VR技术在农业实验教学中的应用研究

董伟欣，韩立杰

(河北广播电视大学，河北 石家庄 050071)



VR技术在农业实验教学中的应用研究

董伟欣，韩立杰

(河北广播电视大学，河北 石家庄 050071)

随着VR(Virtual Reality)技术的发展，VR技术已经广泛应用到教育领域中，随后逐渐应用到农业实验及农业实验教学中，满足了现代学习者的学习需求，但VR技术在农业实验教学中的应用还不完善。在农业实验教学设计中，以学生为主体，结合VR技术在农业实验教学中所存在的问题，逐步完善在教学过程中的应用对策，可以为今后VR技术在农业实验教学过程中提供新的思路与方法，提高教学效果。

VR(Virtual Reality)技术；农业；实验应用；实验教学

VPL探索公司的创始人Jaron Lanier最早在1989提出了虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术的概念，它是指使人可以操纵其内的物体，犹如身临其境，它是一个虚拟世界的计算机系统。[1]由于VR技术具有“3I”(沉浸性、交互性和想象性)特点，因此，VR技术已经广泛应用到教育、教学、医学、科研、军事、工程设计和商业等诸多领域，研究者一致认为该项技术是促进21世纪社会发展的重大技术之一。[2]但VR技术在农业实验教学方面的研究却较少，由于VR技术能够创造出良好的虚拟学习环境，学生可以通过一系列的自然动作和对象发生相互作用，有助于更加牢固地掌握基础知识和实验技能，满足学生的学习需求。因此，本文就VR技术在农业实验教学方面进行了研究和探讨，以期能够为VR技术在农业实验教学中的应用提供更多的参考。

一、虚拟农业的概念

虚拟农业(Virtual Agriculture, 简称VA)的概念由“虚拟现实”延伸而来，目前，对于虚拟农业的概念有多种提法，2005年杨国才对于虚拟农业的最新提法为：虚拟农业是应用虚拟现实技术和可视化技术，在计算机和 Interenet 的支持下，对农业生产、科研、教学(包括农业技术推广等)、加工、销售等各个环节在计算机上的模拟和再现，以实现农业生产的高效益和可持续发展为目的的技术系统。[3]虚拟现实中一个重要的分支就是“虚拟农业”，主要包括：虚拟植物，主要用于农作物新品种的培育；虚拟动物，主要用于畜牧产品和水产品新品种的培育；虚拟农业生产设备，主要用于模拟大型的生产设备，提高设备的利用效率；此外，也可通过VR技术对农产品市场和农业生产管理进行模拟。不仅如此，虚拟农业在农业技术教育、培训、科研等方面也有着广泛的应用。

二、VR技术在农业实验中的应用

VR技术在农业领域具有很重要的应用价值，本文主要从以下几方面进行介绍。

1.虚拟育种

前期的大田育种工作，周期长，难度大，而现在的育种工作则是在实验室里进行的，而后通过大田实验来检验，随着VR技术在农业领域的发展，现在可以利用VR技术来模拟育种。如“杂交水稻之父”袁隆平院士就是利用VR技术，建立水稻品种株型设计的虚拟育种系统，通过虚拟不同的植株类型模拟出水稻植株的产量形成能力，筛选出高产量的水稻植株类型，通过此系统可节约经费，加速育种进程，使育种工作方向更加明确，从而提高育种效率和产量。

2.虚拟农场

利用VR技术来模拟作物的生长，称为虚拟农场，通过模拟作物的生长发育，学生可以从任意角度观察电脑屏幕上作物的发芽、分枝、展叶、开花和结实等整个生命活动过程。同时，还可以改变栽培措施和生长环境来观察作物的不同反应，从而更好地调控作物的生长发育，省时省力。此外，还可以利用VR技术来虚拟农场中的田间管理等一系列农事活动，可以使学生快速掌握农业技术，以提高教学效果。

3.虚拟温室

虚拟温室是将环境学与物理学相结合，研究温室对外界环境的各种反应，并且能够显示、观察和打印其结果。[4]真实温室受外界环境因素的影响较大，因此，虚拟温室必须由真实温室模拟而来，温室中可种植较多的作物种类，所需要研究的内容也较丰富。以“虚拟温室”中的花卉和蔬菜为例来介绍，花卉和蔬菜的虚拟分为植物冠层和植物根系上下两部分。各部分所采用的虚拟方法不同，地上部分采用植物形态模拟方法，地下部分采用L系统方法。[5]“虚拟温室”的建立可以为实际生产提供可重复操作和演示的平台，具有方便、可靠和快捷的特点，为农业生产提供便捷的平台。此外，通过此平台还可以研究温室内小气候的变化规律和特性。

4.虚拟果树修剪

果树修剪技术是果树管理措施中的重要技术手段，因此，在广大果区推广和普及先进实用的修剪技术是一项非常重要的工作。但科技人员短缺，难度较大等因素一直制约着果树业的发展。随着科学技术的发展，建立了“虚拟果树修剪系统”，此系统是把现代信息技术和果树修剪相结合来模拟一个虚拟的仿真果树修剪系统。通过此系统，学生可以对果树进行任意部位的修剪，在进行不同部位修剪的同时，可以看到不同的修剪效果，这样可以缩短果树的生长周期，可操控性较强，还可以针对果树的生长趋势采取不同的管理措施，从而提高果树产量。此外，可以根据果树种类的不同，将果树仿真修剪模拟系统分为若干系统，学生可以根据树种的不同而采用不同的“虚拟果树修剪系统”。“虚拟果树修剪系统”的运用既可以改善果树产量低和品质差的现状，也可以缓解技术人员短缺问题。再者，“虚拟果树修剪系统”可以为果农提供反复多次练习的机会，方便、快捷，可以说此系统为果农掌握果树修剪技术开辟了一条新的途径。

三、VR技术在农业实验教学中的特点

所谓虚拟农业实验就是将VR技术应用到农业实验教学过程中，开发各种在计算机上可以运用的模拟软件系统，为学生提供模拟的实验室，就如同在真实的实验室里操作一样，但是，虚拟农业实验与真实实验相比有其自己的特点。

1.系统相同

虚拟相同的农业实验，在计算机上的软件都是相同的，学生都可以共享，在电脑上都可以看到，都可以运用。正是具有这一特点，学生可以通过该系统检索自己所需要的数据、电子图书和以前操作的试验数据，通过这些共享资源，节约了时间，同时，学习效率也有了很大提高。

2.自由操作

虚拟农业实验是在计算机的软件上完成的，学生可以随意操作，可以改变作物的生长环境或者对作物的不同部位进行修剪，且不同的操作会产生不同的实验结果，这样可以缩短作物的生长周期。学生也可以对作物的生长有一个很好的把握，通过不同的实验操作得到不同的实验结果，对不同实验结果进行分析得出较好的实验结果作为参考，同时，实验数据还可以随时上传和保存。

3.时时交流

利用计算机上的共享资源，学生在虚拟的农业实验环境里可以尽情地交流学习意见，没有时间和空间上的限制，可以随时随地交流，也可以给对方留言，对重难点问题进行讨论与交流，交换意见，进行总结分析，最后教师对重难点问题进行解答，强化学生对重难点问题的把握，提高了学习效率。

4.先进的软件设备

VR技术是一种新兴的技术，目前所拥有的软件还不完善，所以VR技术需要不断开发新软件和不断更新换代，才能满足虚拟实验的需要，随时准备好为虚拟农业实验进行扩充。再者，虚拟实验对仪器设备也有较高的要求，所使用的仪器设备都是比较先进的，以满足现代先进技术的需要。

四、VR技术在农业实验教学中所存在的问题

1.理论与实践缺乏有机结合

农业是比较基础的学科，而农业学科的实验周期较长且比较烦琐，VR技术也是目前新兴的仿真技术，在实验设计方面还不完善。在实际操作过程中，学生对实验设计的设想较少，只是注重实验结果。如果学生缺乏整个实验的设计思路，就无法对实验进行更好的设计，只想通过VR技术匆匆获得实验结果，长此以往，学生不能从教学中学到任何实验技能，严重阻碍了学生提高综合能力的机会。因此，学生应该亲自设计实验并进行操作，这样才能牢固掌握实验技能并最终得出准确的实验结果。为此，VR技术在农业实验方面还需要不断完善。对于农业实验教学这一模块还没有统一的标准，使用起来比较困难，所以，在今后的教学过程中，教师和学生在虚拟农业实验课程中都应提高计算机的实践操作能力。

2.软件设计和上机操作

VR技术到目前为止在农业实验教学中的应用还不完善，所运用的软件也有限，因此，设计者应该根据相应的农业实验来设计不同的软件。在设计的同时，需要与实验专业人员沟通，以便使设计出来的软件更加符合农业实验的要求，更加合理化。软件最大的一个特点就是方便、快捷，这样可以提高教学效果，教师方便教，学生方便学，最重要的是，学生运用设计出来的软件可以得到准确的实验结果。在这个学习过程中，需要教师和学生及时沟通交流，共同学习，同时，还应该提高计算机的操作能力。

3.现实与虚拟相结合

现实的农业实验需要学生亲自下田体验，从实验的构想、设计都需要学生根据试验田的情况以及周边的环境和设施来定，而且学生也能够感受到春夏秋冬四季农业实验的艰辛。然而通过VR技术学生仿佛进入一个虚拟环境来进行实验操作，虽然虚拟实验省时便捷，但两者各有不同，所以在进行农业实验时应该现实与虚拟相结合，才能达到更好的教学效果。[6]

五、VR技术在农业实验教学中应用的对策

为了更好地将VR技术应用到农业实验教学中，在开展虚拟农业实验时，可以从以下几点着手：

1.做好充分的课前准备

VR技术在农业实验教学过程中的应用，势必会对原有的教学方法或步骤产生影响。为此，在开课之前，要做好充分的准备：第一，教师需要对农业实验教学的内容进行分析，找到适合运用VR技术的部分。第二，教师还需要安排运用VR技术进行农业实验的时间，确保实验能在一定的时间内完成。第三，教师准备好进行农业实验教学中的相关资料，如VR技术中用到的软件或硬件、操作资料等，保证学生在进行实验时，满足应用VR技术的条件，上课前针对VR技术对学生进行指导，以便使学生尽快进入课程学习，从而提高农业实验教学的质量。

2.熟练掌握VR技术在实验教学中的应用

为了将VR技术更好地应用到农业实验教学过程中，教师和学生需要熟练掌握VR技术的应用。为此，可以从以下两点着手：第一，由专业人员对农业实验教学中的所有学生进行集中培训，针对课时，对VR技术仪器及相关操作方法进行讲解，使学生都能够具备操作仪器的能力，确保实验顺利开展。第二，教师和学生都要做好充分的准备，教师需要提前认真备课，学生需要对农业实验教学课程中运用到的相关知识进行复习，为实验开展做准备。

3.软件与实验高度契合

结合学校的农业实验教学内容，软件设计者在进行农业实验软件设计时，要多与农业实验相关人员沟通交流，使设计的软件更符合农业实验的要求，使两者的结合得到更好的发展。VR技术在其他实验教学中有着很好的应用，所以应参考其他实验教学的开展方式，学习如何将VR技术应用到农业实验教学过程中，为实验的顺利开展打好基础。

4.进一步完善农业实验教学

农业实验教学是农口专业中不可缺少的一部分，而且教学目标中明确提出要求学生自主完成实验的设计与操作，这也是今后进行科研工作所不可缺少的。而VR技术是一项新兴的技术，在实验教学过程中还存在很多不足的地方，所以在今后的教学过程中需要不断地进行完善。为了确保VR技术更好地运用到农业实验教学过程中，教师应该对学生参与农业实验教学活动的结果进行反馈(包括教学内容、结果和VR技术的应用)，并收集相关的反馈结果，针对集中存在的问题给予解答，确保VR技术在农业实验教学中的顺利运用。

六、结语

农业实验具有明显的季节性特征，且周期长，成本高，严重制约了农业的发展。VR技术作为一种新兴的仿真技术，已经应用到农业领域，其中在农业实验教学过程中的应用，可使虚拟实验与现实实践相结合。通过此项技术，可在一定程度上缩短实验时间，降低生产成本，节约经费，改善生态环境，提高农作物产品质量和产量，从而可以完成受季节性影响而不能完成的实验和科学研究。同时，学生通过熟练操作仪器，提高了独立学习能力，激发了学习动力，提高了学习质量。VR技术具有很好的发展前景，但是其在农业实验教学及农业中的应用还较少且不完善，所以还需进一步深入探讨和研究。[7]

[1]Teng C-H, Chen Y-S, Hsu W-H. Constructing a 3D trunk model from two images[J]. Graphical Models, 2007(1):33-56.

[2]Manetta C, Blade R．Glossary of virtual realit terminology[J]. International Journal of Virtual Reality, 1995, 1.

[3]杨国才.虚拟农业体系结构的研究[J].计算机科学,2005(3):125-126.

[4]卢章平,张楠,李铁骑,等.虚拟植物整体生长研究现状与展望[J].计算机仿真,2011(8):295-297.

[5]郭焱,李保国.虚拟植物的研究进展[J].科学通报,2001(4):273-280.

[6]陈晓欢,王颖颖,左云飞.虚拟实验室在分子诊断学中的应用[J].实验室科学,2011(1):126-128.

[7]刘梅.虚拟现实技术在教学中的应用探究[J].时代人物,2007(11):145-146.

Research on the Application of VR Technology in Agricultural Experiment Teaching

DONG Wei-xin, HAN Li-jie

(Hebei Radio & TV University, Shijiazhuang, Hebei 050071, China)

With the development of VR (Virtual Reality) technology, VR technology has been widely used in the field of education. It is gradually applied to agricultural experiment and teaching to meet the needs of modern learners. However, the application of VR technology in agricultural experiment teaching is not perfect. In order to solve the problems existing in the experiment of agricultural experiment and improve the application of VR technology in the course of teaching, it should, with the students as the subject in the teaching design, provide new ideas and methods for the future of VR teaching in agricultural experiment teaching so as to improve the teaching effect.

VR (Virtual Reality) technology; agriculture; experimental application; experiment teaching

2017-03-27

董伟欣(1983-)，女，河北石家庄人，农学博士，讲师，主要从事农业相关远程教学研究。

G642.1

A

1008-469X(2017)03-0066-04