李海港 陈杨 红梅

[摘 要] 虚拟仿真是通过虚拟软件模拟现实的实验手段，是一种新型的教学技术。将该教学技术运用到“土壤学”实践教学中，可以打破教学实训场地及实验环境的限制，实现以学生为主体的实践教学，调动学生自主学习的积极性，激发学生自主实验的兴趣，提高实训效率，进而可提升学生的实践能力与专业技术应用能力。在新冠肺炎疫情防控的特殊时期，保证了教学进度和教学质量。

[关键词] 虚拟仿真;土壤学;实践教学

[基金项目] 2018年度内蒙古农业大学教育教学改革研究项目“‘虚拟仿真在‘土壤学实践教学中的应用研究”（JGYB201809）;2018年度内蒙古自治区教育科学“十三五”规划项目“‘互联网+在高校‘土壤学实践教学中的应用”（NGJGH2018046）

[作者简介] 李海港（1979—），男，山东安丘人，博士，内蒙古农业大学草原与资源环境学院副教授，主要从事土壤健康研究;陈 杨（1980—），女，内蒙古包头人，博士，内蒙古农业大学草原与资源环境学院副教授（通信作者），主要从事土壤养分管理研究。

[中图分类号] G642.41   [文献标识码] A     [文章编号] 1674-9324（2021）08-0132-05       [收稿日期] 2020-11-02

“土壤学”是农林院校的专业基础课，其实践教学环节为培养应用型和创新性人才奠定了重要的基础。但在“土壤学”实践教学中存在实习地点远、安全隐患大、生态破坏性强、时效性差等弊端，因此加强和完善“土壤学”实践教学资源的改革和建设显得尤为迫切。虚拟仿真是在“互联网+”的大背景下产生的新型教学模式和教学技术，以其绿色、安全、可共享等优势为实践教学带来了新机遇，在实验实训教学中得到了认可和应用。把虚拟仿真应用到“土壤学”实践教学中，突出了学生在教学环节的主体地位，加深了学生对实验的理解，还可以解决野外实习中存在的诸多问题，成为“土壤学”实践教学模式改革的重要手段和途径。

一、“土壤学”实践教学的重要性及存在的问题

“土壤学”是高等农业院校农学、林学、草学、农业资源与环境等专业的专业核心基础课，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，是关系到國计民生的重要基础科学;是学生对所学专业产生兴趣并树立专业志向的入门课程，具有较强的理论性和实践性，对学生后续课程的学习有重要的影响，其教学效果的好坏直接关系到学生对后续专业课程的理解、掌握以及应用。“土壤学”课程由理论教学和实践教学共同组成。实践教学是培养学生实践能力的重要环节，现阶段，创新型和应用型人才的培养，要求学生具有更高、更强的实践能力;因此，实践教学在学生培养方面发挥着重要的作用[1-3]。

“土壤学”实践教学中的一个重要环节是认知不同类型的土壤，这需要到自然环境中寻找典型土壤，进行土壤剖面的观察和研究。土壤剖面反映了土壤实体形态，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。在“土壤学”实践教学中，学生需根据对土壤剖面的形态特征及成土条件的观察、土壤化学性质的分析、作物生长发育等来鉴别土壤的类型及肥力状况，发现影响植物生长的土壤障碍，为土壤合理利用、保护提供依据。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，对学生后续课程的学习及就业具有关键作用。

在“土壤学”实践教学中也存在诸多问题。①实习地点远、路途长。土壤的分布具有地域性，想找到具有代表性的典型土壤，需要带学生到路途远、人为干扰小的野外才能实现。②安全隐患大。进行野外实习时，需要带学生乘车到几百公里以外，路途远、花费时间长，有的土壤类型学生要爬山才能见到，乘车及户外教学都存在极大的安全隐患，因此在实习过程中都需要为学生们买保险。③生态破坏性大。剖面观察需要挖大约2米长、1.5米宽、2米深的一个土坑，虽然观测后会进行回填，但对土壤及植被的扰动、破坏很严重，短时期内很难恢复。④时效性。“土壤学”野外教学需要考虑到气候条件及可操作性，一般只能在6月至9月进行，而此期间学生有正常的教学、考试、放假等各项事宜，协调比较困难。⑤学生学习主动性差。挖剖面不仅生态破坏性大，而且还受学生体力及野外教学时间的限制，一般每个班只挖一个剖面，实验顾及不到所有同学，存在实验报告雷同的现象，学生自主学习积极性不高，效果不好。基于以上原因，在新的教学背景下，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。

二、虚拟仿真应用的可行性

随着学生能力培养需求的不断提高，现有实验实践教学条件已不能完全满足，需要创造新的教育技术和模式。任何一个新型教育技术的应用都会对学习环境、教学方式、实验手段、教学活动设计、学习评价等产生影响，从而引起知识生产观、知识生产方式以及教育者、学习者、参与者等多种角色的认知方式、行为模式发生变化[4]。互联网技术的飞速发展对人们的生活产生了深远的影响，同时为教育信息化提供了平台，也对高校现代教育产生了影响，为高校教育提供了契机，也是高校课堂教学的重大变革，为实践教学带来了新机遇[5，6]。以虚拟仿真为核心的“互联网+”是教学手段、教育方式重大的前所未有的变革，它是用一个系统模仿另一个真实系统的技术，是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统[7]，它可以充分利用便捷的网络和丰富的资源，为学生学习提供一个良好的环境，使得实验实践教学的示教、训练和考核方式更为科学、有趣和简便易行[8，9]。它以三维交互技术为核心，结合三维及二维动画、视频、图片、文字等多媒体表现形式带来一种全新的学习体验，它的直观不抽象、互动不被动、构想早验证等特点能够大大提升学生的学习兴趣，增强学生对于知识的学习和理解，提高学习效率和教学效果，尊重学生主体性，突出学生个体价值[ 10 ]。虚拟仿真实验的绿色、安全、可共享等特点有利于大规模改善学校的教学环境，为实验实践教学引入了信息化、智能化基因，让实验实践教学融入“互联网+”，突破了传统教学环境和手段的限制，更扎实、更全面的对接了理论教学，还可使教学团队成员背景更加多样化，突出了学生在教学中的主体地位[ 11，12 ]。

基于虚拟仿真实验的优势，现阶段把虚拟仿真技术和平台应用到“土壤学”实践教学中，不仅能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问题和弊端，为“土壤学”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。

三、虚拟仿真在“土壤学”实践教学中的应用

栗钙土是温带半干旱大陆性气候和干草原植被下发育成的地带性土壤，剖面上部是呈栗色的腐殖质层，主要的成土过程是腐殖质积累和碳酸钙淀积，内蒙古从东到西都有分布，是分布面积最大的土壤类型之一。栗钙土土壤剖面的观察具有代表性和典型性，因此成了“土壤学”实践教学的核心内容之一，每年我校约1100人进行该项实践教学。

栗钙土土壤剖面观察虚拟仿真实验于2019年应用于“土壤学”实践教学中（图1）。实验共分三个模式（图2），即教学模式、练习模式、考试模式，其中教学模式以三维视频展现了整个实验的正确操作步骤，同时针对一些关键步骤或注意事项，教师设置了问题并提供正确答案;练习模式有利于学生课后进行巩固复习;考试模式用于评价学生实践能力。在整个实验中，不论哪个模式，教师都能在后台观察到学生的所有操作，并及时了解学生对知識点的掌握程度，体现了教师和学生间的互动性。

实验包括土壤基本情况调查;土壤剖面坑点的选择和挖掘;土壤剖面物理、化学、生物学性质的观察;土壤野外定名;土壤剖面回填等几个步骤，涉及8个知识点，18个细节内容。学生需按照实验的要求完成所有操作（图3），并随时记录观测到的结果（图4）。

学生可以通过智能手机或PC端登录实验项目平台，熟悉实验背景、目的，完成课前测试，并按照图5所示流程开展栗钙土土壤剖面观察虚拟仿真实验，实验结束后学生需要提交实验报告。传统的“土壤学”实践教学一个人是不能独立完成的，需要以班级为单位共同完成，在完成过程中很好地体现了同学间的团队合作精神。在该软件的设计中，也考虑了同学间的团队合作意识，在撰写心得体会时，不仅要求学生凝炼知识点，还需把协作精神、团队意识都体现出来。上述虚拟仿真实验过程见图5。

四、栗钙土土壤剖面观察虚拟仿真实验的特色与成效

传统的栗钙土土壤剖面观察存在实习地点远、安全隐患大、时效性差、生态破坏性强等弊端，通过虚拟仿真实验平台开展该实验，最大限度激发了学生的自主实验兴趣，加深了学生对实验的理解，还可以解决野外教学中存在的诸多问题，使实习不受时间、空间、安全的限制，并迎合了当今大学生对现代信息技术的喜好，构建更完整的知识体系，提高人才培养质量。对于教师而言，可结合实际教学需求，最大限度地发挥虚拟元器件资源的优势，丰富和完善了现有教学手段，可为探索“土壤学”实践教学模式改革奠定基础。

通过网络平台，学生可以随时随地进行在线实验操作。如在实验前，学生可以通过系统中的相关模块，事先了解实验目的、原理等相关基本知识。实验课后，可以通过重复实验设计和操作，巩固课堂所学内容。通过这种实验设计—结果反馈—发现问题的过程，培养学生科学的实验方法，拓展其知识视野，激发个人的主观能动性和创造性。同时，学生还可以通过在线交流的形式，与教师进行一定的互动，提升学习的针对性和实效性。通过实验平台，任课教师可以清晰地了解学生对相关知识的掌握情况，为今后有针对性地开展课堂教学提供参考信息。

在2020年春季学期新冠肺炎疫情防控期间，响应教育部“停课不停学”的号召，我校积极开展在线教学活动。本项目为学生提供线上自主学习服务，实验完成人数达到600名，起到了很好的线上教学示范作用，保证了疫情防控期间的教学进度和教学质量。

五、展望

在本科“土壤学”实践教学中还涉及淋溶性灰褐土（内蒙古中部的纬度地带性土壤）土壤剖面观察、盐碱土（非地带性土壤）土壤剖面观察，未来我们将继续建设相关内容。依托学校的实验基地“赛罕乌拉国家级自然保护区”所具有的土壤类型，扩展草甸土、沼泽土、风沙土、山地黑土、黄土等土壤剖面观察虚拟仿真软件的构建，使本科教学实践环节更加完善。尝试开发手机App服务功能，并通过微信公众号搭载虚拟仿真教学软件，完善相关软件所需的辅助教学资源，提升应用软件的便捷性和效果。

参考文献

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