滴灌施药导向控制害虫虚拟仿真教学系统的设计与应用

伍欣宙 吴瀚翔 张志祥 徐汉虹

摘  要：华南农业大学植物保护专业围绕实践教学体系的建设，坚持“科研反哺教学、绿色开发共享”的理念建设滴灌施药导向控制害虫虚拟仿真教学系统。利用虚拟现实、计算机网络、多媒体等技术完成虚拟仿真实验教学系统的建设，实现了虚拟仿真平台和校内外实践教学基地的相互补充、相互支持。实践表明，虚拟仿真实验教学系统的建设能有效地提高植物保护专业实践教学效果，解决了滴灌施药实验在时间、空间、自主性等方面的限制，强化了学生的素质培养。

关键词：虚拟仿真;实践教学;滴灌施药;植物保护

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2021）15-0105-04

Abstract： The plant protection major in South China Agricultural University focuses on the construction of practical teaching system with the concept of "scientific researches feedback teaching， green development， and sharing"， and establishes a virtual simulation teaching system for pest control guided by drip irrigation. In virtue of virtual reality， compute network， multi-media and other techniques， the virtual simulation based experimental teaching system was constructed， facilitating to mutual complementation and supports between the virtual simulation platforms and the practice teaching bases inside and outside the school. The practical results reveal that the construction of virtual simulation based experimental teaching system can greatly improve the practice teaching effects for plant protection major. Taken together， it solve the limitation of time， space， and autonomy in conventional drip irrigation experiments， which strengthens the quality training of students.

Keywords： virtual simulation， practical teaching， drip irrigation， plant protection

隨着经济社会的快速发展，现代大学生的教育教学进入了信息化时代，对人才的培养要求开始以提高学生实践能力和创新精神为核心，因此依托现代信息技术建设的虚拟仿真实验教学应运而生。虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库及网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，让学生在虚拟环境中展开学习。这是一种有利于推动高校积极探索线上线下混合式“金课”建设[1]，也是现代教学个性化、智能化、泛在化的实验教学新模式。虚拟仿真实验教学平台的建设，将推进现代信息技术与实验教学项目深度融合、拓展实验教学内容的深度和广度、延伸实验教学的时间和空间、提升实验教学的质量和水平[2]。合理的专业布局、优良的教学效果、开放共享的信息化实验教学平台等多位一体的新体系建设，将使高等教育的教学质量得到全面提高。

一、滴灌施药导向控制害虫虚拟仿真教学系统建设背景与意义

当今农业发展迫切要求建立可持续发展的长效机制，中央一号文件提出加大农业面源污染防治力度，实施化肥农药零增长行动。农药减量增效已成为促进农业绿色发展的必然要求，许多新兴的技术措施正在逐步推广。其中，滴灌施药是在滴水灌溉的基础上发展起来的一种施药技术，不仅能减少农药使用中人工和燃油等投入成本，并且能实现药剂的定向输送，减少对非靶标生物的影响。作为国家级重点学科和国家级特色专业，华南农业大学植物保护学科研团队以“导向农药”理念为指导[3]，大力推广滴灌施药技术，引导农药行业往智能化和靶向化方向发展。历经十多年的研究，团队在随水施药法防控重要农作物害虫方面取得了一系列重要的创新成果，达到国际领先水平[4-5]。在新疆自治区已推广应用5000万亩次，产生了良好的经济效益、社会效益和生态效益。农业农村部科技发展中心组织的第三方评价认为：该成果属完全自主创新成果，突破了现有技术瓶颈，实现了技术创新，成果内容丰富，研发难度大，整体达到国际技术领先水平，明显促进了行业科技进步。

将植物保护学科最新科研成果融入本科生教学培养，有助于培养学生的科研创新意识，促进科研反哺教学，推动科研人才成长的良性发展[6]。然而，由于滴灌施药的实验场地遥远、实验经费大、实验周期长等限制因素，目前无法带领学生在田间进行实验操作。为了让学生有机会接触学科最新科研成果，提高对农药减量增效技术的认识，所以此虚拟仿真实验教学项目建设具有充分的必要性。能使学生在较短课时内完成相关内容的体验式学习，不仅弥补了教学实践中的缺失环节，而且有效激发了本科生对新理论、新技术的探索热情。同时，还可促进学生深入了解农药减量增效技术对我国农业可持续发展的重要意义，提高学生的使命感与责任感[7]。

二、滴灌施药导向控制害虫虚拟仿真教学系统的设计

（一）实验平台的开发技术

滴灌施药导向控制害虫虚拟仿真教学系统是基于田间实测数据，采用触觉反馈技术、数据集成交互与动态显示技术、人机交互技术，使用Unity 3D引擎开发工具，实现玉米、棉花和柑橘三种作物的虫害识别、药剂选择、滴灌配药、药剂传递、数据调查等功能，图文匹配，可交互点击。系统实现了三种作物防治的每个阶段三维动画的精准播放与真实显现，并率先使用三维游戏引擎实现复杂功能的教学界面制作。系统设计分为登录模块、理论学习模块、防害治理模块、调查报告模块和反馈信息模块，实现了一套精准有序的虚拟交互展示系统。滴灌施药导向控制害虫虚拟仿真教学系统基于互联网技术，学生在客户端仅需要火狐等常规浏览器即可登录系统进行学习和操作。系统界面如图1所示。

（二）实验平台的设计思路与知识点

实验设计力求做到理论与实践深度融合，让学生能将课程学习的理论知识应用到虚拟仿真实验中。该虚拟实验项目根据真实的田间场景，制作高仿真的玉米、棉花和柑橘的植物3D模型，每个场景设置两个田块，分别为处理田块与对照田块。针对玉米、棉花和柑橘三种作物，分别设定草地贪夜蛾、棉花蚜虫和柑橘木虱为有害生物。根据特定害虫，选定3种相对应的防治药剂，并制作其商品化的包装模型，每种药剂均列出农药标签，包含防治对象、作用机理和推荐剂量等信息。滴灌装置包括四大部分：控制与加压系统、阀门系统、输水管道网及滴水器。通过本次虚拟仿真实验，真实还原田间场景，帮助学生了解掌握有害生物识别、药剂选择、滴灌设施运行和田间防效调查等知识点，实现以下目的：

1. 了解农药减量增效技术对我国农业可持续发展的重要意义，提高学生的使命感与责任感。

2. 掌握滴灌施药技术的特点，根据有害生物特征和危害症状正确识别害虫种类，正确选择防治对象;掌握药剂的种类、作用靶标、防治对象，选择正确的药剂和计算施用剂量，为学生在今后的实际应用中打下坚实的基础。

3. 熟悉滴灌设施的主要组成，以及各部分的功能、工作原理與使用要求。

4. 了解药剂在植物体中的输导途径与定向分布情况，使学生掌握药剂在植物体内导向控制病虫害的生理学基础。

5. 了解药剂田间防治效果的调查与分析方法，使植物保护专业学生掌握基本的田间实验技能。

（三）实验方法与流程

滴灌施药导向控制害虫虚拟仿真实验流程如图2所示。本实验为综合性田间实验，实验方法涉及植物化学保护学的多个基本实验操作，包括田间害虫识别、农药剂型配制、药剂活性成分计算、田间药效调查、田间数据统计分析等。

1. 实验前准备

首先，学生登录虚拟仿真实验教学平台进行实验。登录成功后先进行理论知识学习，了解实验背景、教学目标、实验框架和知识点概况。

2. 虚拟实验操作

（1）理论学习完毕以后，开始虚拟仿真实验，点击主界面实验操作，选择不同的防治对象，即可实现该作物的系统学习互动。（2）选择防治对象后，进入田间场景，移动鼠标观察作物受害情况，根据弹框图片正确识别害虫种类。（3）识别害虫种类后，需要阅读不同药剂的标签，了解药剂的作用方式，防治对象及使用剂量，从中正确选择本次实验的防治药剂。（4）选择药剂后，需要选择正确的施药剂型。（5）根据标签中的有效成分含量，计算本次实验中有效成分施药浓度值。（6）确定防治对象及正确选择防治药剂后，进入滴灌系统，准备开始施药，首先观察滴灌装置的组成动画。（7）移动鼠标，选择药剂需要投放的位置，并转动相应的阀门，使药剂与水混合后进入滴灌管道。（8）调节滴灌系统的压力和流速，使设备正常运行。（9）观察药剂在滴灌系统中的流动动画，了解药剂被传递的过程。（10）观察药剂在植物体内传递的动画，选择药剂传递的途径。

3. 撰写实验报告及综合评价

施药结束后，记录调查数据，进行后续统计分析并撰写报告。学生根据调查数据和统计分析方法，处理数据并提交实验报告。

课后充分收集学生在使用过程中的情况反馈，包括建议、评价和思考等信息，并结合线上虚拟实验完成情况和线下虚拟实习报告完成情况进行综合评价。

三、滴灌施药导向控制害虫虚拟仿真教学系统的应用效果

滴灌施药导向控制害虫虚拟仿真教学系统是国家级精品课程植物化学保护的首个虚拟仿真实验教学平台，2020年荣获首批国家级一流本科课程，是植物保护学科中唯一的虚拟仿真实验教学一流课程。该系统课程已纳入植物化学保护实验教学大纲，每年服务植物保护、植物检疫等专业本科生700人，现已注册学员人员超过2000人次，承担本科教学5000课时以上。植物化学保护课程是植物保护学科的专业核心课程，由我国著名昆虫毒理学家赵善欢院士于1952年开创，华南农业大学一直主导《植物化学保护》教材编撰和教学大纲改革[8]，将不断完善植物化学保护实验教学体系，帮助本科学生接触更多最新科研成果，形成科研与教学相互支持、相互促进的学科教育特色。

自滴灌施药导向控制害虫虚拟仿真教学系统建成以来，已与广西大学、湖南农业大学、长江大学等签订了虚拟仿真等教学资源长期的共享协议，并实现已开发软件的共享，并将依托国家级实验教学示范中心生物和食品学科组联席会等平台，与同行交流及进行虚拟仿真教学项目推广，尤其是对西部院校免费开放，提供技术支持，还将在今后向国内外更多的高校开放服务。

为了推动虚拟教学资源的社会化，使更多人员利用相关虚拟资源，充分发挥示范和辐射作用，通过创建虚拟仿真资源共建共享联盟、举办公益活动和科普宣传等方式，还向参加华南农业大学农学院举办的农药经营许可资质培训班的农药从业人员开放实验教学项目，使其了解掌握农药减量增效新技术，年服务1500人次。

四、滴灌施药导向控制害虫虚拟仿真教学系统存在的问题

在植物保护专业本科生的实践教学中，滴灌施药导向控制害虫虚拟仿真实验平台在取得一些成果的同时，也发现其仍存在一些问题。第一，该虚拟仿真教学系统仅模拟了玉米、棉花和柑橘三种作物的滴灌施药，涵盖的知识面不够广泛。现在滴灌施药技术得到大力推广，在小麦、葡萄、香蕉等作物上都有很好的应用，接下来会重点充实此系统实验内容，涵盖更多作物，完善实验流程。第二，虚拟仿真教学系统只能按照步骤进行验证性实验，不能进行探索性实验，应在系统软件上进一步更新升级，增加人机互动性，如果条件允许还应到田间进行实验考察。第三，不断完善植物化学保护虚拟实验教学体系，将最新的科研成果融入到教学当中，继续建设学科新的实验项目，实现更多农药学实验的虚拟化，形成系列虚拟仿真实验教学系统[9-10]。

五、结束语

滴灌施药导向控制害虫虚拟仿真实验教学项目秉承“科研反哺教学、绿色开发共享”的理念开发设计，虚拟条件下的滴灌施药，导向控制害虫过程是对实际生产实验结果的动态模拟，虚拟结果是基于长期研究过程中积累的大量实验数据[11-12]。教学为科研培养人才，科研则为人才培养提供学术思维锻炼的平台，以提升人才成长的独立性和悟性，最终达到反哺教学的目的，实现教学效果的最优化[13]。虚拟仿真教学系统摆脱了传统植物化学保护课程实践中的限制，延伸与拓展了理论学习的深度和广度，通过3D建模与人机交互，使学生可以在虚拟仿真环境下对相关知识进行学习和掌握，丰富了教学手段，对培养学生的创新能力起到了积极作用。

参考文献：

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[8]徐汉虹.植物化学保护（第5版）[M].北京：中国农业出版社，2018.

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[13]李俊杰.科研反哺教学的合理性及地方高校因应策略[J].教育研究，2012，33（3）：53-56+70.