基于虚拟仿真技术的土壤物理学课程教学改革与实践

一、引言

土壤物理学是研究土壤中水分、盐分、热量等物质和能量运移规律的科学，是农业科学、环境科学、生态学等领域的重要基础学科[1]。传统的土壤物理学课程教学往往侧重于理论知识的传授，缺乏对学生实践能力和创新能力的培养。学生在学习过程中，虽然能够掌握土壤物理学的基本原理，但在面对复杂的实际问题时，往往难以将理论知识与实际操作相结合。虚拟仿真技术的出现为土壤物理学教学提供了新的可能性。虚拟仿真技术通过计算机模拟，能够将复杂的土壤物理过程可视化，帮助学生更直观地理解土壤中水分、盐分、热量的运移规律。通过虚拟仿真实验，学生可以在虚拟环境中进行多次操作和调整，观察不同条件下的土壤物理过程变化，从而加深对理论知识的理解，并培养解决实际问题的能力。

本研究旨在探讨如何将虚拟仿真技术（如 HYDRUS 和 COMSOL 软件）融入土壤物理学课程，提升学生的实践能力和创新能力，为土壤物理学课程的教学改革提供新的思路和方法，推动虚拟仿真技术在高等教育中的进一步应用和发展。同时，虚拟仿真实验培养学生的创新思维，激发他们在土壤物理学领域的科研兴趣，为未来的学术研究和职业发展提供支持[2]。

二、研究进展

虚拟仿真技术作为一种新兴的教育工具，近年来在高等教育中得到了广泛应用。虚拟仿真技术在实践教学中的优势主要体现在以下几个方面：首先，虚拟仿真能够提供高度仿真的实验环境，学生可以在虚拟环境中进行多次操作和调整，观察不同条件下的实验结果，从而加深对理论知识的理解。其次，虚拟仿真实验具有高度的灵活性和安全性，学生可以在不受时间和空间限制的情况下进行实验操作，避免了传统实验中可能存在的安全隐患。此外，虚拟仿真技术还能够提供丰富的参数设置和结果分析功能，帮助学生更好地掌握实验数据的处理和分析方法。

虚拟仿真技术在土壤物理学研究中的应用已经取得了一定的进展，特别是在土壤水分、盐分、热量运移过程的模拟中展现出巨大的潜力。HYDRUS 和 COMSOL 等专业软件能够精确模拟土壤中的物质和能量流动过程，并提供丰富的参数设置和结果分析功能 [3]。例如，HYDRUS 软件能够模拟土壤水分和溶质运移过程，帮助研究人员分析不同条件下的土壤水分动态和溶质迁移规律；COMSOL 软件则能够模拟多物理场耦合过程，如土壤中的热量传递和水分运移的相互作用[3]。

在教学中，虚拟仿真技术能够为学生提供直观的土壤物理过程模拟，帮助他们更好地理解土壤水分、盐分、热量运移的规律。通过虚拟仿真实验，学生可以在虚拟环境中进行多次操作和调整，观察不同条件下的土壤物理过程变化，从而加深对理论知识的理解。此外，虚拟仿真实验还能够培养学生的创新思维，激发他们在土壤物理学领域的科研兴趣 [4]。

三、基于虚拟仿真的土壤物理学课程设计

本课程采用虚实结合的教学方法，通过理论教学与虚拟仿真实验相结合，提升学生的实践能力和创新思维。在理论教学中，教师通过讲解土壤物理学的基本理论，帮助学生建立知识框架；在虚拟仿真实验中，学生通过操作软件，将理论知识应用于实际问题的解决，实现理论与实践的结合。教师通过实际案例引导学生分析问题并提出解决方案。学生通过虚拟仿真实验，验证解决方案的可行性，培养解决实际问题的能力[5]。

通过虚实结合的教学方法，学生不仅能够掌握土壤物理学的理论知识，还能够在虚拟仿真实验中进行实践操作，提升实践能力和创新思维，为未来的科研和职业发展奠定坚实的基础。

四、基于虚拟仿真实验的实践教学设计与评价

（一）虚拟仿真实验设计

在虚拟仿真实验教学中，实验设计是实现教学目标的关键环节。本研究以 HYDRUS 和 COMSOL 软件为工具，通过模拟土壤中水分、盐分和热量的运移过程，引导学生将理论知识应用于实际问题的解决。

学生根据实验目标，自主设置土壤的物理参数并确定初始条件。这一过程旨在培养学生对土壤物理参数的理解和应用能力。实验设计的最终目标是通过模拟观察土壤水分、盐分或热量的动态变化，并分析不同条件下的运移规律。学生需要基于模拟结果，提出合理的解释和结论，培养其科学思维和数据分析能力。

（二）虚拟仿真实验评价

本研究采用多元化的评价方式，全面评估学生的学习成果和教学设计的有效性：

1、教师通过报告评估学生对实验内容的理解和应用能力，重点关注实验设计的合理性、结果分析的准确性以及结论的科学性。实验报告的评价标准包括实验设计的完整性、操作步骤的规范性、结果分析的深度和结论的合理性。

2、教师在实验过程中观察学生的操作流程、团队协作和问题解决能力，评估学生的实践能力和创新思维。课堂表现评价注重学生在实验过程中的主动性和创造性，鼓励学生提出创新性想法和解决方案。

3、通过问卷调查和访谈，收集学生对虚拟仿真实验的反馈，了解其对实验内容的理解程度和学习体验。学生反馈是优化教学设计的重要依据，教师根据反馈信息调整实验内容和教学方法，以提升教学效果。

通过实验报告、课堂表现和学生反馈的综合评价，教师能够全面了解虚拟仿真实验的教学效果，并根据反馈不断优化实验设计和教学方法，提升学生的实践能力和创新思维。

五、结论

本研究通过将虚拟仿真技术应用于土壤物理学课程教学，深入探讨了其在提升学生实践能力和创新能力方面的应用效果。研究结果表明，虚拟仿真技术能够有效弥补传统实验教学的不足，为学生提供了一个安全、高效且可重复操作的实验环境。

参考文献

[1] 秦耀东 . 土壤物理学的进展及教学方法的改进 [J]. 高等农业教育 ,1998(7):39- 41.

[2] 赵世翔 , 红梅 , 李斐 . 新农科建设背景下课程教学改革探索与实践——以“ 土壤学” 为例 [J]. 教育教学论坛 ,2024,(20):45- 48.

[3] 彭新华 , 王云强 , 贾小旭 , 等 . 新时代中国土壤物理学主要领域进展与展望 [J]. 土壤学报 ,2020,57(05):1071- 1087.

[4] 何海龙 , 樊媛媛 , 张建国 , 李敏 , MilesDyck.“ 土壤物理学” 双语教学的改革实践 [J]. 创新教育研究 , 2020, 8(5): 797- 803.

[5] 李保国, 任图生, 张佳宝. 土壤物理学研究的现状、挑战与任务[J]. 土壤学报 , 2008, 45(5): 810- 816.

基金项目：2024 年度“ 课程思政和专创融合类课程建设项目《土壤物理学》专创融合优质课程” ；河北省研究生教育教学改革研究项目 : 基于多种类型平台有机融合的农业硕士培养体系创新与实践 (Y JG2024032)；教学研究项目“ 通专融合的耕读教育课程体系构建（202460）” ；河北省高等教育教学改革研究与实践项目“ 耕读教育体系研究与实践（2025GJJG117）”

作者信息：张猛（1989.05- ）男，汉，河北衡水人，博士，讲师，研究方向：土壤学；王洋（1985.01- ）女，汉，人，博士，讲师，研究方向：农业资源与环境；许华森（1986.04- ）男，汉，河北沧州人，博士，讲师，研究方向：农业资源与环境；白鑫磊（2001.01- ）男，汉，人，硕士，研究方向：农业资源与环境。