境专业《土壤学》课程组所有教师力量，教师年龄结构、职称结构和梯队建设合理，并逐步形成了“核心教师-骨干教师-年轻教师”的三级梯队。核心教师负责制订和修订课程标准，并带领年轻教师充分运用新技术、新理念制作并实时改进“虚拟仿真”教学资源，保障在线课程的有效性与实用性；骨干教师进行课前集体备课和教学设计；年轻教师负责在线开放课程平台上教学内容的发布、课程的维护、讨论区提问与实时答疑、在线辅导、在线作业批阅等工作。教师队伍中86%教师具博士学位，教师的平均年龄为45岁，是以青年教师为主力军的年轻化教学团队。教学团队的教师教学、科研都要抓、都要硬，实现教学与科研相长的平衡局面，将科研成果和科研思维引入教学中，实现科研反哺教学，并将课程思政引入虚拟仿真教学中，引导学生树立正确的世界观、人生观、价值观。

3.3构建全过程多元化考核评价体系

虚拟仿真实验考核评价体系遵循多元主体、多元形式和多元维度之间的相互作用，通过不同评价主体、评价方式、评价内容和评价形式对实验教学效果展开评价，有利于保障虚拟仿真实验教学质量提升^[9]。考核由实验过程评定、实验结果评定及课后习题三部分组成，每一部分有独立的评判指标，实验过程评定占总成绩的40%、实验结果占40%、课后习题占20%。第一部分实验过程评定，主要考核学生的实验态度和实践能力，实验态度包括出勤率、课前预习等，实践能力包括对实验的操作能力、实验的掌握程度等；第二部分实验完成后进行结果评定，包括教师评定和实验结果评定，任课教师根据学生在实验过程中的表现、解决问题的能力给与一定的成绩，并且结合学生最终的实验结果进行评判；第三部分课后习题，学生通过作答习题完成该部分的考核。该评价体系实现了以评辅教、以评促学，充分激发学生的学习积极性，增强学生的创新创造能力，促进实验教学内涵式发展。

4 基于“虚拟仿真”的《土壤学》实践教学模式的实施

虚拟仿真的目的是让学生成为“教”、“学”过程的中心和主体，首先让知识“活”起来：用新形式提高学生兴趣；其次让学生“走”进来：利用互动功能增强学生参与；再者让师生“动”起来：促进师生交流，推动课程改革；最后让教学过程“欢乐”起来：寓教于乐。

《土壤学》虚拟仿真实验任务实施的整个过程包括课前自主预习阶段、课中互动学习阶段、课后拓展巩固阶段，以及贯穿于整个任务实施过程的多元化考核评价和多维度教学反馈环节。在课前自主预习阶段，教师通过虚拟平台在线布置预习任务，明确教学目标；学生领取预习任务书后，登录校级在线开放课程平台进行网络预习，有疑问的在讨论区交流。在课中互动学习阶段，以学生为中心，教师是引导者、组织者，教师讲解实验的目的、原理、知识点、操作步骤、注意事项，学生经过小组分析、讨论，解决问题。学生掌握知识点后，在虚拟平台上进行操作练习，在操作过程中如有疑问，可以通过在线开放课程平台上的操作演示视频寻求解决方法，也可以向教师或者其他学生请教，学生完成实验操作后，需要撰写实验报告并完成心得体会，教师在学生操作过程中巡回指导、示范答疑。在任务实施后，及时完成学生自评、组内和组间互评以及教师评价。

5 总结

将虚拟仿真引入到《土壤学》实践教学中具有重要的现实意义，通过建设虚拟仿真教学资源、教学团队，考核评价体系，构建了《土壤学》实践教学新模式，不仅解决了实践教学中存在的问题，而且极大的发挥了学生的主动性，成为高校培养人才的新方向。在新冠疫情防控期间，为响应教育部“停课不停学”的号召，《土壤学》虚拟仿真实验为学生提供线上自主学习服务，实验完成人数达两千余人，起到了良好的线上教学示范作用，保证疫情防控期间的教学进度和教学质量。

[参考文献]

[1]徐秋芳,姜培坤,钱新标.高等林业院校土壤学课程实践教学改革研究[J].中国林业教育,2004(5):66-67.

[2]郭哲,张晶.“互联网+”视域下开放式课堂教学改革的困境与破局[J].现代教育技术,2021,31(8):85-91.

[3]陈丽,郑勤华,林世员.“互联网+”时代中国开放大学的机遇与挑战[J].开放教育研究,2017,23(1):15-20.

[4]张敏,文福安,刘俊波.高质量虚拟仿真实验教学课程内涵和特征[J].实验技术与管理,2022,39(3):1-4.

[5]钟绍春,唐烨伟.人工智能时代教育创新发展的方向与路径研究[J].电化教育研究,2018,39(10):15-20+40.

[6]逯行,朱陶,徐晶晶,张丽萍.高校虚拟仿真实验教学的基本问题与趋势[J].现代教育技术,2021,31(12):61-68.

[7]王宏宇,丁建宁,许桢英,刘会霞.虚实结合实践教学的现状分析与发展探究[J].实验技术与管理,2021,38(7):11-16.

[8]吉东风,李海燕,成何珍,吴震,张炜.国家级虚拟仿真实验教学项目建设经验及思考[J].教育教学论坛,2020(42):390-392.

[9]张敏,周勇义,刘金库,王思源,文福安.高校虚拟仿真实验教学课程应用评价指标体系研究[J].中国现代教育装备,2022(15):1-6.

Exploration on Practical Teaching of ' Soil Science ' in Universities

- Application of ' virtual simulation ' in soil profile observation

Chen Yang^1,2，Hong Mei^1,2,3，Li Fei^1,2

(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 disadvantages existing in the practice teaching of 'Soil Science ', 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;