江苏农林职业技术学院吴刚山、刘晓宇主持完成了江苏省高等教育学会2020年江苏高校“大学素质教育与数字化课程建设”专项课题“智慧农业生产四维数字化仿真教材与资源建设研究”（课题编号：2020JDKT165），课题组主要成员【前10】："冯祥、严方、田崇峰、陈寅、徐佩锋、李娜、蒋其友、崔明、薛小松、郭莉敏"。

      课题研究充分发挥虚拟仿真软件优势，在教学应用中，将思维导图和虚拟仿真软件相结合，知识点和技能点从简单重复的点对点拓扑、点对点策略编辑迁移到点对多点拓扑以及点对多点策略编辑、智慧控制的简略算法与实现在教学中占据了一定的比例。知技点朝着智慧农业策略设计与实现方向靠近，形成了课内虚实结合仿真实训为主导，课外虚拟仿真自主实训为支撑的喷滴灌混合式教学特色与教学内容体系，通过占比60%的智农创新模块和实物物联模块强化智慧农业工程实践能力。利用仿真软件增加学生对智慧农业生产的认识，从而向学生传递智慧农业建设存在青年发展大机遇，智农创新是青年担当，智农创新也是我国从农业大国转型农业强国的必由之路。

1.四维数字化教材的课程思政设计与创新

       1.1 科技彰美，以技立德课程通过“以虚衔实,以虚助实,以虚补实,以虚彰实,以虚夯实”,充分发掘虚拟仿真的多维交互、沉浸性学法和高自主性学习特性,提升虚实育人的课程思政协同能力。

       ①在课前预习环节，借助虚拟仿真的时空无限制特性以及虚拟仿真的情境系统性沉浸特征,设计蓝莓数字化种植工程设计、施工与养护各模块之间的预学习环节,“以虚衔实”。

       ②在理论教学环节,借助虚拟仿真的多维交互特性,设计理论讲授的师生间沉浸式理论教学交互,增强教师讲授的“趣味性”,“以虚助实”。

       ③在课中训练环节，借助虚拟仿真“沉浸式学法”特性，构建基于VR虚拟现实技术的蓝莓数字化种植的教学应用实训环境,对难以组织现场教学、或现场教学成本过高等蓝莓数字化种植工程“三仿真实训考核评价借助于虚拟仿真的技术优势,通过数学模型形成学生仿真操作后的不可逆生产结果,将学生的虚拟仿真实训行为变成虚拟作业行为。这一成果可以同样将每一个仿真训练节点均设置一个三维表型的虚拟生产标志性成果,使用学生有明确的可视化学习目标,即“成果导向”。虚拟仿真操作形成虚拟生产不可逆结果,并可视化表达,学生在仿真训练过程获得的关键知识和技能,或技术技能存的不足,可设计虚拟场景的三维可视化呈现,形成“成就驱动”。大数据存储虚拟作业评价,形成学生技术技能成长的纵横向分析曲线,也就是成长“可视”。高三难”实施虚拟训练，“以虚补实”。

       ④在课后自主环节,充分借助虚拟仿真自主学习性增强这一特征,将蓝莓数字化种植工程单项施工技术,农业物联网设计、施工与养护操作流程与规范融入虚拟仿真,为学生反复实践提供必要条件,“以虚夯实”。

       借助虚拟仿真的仿真特性,对农业物联网设计能力和创意能力价值部分,实施“沉浸式体验”教学,让学员充分感知现代农业技术、数字农业技术的“精工巧匠”带来的生活之美、环境之美和创造之美，激励学生积极投身数字农业技术的创新与创意学习之旅，“以虚彰实”。通过虚拟仿真技术将数字化蓝莓数字化种植最先进的设备、技术与创意通过虚拟仿真呈现给学员,现代农业已由劳动密集性产业逐步过渡到技术密集性产业,产业的转型升级为学员将人生自我价值实现与乡村振兴、民族复兴、产业转型升级等社会价值实现融为一体,树立科学的学习观和积极向上的价值观。课程思政贯通整个教学环节，以“技”立德，以“技”树人。

       1.2 劳模竖帜，亚夫铸魂课程组承担了两个学院级亚夫科技服务项目,在亚夫团队成员的支持下,将“任务八设施物联现场运检”放在蓝莓种植亚夫科技示范基地，由亚夫科技成员讲解现场设备和数字化蓝莓数字化种植技术的产效。将亚夫精神融入实践项目,发掘蓝莓数字化种植工程实践过程中的关键性感知与有意义的发现。将亚夫乡村振兴项目变教学项目,亚夫数字化种植技术变实践技能，亚夫团队成员变现场教练，亚夫实践场地变教学场地。传递亚夫精神火炬,培育一批“一懂两爱”的服务现代农业的高素质技术技能人才,培养学生爱岗敬业、精益求精、悯农爱农的亚夫精神。“亚夫精神”铸新农人之魂,现场教学立新农人标杆。

2.四维数字化教材的考核评价设计与创新

       ①智慧考核评价,管学思维到促学思维的转变借助虚拟仿真优势,及时收集学生学习行为大数据,通过构建数学模型,将学生单纯的虚拟仿真实训操作行为变成综合性的虚拟作业行为,从“成果导向”、“成就驱动”、“成长可视”三个维度，构建一个立体考核评价系统，促成从“管学思维”到“促学思维”的转变。

       仿真实训考核评价借助于虚拟仿真的技术优势,通过数学模型形成学生仿真操作后的不可逆生产结果,将学生的虚拟仿真实训行为变成虚拟作业行为。这一成果可以同样将每一个仿真训练节点均设置一个三维表型的虚拟生产标志性成果,使用学生有明确的可视化学习目标,即“成果导向”。虚拟仿真操作形成虚拟生产不可逆结果,并可视化表达,学生在仿真训练过程获得的关键知识和技能,或技术技能存的不足,可设计虚拟场景的三维可视化呈现,形成“成就驱动”。大数据存储虚拟作业评价,形成学生技术技能成长的纵横向分析曲线,也就是成长“可视”。

       ②智慧育训诊改

       建成虚实结合实训教学管理、诊改系统,主要功能包括角色管理、行为大数据记录、分析模型构建、数据挖掘、可视化表达、教学诊改等功能。通过记录学生在虚实结合生产实践过程中的操作行为,生成仿真实训大数据;通过行为分析模型、影响因子分析等模型,对获取的学生纵横向成长记录数据进行研判分析,得到综合教学评价结果;通过对学生成长记录可视化,激发学生学习兴趣、促进学生改进学习方法;同时,可视化的教学评价促进教师进行教学方法、手段改革,实现对实训教学的全程跟踪和及时评价。

3.四维数字化教材的技术设计与创新

      (1)虚实结合实训教学的线上线下同步技术

       虚实结合实训教学的线上线下同步技术主要是探讨线上虚拟实训、线下实操实训以及线上远程实操实训三种形态同步实训的实现技术条件。线上虚拟、线下实操、线上远程实操三种形态同步实训,可以基本保障虚实结合实训教学的线上线下同步,线上线下同步从通讯条件下,需要配置5G通讯网络,最大化保障了教师和学生在校园覆盖区域隔离或者因疫情防控分散教与学的线上、线下实训同步响应时延、带宽的需要。从远程设备与虚拟设备“操作同感”的角度来看需要解决线上实训场景 VR 交互的云流化,方便学生通过轻薄笔记本,甚至手机都可以运行虚拟仿真实训项目。通常的3D虚拟仿真项目是基于Unity3D或者UE4等引擎制作,该类资源内容往往比较庞大,对电脑运行要求比较高,需要进行轻量级云流化技术处理,以增强终端的适应度。从远程设备与虚拟设备“设备同态”的角度，需要形成虚拟仿真和实物实操的“数据同源”。虚实结合的形态有虚拟仿真与半实物仿真的结合、虚拟仿真与现场实践的结合两种形态,虚拟仿真的训练结果要动作半实物设备或者现场设备,三者之间的数据同源互通至关重要,因此数据同源是技术基础,设备同态是技术成效。5G现代农业半虚景互动场景制作与远程设备AI稳控技术研发是技术实现的物资基础。

      (2)线上线下并行实训教学项目设计

      通过蓝莓数字化种植工程的设计探索线上线下并行实训教学项目设计原则、方法与设计路径,形成“流程同步”的并行实训教学项目,解决疫情常态管控下的线上线下的项目无缝迁移,线上线下的技能无缝衔接,以及学生部分隔离情况下的线上、线下同步教学等问题。

      针对农业电气控制安装与调试、农业物联网组网与调试、农业传感器安装与数据采集、智能水肥一体机安装与调试、作物长势人工智能设备安装与调试、数字农业创新设计等六大技能，进一步采用虚拟场景与生产现场“同型、同步、同源”的虚实结合关键技术，改进蓝莓数字化种植虚实结合实训装置。

        (3)虚拟仿真教学的师生线上线下实时VR互动实现

       又称 VR 互动讲堂设计,实现“操作同感”的虚实结合实时 VR 互动。主要探索线上虚拟仿真教学的师生实时VR互动方式、途径与组织形式，主要解决在线上虚拟仿真教学中，教师无法监督学生的学习活动，容易导致学生学习注意力不集中，学习效率不高等问题。

4.实施成效

        (1)校内外同行和学生评价益阳职业技术学院冯晖教授、生信学院艾金龙院长等认为课程以“智”授课、以“技”育人、兴农育“德”,体现了江苏现代农业的国内领军地位，既是“心”课，又是“智”课。2018级学生在科技示范基地接受劳模现场教学后，认为本堂课是大学三年来最有意义的一次课，理解了科技兴农含义。

        (2)改革成效与示范辐射情况近两年孵化了校级及以上大学生创新创业项目9项,学生授权各类专利20余项,辐射区域内6个亚夫乡村振兴科技示范点，彰显“爱农兴农”的青年科技担当。课程形成了典型的课程思政示范课程,也是虚拟仿真教学示范课程,在益阳职业技术学院等10余家院校应用推广，核心技术成果农工共享,现场总线虚拟仿真成果助力我院数字农业和兄弟院校数字电厂仿真案例双双成功入选教育部 2021 年度职业教育示范性虚拟仿真基地培育项目典型案例项目(39个)。