虚拟仿真实验教学培养创新实践型人才的探索—以福建农林大学《海峡特色园艺植物工厂化栽培虚拟仿真实验项目》为例

钟凤林 侯毛毛 申宝营 福建农林大学园艺学院 陈竞楠 福建农业职业技术学院

近年来，党中央、国务院高度重视教育信息化工作。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》指出，“信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视”，并把“加快教育信息化进程”单独作为一部分进行了专门的阐述。虚拟仿真实验教学的本质特征是应用信息技术，创造探索性和实践型学习的开放平台，提升人才培养质量，同时为现代化实验教学改革增添助力。

由于受到实验场地、资金投入的限制，高校难以为植物学、生态学、工程学等不少学科的学生提供与真实操作现场完全一致的场景[6-8]。为了提升学生实践能力，许多时候学校将学生送入企业学习或在学校内进行轮班实践，这一方面给平时的课程安排造成不便，另一方面影响企业的正常生产，很多大型精密仪器没有经过培训让学生上手操作，极易损坏仪器造成严重经济损失。而虚拟仿真技术可以为学生模拟真实的现场条件，学生经过虚拟仿真软件培训合格后方可上机操作，有效实现了理论知识学习到现场实践操作之间的柔性过渡。本研究拟以福建农林大学园艺学院《海峡特色园艺植物工厂化栽培虚拟仿真实验项目》为例，系统全面地分析项目建设背景和目的、建设过程和建设成效，以期为类似学科创新实践型人才培养提供理论和实践依据。

1 项目建设背景与目的

1.1 培养服务于地方经济发展和国家战略需求的创新实践型园艺人才

台湾和福建有天然的地理优势，经济合作有深厚的潜力。“一带一路”倡议以来，闽台两地抓住历史机遇，在产业规划和经贸往来上取得了积极进展。园艺产业是闽台经济贸易和科技交流的关键产业，在福建和台湾农业产业结构中均占据重要地位，目前台商在闽投资园艺产业已初具规模。福建农林大学园艺学院具有一级学科“园艺学”博士后流动站，在园艺专业人才的培养上备受关注。作为传统优势及重点学科，福建农林大学园艺专业为福建省园艺产业发展和人才输送提供了有力保障，也是未来闽台园艺产业合作中人才培养的主力军。因此，在“一带一路”战略、“乡村振兴”计划和闽台园艺产业合作机遇的大框架下，依托福建省园艺产业特色和福建农林大学园艺学科优势，将真实企业项目、教师科研项目、大学生创新创业项目转化成为了虚拟仿真教学项目，促进“虚拟教学-现实教学-科学研究-实践应用”相互转化和相互融合，培养服务于地方经济发展和国家战略需求的创新实践型园艺人才。

1.2 突破传统教学在实验周期、教学场地、设备数量等方面的局限

福建农林大学园艺学院设施农业科学与工程系设有专业核心课程《设施农业控制技术与装备》及配套实验，面向设施专业大学三年级学生。然而，在植物工厂化栽培实验中，受到教学场地、时间、设备数量等多方面限制，教学实施上存在真实条件不具备、难以达到教学效果的问题。如（1）栽培装置实物高度高且体积大，水路电路系统交织繁杂，搭建和装配过程存在安全隐患；（2）装置台套数少，不能满足本专业所有学生同时开课的需求；（3）园艺植物生长周期长，难以实时观察营养液性质变化和植物发育动态；（4）教学准备、维护和还原的工作量大，给教学管理带来较大困难。

鉴于此，在已有课程的基础上，项目以培养学生实践能力和创新思维为目标，以虚实结合、能实不虚、互为补充、示范辐射和社会共享为指导思想，以闽台特色园艺植物为试验材料，借助虚拟仿真、网络通讯、人机交互和多媒体技术，建设“海峡特色园艺植物工厂化栽培”虚拟仿真实验项目。项目融合现代互联网+教育、多样化教学、在线教学和虚拟实验仿真，营造学生自主性学习、研究性学习和探索性学习氛围。不仅可降低实验教学成本，打破传统实验教学过程中的时间、场地、设备数量制约，实现随时随地学习，而且有利于《设施植物栽培学》《设施植物营养学》《设施农业控制技术与装备》《无土栽培》《花卉栽培学》《园艺疗法》和《植物遗传育种》等多课程资源共享，帮助学生知识点串联和知识体系构建，强化学生学习效果。

项目通过2个模块实验，具体达到以下目的：（1）园艺植物栽培设施搭建模块。要求学生掌握栽培设施各零部件的用途及安装要点，及掌握环境控制装备的功能、选型和安装方法；（2）园艺植物工厂化生产模块。要求学生掌握闽台特色园艺植物的生长习性及环境参数设定方法，及掌握生产过程中营养液理化性质变异的原因及解决途径。

2 项目建设与实施

2.1 项目知识点设计与项目建设

植物工厂设计目前还未有统一的国家技术规范，用人单位对该方面的人才需求量又非常大。鉴于此，项目团队走访数十家植物工厂生产企业，考察其对本专业人才理论和实践技能的要求。大部分企业均要求学生具备植物工厂设计、建设、生产及商品化选择全过程的知识能力，即在给定的生产空间内实现从“无”到“有”。鉴于此，本项目以不同类型的3种闽台特色作物—中草药作物金线莲、蔬菜作物青梗菜和花卉作物蝴蝶兰为材料，设计2大模块共10个知识点。

模块1为植物生产模块，具体包括栽培设施搭建→营养箱选型→空调选型→环境控制装备安装。主要步骤的操作要点和参数如下：

(1）栽培设施搭建（图1-a）

①栽培槽安装：将零部件箱中的栽培槽安装至正确位置，要求注意栽培槽应按照一定比例倾斜，倾斜角度以不影响进水侧植物种植为前提。

②进水口安装：进水口应安装于设计液面上方，防止系统关闭时虹吸原理造成营养回流，损坏水泵甚至导致短路。

③进出水管安装：出水管管径应满足所有分出水管出水流量总和的要求。

④泡沫/塑料板安装：泡沫/塑料板应安装于设计液面以上1-3cm位置，防止缺氧胁迫阻碍根系生长发育。

(2）营养箱选型（图1-b）

①营养箱理论体积计算：为保证正常循环，营养箱理论体积应为各栽培层营养液体积之和，计算方法如下：

式中，V为营养箱理论体积（cm3），n为栽培槽层数，Li为栽培槽底面长度（cm），Wi为栽培槽底面宽度（cm），Hi为设计液面高度（cm）。

②营养箱最小体积计算：实际生产中，营养箱容积设计应当考虑水泵进水口与营养箱底面的距离，及进出水管道内营养液体积，因此营养箱最小体积计算方法如下：

式中，Vmin为营养箱最小体积（cm3），Vd为水泵进水口所在平面与营养箱底面形成的体积（cm3），Vp为进出水管道容积总和（cm3）。

③营养箱选型和安装：必须选择大于营养箱最小体积的营养箱，安装于正确位置。

(3）空调选型（图1-c）

①空调最小制冷（热）量计算：根据不同作物生长需要计算单位面积制冷（热）量，结合空间大小计算出空调制冷（热）量，制冷（热）量加上10%的富余量即为空调最小制冷（热）量。

②空调选型和安装：空调匹数应满足最小制冷（热）量需求，安装在屋顶中央，以均匀地对植物工厂进行增温降温。

（4）环境控制装备安装（图1-d）

将温度、湿度、CO2传感器均匀安装于墙体中部，防止安装高度过高或过低造成误报警。补光LED灯设置应考虑光照均匀度，过道侧LED灯布置相对密集。

图1 植物工厂搭建模块虚拟仿真

模块2为植物生产模块，具体操作步骤包括进场消毒→环境参数设置→营养液配制→营养液性质测定→突发情况处理→园艺植物商品化选择。

(1）进场消毒（图2-a）

进场前更换防护服和脚套，在手上喷洒消毒液，进入风淋室吹走身上灰尘并喷洒消毒水消毒。同时控制室内的消毒装置设定消毒时间进行整个植物工厂的消毒。室内紫外线消毒照射时间不少于30min，操作者在关闭闭紫外线灯15-20min后再进入室内。

(2）环境参数设置（图2-b）

①金线莲：EC值1Ms/cm，pH5.0-6.0，温度 20-30℃，光强3000-4000lux。

②青梗菜：EC值 2Ms/cm，pH6.0-7.0，温度15-25℃，补充二氧化碳。

③蝴蝶兰：EC值1Ms/cm，pH5.5-6.0，温度25-28℃，光强11000lux。

（3）营养液配制（图2-c）

①金线莲：通过最优硝铵配比计算每升营养液中应加入多少硝酸钾、四水合硝酸钙和硝酸铵。金线莲最佳硝铵态氮配比是6：1，每升营养液硝态氮6mmol/L，铵态氮1mmol/L,最适合金线莲生长。因此，计算可得硝酸钾添加量350mg/L，四水合硝酸钙472mg/L，硝酸铵30mg/L。

②青梗菜：青梗菜最佳硝铵态氮配比是7：1，每升营养液硝态氮14mmol/L，铵态氮2mmol/L,最适合青梗菜生长。因此，计算可得硝酸钾添加量607mg/L，四水合硝酸钙945mg/L，磷酸铵230mg/L。

③蝴蝶兰：蝴蝶兰的最佳硝铵态氮配比是4：1，每升营养液硝态氮4mmol/L，铵态氮1mmol/L，最适合蝴蝶兰的生长。因此，计算可得硝酸钾添加量177mg/L，四水合硝酸钙354mg/L，硫酸铵132mg/L。

（4）营养液性质测定（图2-d）

利用pH/EC测定仪测定营养液pH值和EC值，并观测其动态变化。

（5）突发情况处理（图2-e）

正常情况下营养液EC值逐渐下降，pH逐渐升高由弱酸性变为弱碱性。

①EC值不正常升高：配制营养液时药剂未完全溶解，植物生长过程中逐渐溶解导致EC值异常升高，此时加水稀释。

②pH值不正常下降：考虑出现根系腐烂等情况，此时及时更换营养液并筛去烂根植物。

(6）园艺植物商品化选择（图2-f）

出现多株植物的3D立体图，根据采收标准选择满足商品化要求的园艺植物。

图2 海峡特色植物生产模块虚拟仿真

2.2 项目实施

课程之前，学生对虚拟平台和虚拟软件中的实验教学内容进行预习和试操作。课程开始，教师在多媒体实验室演示虚拟教学平台中的虚拟软件，学生正式进入实验学习，学习难点的解答和互动通过网络平台中的在线答疑功能进行。模块一（园艺植物栽培设施搭建）虚拟实验完成并测试合格后，学生可进行预约实验，按照预约时间和地点进入实验室，在15：1缩小的微型植物工厂模型中完成生产装置的搭建和安装调试。模块二（园艺植物工厂化生产模块）虚拟实验完成并测试合格后，学生可预约进入实验室配制营养液和测定营养液理化性质。

虚拟实验结束后，教师根据学生提交的试验报告在线评分并及时反馈成绩，学生在第一时间纠错和总结，并将虚拟仿真中获取的知识和培训经验应用于实体实验。教师根据虚拟实验和实体实验结果分别给予成绩和对应说明，按照比例给予总分。学生可在虚拟软件中的反复练习，通过虚实结合的方式充分培养实践能力和创新思维。

3 实施效果分析

(1）提升了学生参与度。本虚拟仿真实验项目不受设备数量的限制，每位学生都可“人手一台”进行独立操作。

(2）消除了安全隐患。植物工厂生产设备高度高、体积大、水路电路交织繁杂，操作不当极易引发安全事故，本虚拟仿真项目的引入使实验过程完全消除了安全隐患。

(3）提高了学习兴趣、激发了学习热情。本虚拟仿真实验教学中现代化的教学方式和探索性的学习引导有利于学生提高学习兴趣、激发学习热情、养成自主学习习惯、培养创新能力。

(4）促进理论和实践紧密结合，有效强化了学习效果。该虚拟仿真项目完全模拟企业生产的真实场景，使学生掌握“栽培设施搭建-调控设备安装-环境参数设定-营养液配制-植物生长监控-商品化选择”一整套园艺植物工厂化生产流程，打破实验教学过程中的时空限制，真正实现理论和实践高度结合。

为了更好地观察实施效果，本研究选取72位本专业学生进行试验。试验将学生分为AB两组，每组36人。所有学生在实验操作前均经过理论知识课堂学习，A组经过虚拟仿真软件测试合格后进入实验室操作，B组直接进入实验室操作。植物工厂建设和特色植物生产两大模块共10个大知识点，23个分知识点，本研究以分知识点操作出错率为评价指标进行数据统计和分析，结果如图3所示。从图3可以看出，经过虚拟仿真实训的A组出错率明显低于B组，A组平均出错率仅为9.1%，而B组出错率高达38.8%。

图3 操作出错率统计

4 结语

企业实际生产设计较多贵重精密仪器和装置，这对高校实践型人才的培养提出了更高的要求。以植物工厂为例，在实际操作中，栽培设施搭建过程出现错误极易引发安全事故，环境参数设置错误将造成重大经济损失。因此，如何提高学生实验操作的准确性、提升学生实践技能成为当前实验课程亟待解决的关键问题。从本研究中可看出，《海峡特色园艺植物工厂化栽培虚拟仿真实验项目》的打造有效解决了学生进入企业之前的培训问题，经过虚拟仿真实训后操作出错率大幅降低。项目的顺利运行突破了传统实验装置台套数、试验场地、教学管理、经费投入等一系列限制，在现代创新实践型园艺人才培养中取得了积极的效果。

本项目的实施可为其他学科虚拟仿真软件的开发提供一定参考，笔者认为，虚拟仿真项目可解决很多学科的现实问题，如生态学专业学生难以进入生态脆弱的国家保护区进行实地考察、建筑专业学生进入正在建设中的高层楼房存在安全隐患、核科学专业学生操作不当易引发生命安全事故、医学专业学生在进入工作前较难获得与工作中一致的培训条件等。总之，国家大政策鼓励的背景下，虚拟仿真实验教学项目必将承担更多的教学任务，发挥更加关键的作用。