武夷巖茶初制虛擬仿真系統在制茶實踐教學中的應用

張渤，馮花，盧莉

（武夷學院 茶與食品學院，福建 武夷山 354300）

虛擬仿真實驗教學是將虛擬仿真技術融入到實驗課程后，形成的一種新形式的教學方式，正被廣泛地應用于教育行業之中，具有沉浸感強、趣味性高、交互性好、便捷、直觀等特點[1]。該教學模式既真實模擬實驗教學中的各種場景，又克服傳統實驗教學中存在的各種制約因素與弊端，從而實現優化教育資源、提高教學質量的目的[2-3]。2013年，教育部在全國啟動國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設工作，有效地推動實驗教學示范中心的內涵建設和可持續發展[4]。2017年，教育部在《教育部辦公廳關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》（教高廳[2017]4號）中指出，要推動高校積極探索線上線下相結合的個性化、智能化、泛在化的實驗教學新模式，以全面提高高等教育的教學質量[5]。2018年，教育部在《教育信息化2.0》行動計劃中強調，各高校應發展智能教育，主動應對新技術浪潮對教育帶來的新機遇和新挑戰[6]。2019年，中共中央、國務院印發《中國教育現代化2035》，進一步促進了各高校對虛擬仿真實驗教學項目建設的持續投入，有效地提高高校實踐育人體系、實踐教學體系和實踐平臺體系的建設水平[7]。武夷學院作為高水平應用型本科高校，積極響應教育部號召，以茶學專業（國家特色專業）為試點，結合地方產業特色與優勢，率先培育了武夷巖茶初制虛擬仿真系統，主要應用于《制茶實踐》《制茶學》《茶學專業綜合實驗》及校級涉茶公選課的教學中，并取得了初步成效。

1 武夷巖茶初制虛擬仿真系統的概況、特色與優勢

1.1 系統概況

1.1.1 系統開發的背景

茶學是我國具有悠久歷史的學科，也是最具中國特色的專業之一[8]，至2021年，我國開設茶學專業（方向）的本科院校（所）有46所、高職專科院校69所。在“新農科”背景下，茶學高等教育正承擔著培養高質量專業人才，開拓我國茶產業發展新局面的重任。

茶產業的快速發展，亟需大批實踐能力強、會創新、懂加工技術的復合應用型人才。[9]在設茶高校的人才培養方案中，制茶實踐是茶學專業課程體系中重要的且不可或缺的實踐教學環節，其主要任務是讓學生將所學的制茶理論融入到生產實踐當中，理解并掌握茶葉加工基本原理與實踐技能，提升學生在生產實踐中發現問題、分析問題、解決問題及應用創新的綜合能力[10-12]。

制茶實踐對生產場地、加工設備的要求較高，但設茶院校大多受地理位置、場地條件等因素的限制，其制茶實踐條件不夠完善，并與生產實際沒有充分接軌，造成學生實踐機會少、動手能力弱等問題突顯，嚴重影響了實踐教學的質量[13]。此外，茶葉的生產具有明顯地域性，對于分布在各茶產區的設茶高校而言，都難以在有限的時間內利用有限的資源完成六大茶類的制茶實踐。面對各設茶高校在制茶實踐中遇到的共性問題，武夷學院茶學專業結合地方特色，率先啟動武夷巖茶初制虛擬仿真實驗教學項目，并將其納入到制茶實踐的教學和考核范疇中，旨在擺脫傳統制茶實踐的制約因素，推進現代信息技術與制茶實踐的深度融合、拓展實習教學內容的廣度和深度，從而提升實踐教學的質量和水平，達到培養高水平應用型人才的目的。

1.1.2 系統的設計思路

該系統利用虛擬仿真技術建立了茶山（園）、做青機與做青間、殺青機、揉捻機、茶葉烘干機、計時器、溫濕度記錄儀等生產元素的3D模型，再現了武夷巖茶初制的真實場景，還原并重點展示了鮮葉采摘、萎凋、做青、殺青、揉捻和干燥工序的全過程及關鍵技術[14]（見圖1）。

圖1 武夷巖茶初制虛擬仿真系統關鍵場景Fig.1 Key scenes of virtual simulation system of Wuyi rock tea’s primary processing

1.1.3 系統的模塊組成

如圖2所示，該系統在仿真平臺上設置了實驗預習、實驗演示、實驗考核、實驗報告和系統管理5個模塊，各模塊間聯系緊密，學生通過5個模塊的操作可以順利完成虛擬仿真實驗項目。

圖2 武夷巖茶初制虛擬仿真系統模塊組成Fig.2 Module composition of virtual simulation system of Wuyi rock tea’s primary processing

1.2 系統的特色與優勢

1.2.1 突破傳統制茶實踐的時間與空間限制

制茶實踐是茶學專業教學活動的重要組成部分，是理論聯系實際、培養學生實踐能力、創新能力，全面提高教育質量的重要途徑[12]。傳統制茶實踐一般存在著時間與空間的制約因素，需配合生產實際安排在特定的時間。如武夷學院茶學專業的制茶實踐通常安排在4月下旬至5月中旬，將學生分組安排到校外實踐基地進行集中性實踐。但在特殊時期，如2020年學生因新冠疫情的影響無法按時返校完成制茶實踐的任務，利用虛擬仿真系統，學生則可以在8個學時內完成整個實驗操作流程，保證了該課程的順利開展。另外，以往對于非武夷巖茶產區的大學生及茶葉愛好者而言，制茶實踐存在一定的空間限制，現在亦可利用該系統的共享平臺，在線進行實驗操作，體驗與學習武夷巖茶的加工制作。

1.2.2 實驗路徑可自主選擇

在該系統的實驗流程中，針對茶樹品種、鮮葉狀態、鮮葉采摘標準等的不同，系統設置了8條對應的實驗路徑可供選擇。學生可根據個人對理論與實踐的掌握程度，自主選擇茶樹品種（水仙或肉桂）、鮮葉原料的狀態（雨水青或正常青）、萎凋方式的選擇（日光萎凋、綜合做青機萎凋），并在此基礎上選擇適宜的技術參數，如做青次數、做青機轉速、殺青溫度、揉捻時間、干燥溫度等。通過以上操作，學生可掌握實驗的主要內容及關鍵工序的技術參數，并通過技術參數的優化開展探索性研究，提升自身的制茶技能和創新能力。

1.2.3 實踐真知與虛擬仿真信息技術充分融合

該系統以武夷學院茶學專業教學團隊多年來在武夷巖茶生產實踐中制茶技術的精進為核心，整合了近年來相關研究的成果，在此基礎上建立了武夷巖茶加工工藝各工序的技術參數數據庫，實現了實踐真知與虛擬仿真信息技術的充分融合。

2 系統在制茶實踐中的應用與成效

2.1 系統在制茶實踐中的應用模式

武夷巖茶初制虛擬仿真系統在制茶實踐課程中的融入模式分為四個階段，即制茶理論知識的梳理與鞏固階段、初步實踐能力的培養階段、實地實踐階段、制茶實踐后的考核階段（見圖3）。

圖3 武夷巖茶初制虛擬仿真系統在制茶實踐課程中的融入模式Fig.3 Integration modeof virtual simulation system of Wuyirock tea’sprimary processing in teachingof tea processingpractice

2.1.1 制茶理論知識的梳理與鞏固階段

該階段課時設置為2學時，教學重點為：進一步夯實學生的制茶理論基礎，在實地制茶實踐前，讓學生利用實習指導書和系統的預習模塊，充分了解武夷巖茶的工藝流程與加工原理，梳理和鞏固相關制茶理論知識。

2.1.2 初步實踐能力的培養階段

該階段課時設置為4學時，教學重點是培養學生的初步實踐能力。首先，教師進行任務引導及操作演示，接著，學生自主完成虛擬實踐操作，在操作中熟悉和認知武夷巖茶的加工環境與機械、工藝流程與基本參數等內容。操作結束后分小組交流討論，針對各小組的匯報情況，教師總結各組的優缺點，并指出普遍存在的問題及改進方式。該階段的學習，有利于學生融會貫通、切實掌握實踐的知識點與技能要素，進而培養其初步的實踐操作能力。

2.1.3 實地實踐階段

第三階段，學生分組深入實踐基地開展為期3周的制茶實踐。該階段是學生將所學制茶理論應用于生產實踐并轉化為實踐能力的關鍵階段。在實地實踐過程中，學生針對個人理解不透徹的原理性問題，可利用虛擬仿真系統的預習模塊及操作模塊進行探索式學習。同時，對虛擬操作過程中所遇到的技能性問題，學生可及時與校外指導老師溝通交流。此階段，實現了虛擬仿真實訓系統與傳統實訓模式的無縫對接，虛實結合，共同促進學生實踐操作能力的培養與提升。

2.1.4 制茶實踐考核階段

制茶實踐結束后，學生再次登錄系統，完成第四階段的實踐考核任務。此階段課時設置為2學時，教學重點為：考查學生對制茶理論知識及實踐技能的掌握情況。該階段，學生獨立完成整個武夷巖茶加工過程的虛擬操作，并在系統中提交實驗報告，系統會生成綜合成績，該成績將納入到制茶實踐的終評成績中，所占比例為50%；另外，由校外指導老師根據學生在實地實踐中的綜合表現給出初評成績，占制茶實踐終評成績的40%；考勤成績占制茶實踐終評成績的10%。該考核方式更加注重對學生綜合實踐能力的考核，且結合了指導老師及系統的綜合評價，避免了單純依靠系統考核導致考核結果不夠“人性化”，或單純依賴指導老師考核，導致考核結果存在主觀偏差等問題。

2.1.5 虛擬仿真系統與傳統制茶實踐結合的優勢

與傳統單一、高消耗的實地實踐模式相比，虛擬仿真系統能夠讓學生更加簡單、精確、直觀的了解武夷巖茶的生產環境、加工原理、制作流程、技術參數等內容。然而與此同時，高效、低消耗的虛擬仿真實驗也存在著一定的局限，如對萎凋程度的判斷只要選取了合適的參數即可，但在生產實際中因受諸多因素的影響，對于萎凋適度的標準是需靈活判斷的。相比較而言，在傳統實習模式中，指導老師及企業制茶師傅可以實時對學生的操作給予指導，因此可以充分彌補虛擬仿真系統應用于教學中，師生即時互動較少的情況。由此可見，基于虛擬仿真實訓系統與傳統制茶實踐模式相結合的教學流程設計，可以將理論學習、虛擬實踐、實地實踐有機融合。一方面，可最大化發揮虛擬仿真技術應用于實踐教學的優勢；另一方面，亦肯定了傳統理論、經驗和實際操作的重要性[15]。

2.2 系統應用成效

該項目自正式投入使用以來，應用于我校茶與食品學院2018級、2019級茶學本科專業的制茶實踐教學中，使用學生人數179人。

2.2.1 學生成績的對比分析

實習初評成績是由實習基地企業負責人（校外導師）根據學生的實習綜合表現評定的，在一定程度上可以反映出企業對學生實踐能力及實習態度的認可程度。對武夷學院2017、2018和2019級茶學專業本科生的制茶實踐初評成績進行對比分析，結果見表1。由表可知，學生實習初評平均成績依次排序為2019級＞2018級＞2017級，其中2019級顯著（P＜0.05）高于2018和2017級，而后兩者間差異不顯著。結果表明，在使用虛擬仿真系統后，2018級、2019級學生再深入企業參加制茶實踐，其實習態度、操作能力、理論基礎等總體表現明顯優于未使用該系統的2017級學生。

表1 不同教學模式下學生成績的對比分析Tab.1 Comparative analysis of students'achievements under different teaching modes

實習終評成績是學生初評成績、實習操作、實習報告、出勤等的總體表現，也是實習教學效果的直接反映。由表1可知，學生實習的平均終評成績依次排序為2019級＞2018級＞2017級，其中2019級顯著高于2017級，但與2018級間差異不顯著，表明將虛擬仿真系統納入到制茶實踐后，所形成的復合式教學模式較傳統教學模式，在教學效果上得到了明顯提升。

2.2.2 學生對系統的使用評價

（1）學生總體滿意度高、教學效果好

學生滿意度作為一種重要的學習態度，既影響著學生學習的方方面面，也影響著課程教學實際成效，較高的滿意度與教學成效呈正相關[13]。如圖4所示，大部分學生對系統使用的總體滿意度高，其中相當滿意和滿意的學生占比為94.98%，表明該系統能夠被大部分學生所接受，具有良好的應用推廣價值。

圖4 系統使用總體滿意度Fig.4 Overall satisfaction with system using

如圖5所示，大部分學生認為該系統輔助制茶實踐教學效果良好，其中認為教學效果非常好及較好的學生占比為95%。由此可知，虛擬仿真系統適應了現代大學生成長的新特點及信息化時代教育教學的新規律，在提升教學效果方面得到了大部分學生的認可。同時，也進一步印證了良好的教學滿意度可有利于教學效果的提升。

圖5 系統輔助教學效果Fig.5 Effect of system assisted teaching

（2）激發學習興趣、提高實踐技能

調查結果顯示（如圖6），74%的學生認為該系統的應用可提高學習興趣。由此可見，該系統由于依托了先進的實驗研發技術，用動畫、視頻和交互手段增強了實驗操作的趣味性，有效激發了學生的學習興趣。同時，有88%的學生認為該系統能夠幫助他們提升武夷巖茶制作的實踐技能（圖7）。

圖6 系統是否可以提升學習興趣Fig.6 Whether the system can improve learning interest

圖7 系統對提升實踐技能的效果Fig.7 The effect of the system on improving practical skill

（3）系統教學重點突出、對現實生產環境再現度高

教學重點指在教學目標中所要完成的最基本、最主要的教學內容。武夷巖茶加工實習的教學重點為萎凋及做青工序的基本原理及技術參數。由圖8可知，大部分學生（88%）認為該系統能夠突出教學重點，原因可能是該系統利用信息技術手段，重點展示了萎凋、做青兩個關鍵工序的知識要點，有利于學生充分理解萎凋及做青工藝對武夷巖茶品質形成的重要性，并掌握萎凋及做青的技術參數。仿真度評價是客觀存在和主觀準則的統一，與實驗目的緊密相關，對于鍛煉動手能力實驗的仿真度，要求操作動作和對象反饋要真實[16]。由圖9可知，較多的學生（70%）認為該系統對現實生產環境的再現度高，而這種模擬情境與實際情境的高度相似，便于學習者在模擬情境中學習結束后能夠適應真實的情境，有助于知識技能的遷移[17]。

圖8 系統教學重點是否突出Fig.8 Whether the key points of the system teaching are prominent

圖9 系統對現實生產環境的再現度Fig.9 The degree of system's reproducibility to the real production environment

（4）界面設計友好、使用便捷

由圖10可知，大部分的學生（67%很好，12%比較好）對系統界面設計持認可態度。同時，調查結果顯示，有82%的學生認為該系統使用便捷（見圖11），可見該系統的操作便捷度，得到了學生的普遍認可。這主要基于該系統依托開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺，通過數據端口的無縫對接，保證用戶能夠隨時隨地的通過瀏覽器訪問該系統，并讓使用者獲得智能指導、自動批改等服務。

圖10 系統界面設計滿意度Fig.10 The satisfaction of interface design for System

圖11 系統使用便捷性Fig.11 System’s ease of use

（5）授課方式的選擇

由圖12可知，超過80%的學生對混合式教學的教學效果表示滿意，說明將虛擬仿真實驗融入到傳統制茶實踐的教學模式取得了良好的教學反饋。同時，超過60%的學生對單純的虛擬仿真教學效果持滿意和積極的態度，表明單純的虛擬仿真實驗教學雖然沒有混合教學模式滿意度高，但其具有便捷、直觀、不受時間和空間限制等優點，仍具有一定優勢。然而，選擇單一的傳統制茶實踐教學模式的學生僅占26.82%，說明原有的定時、定內容、定條件的實驗教學模式無法滿足大部分同學的需求。因此，適時轉變實驗教學模式，適應當今學生多元化獲取知識、技能的需求，已成為未來教學模式改革的重點。

圖12 授課方式的選擇Fig.12 The choice of teaching method

3 學生對于系統優化建設的建議

3.1 豐富和加強系統的內容與交互點

如圖13所示，有140個學生（占比為78.21%）一致建議進一步豐富系統教學內容，擴充系統信息量，希望在該系統中學習到更多與武夷巖茶加工相關的知識與動態。同時，有89個學生（占比為49.72%）希望系統的交互點進一步增加。交互性是指在虛擬環境中,系統能夠提供方便、豐富、自然的人機交互手段，體驗者不是被動地感受,而是通過自己的動作改變感受的內容[18-19]。該系統通過三維仿真技術，虛擬武夷巖茶加工場景及實際茶青情境，學生可在整個場景和情境中進行交互性操作54步。雖然已經超過教育部對國家級虛擬仿真實驗的系統交互點不少于10的要求[20]，但仍有較多學生希望系統的交互點進一步增多。

圖13 對虛擬仿真系統改進的意見與建議Fig.13 Comments and suggestions on the improvement of virtual simulation system

3.2 加強師生間的互動性

由圖13可知，有69人（占比為38.55%）希望系統的師生互動功能進一步加強。目前系統的管理模塊設有師生互動功能，但由于虛擬仿真實驗開展學生可完全按照個人的需求隨時進行實驗，這也潛在的對師生之間的即時互動帶來挑戰，學習者在實驗課程中存在的問題教學者無法隨時地發現和指出，這是該系統目前亟待解決的問題。

3.3 從單茶類升級為多茶類的虛擬仿真

由圖14所示，選擇其它的有56人，其中有14人在建議欄中填寫的內容為：希望茶葉初制虛擬仿真系統能夠覆蓋其他五大茶類；有12人填寫的內容為：希望院系盡快開發正山小種初制虛擬仿真系統；有5人填寫的內容為：希望能盡早開發白茶虛擬仿真系統。總之，較多的學生希望該系統能覆蓋較多的茶類。

4 系統優化的措施

4.1 借助雙導師優勢豐富系統教學內容、增加系統交互點

教學內容是教學的主體，教學質量的提升離不開教學內容改革，因此擺脫基于教材而確定教學內容的局限性，融合實踐性和探究性的問題，實現虛擬仿真系統教學內容的改革創新，是提升該系統教學質量的必由之路[21]。武夷學院茶與食品學院于2018年試行了茶學專業本科生雙導師制，建立了校企協同培養應用型本科人才的模式，實現了校內導師專業理論優勢與校外導師實踐經驗優勢的互補。武夷巖茶初制虛擬仿真系統可充分借助這一成熟的機制，結合學校的學科專業特點以及復合型、創新型人才培養的需要，將校外導師在武夷巖茶生產實踐中的新工藝、新產品及校內導師在武夷巖茶加工方面取得的新成果轉化為教學內容，在系統中以合適的方式呈現給學生，豐富虛擬仿真實驗內容，增加制茶實踐課程的廣度和深度，實現課程高階性、創新性和挑戰度，促進學生知識、能力、素質協調發展。

實現虛擬仿真實驗的良好交互性是將虛擬仿真實驗應用于教學的前提。該系統的優化升級將遵循使用者的心理和行為特點增加有效的交互方式和反饋機制，不斷加強人機交互界面的表現力和感染力，使操作者有較強的沉浸感，在虛擬環境下通過各種操控選項進行自主探索，進而達到訓練的目的[22]。同時，將進一步完善師生交互機制，教師可充分利用師生交互了解學生的學習動態與效果，并從中總結與反思教學過程，進而不斷優化教學設計。

4.2 組建專業團隊、加強師生互動功能

該系統長期開放服務，需要大量的線下資源匹配，只有將線上資源和線下資源合理匹配起來，才能更加有效地效發揮虛擬仿真實驗教學的作用。項目組將進一步加強系統專業管理團隊建設，增加有企業背景及專職在線教學人員參與項目后期的管理與維護，保證項目團隊組成結構合理、人員穩定，保障線上線下教學正常有序運行。安排教師定期對系統中學生提出的問題進行解答，加強師生之間的有效互動，使系統服務使用者的能力進一步增強。

4.3 逐步從單茶類向多茶類覆蓋

未來5年，將在匯總使用評價的基礎上，不斷對武夷巖茶虛擬仿真實驗系統進行升級，導入紅茶、白茶、綠茶等五大茶類加工虛擬仿真實驗項目，逐步從單一茶類向多茶類的全面覆蓋，同時繼續導入綠色生態茶園建設、茶樹種質資源鑒定評價、茶葉生物化學等與茶學核心課程內容相關的虛擬仿真實驗項目，使虛擬仿真系統的實驗項目向系列化、標準化和全面化的方向發展。

5 結語

當今中國“大眾創業，萬眾創新”戰略進入了新的階段，對應用型茶學專業人才的培養模式也提出了新的挑戰，要求培養適應現代市場經濟需求的創新型、應用型、復合型專業人才。學生不僅要熟練掌握傳統的茶葉加工技術，還需具備開發新技術和研發茶葉新產品的綜合能力，能根據產業發展的需求及時進行創新。這就對“制茶實踐”的課程教學改革提出了新要求。武夷學院茶學系率先將武夷巖茶初制虛擬仿真系統導入到傳統制茶實踐中，形成了虛實有機融合的教學模式，充分克服傳統制茶實踐的各種制約和弊端，有效地解決目前實驗教學中存在的諸多問題，并明顯提升了學生的實習成績。通過對該系統應用成效的調查結果顯示，學生對該系統整體滿意度高，普遍認為教學效果好、激發了學習興趣、提高了實踐技能、教學學重點突出、對現實生產環境再現度高、界面設計友好、使用便捷，表明虛擬仿真實驗教學是加強實踐教學、提高教學質量的有效手段，在應用型人才培養方面有著巨大潛力和較強的推廣利用價值。

在該系統和一系列切實有效的教學改革驅動下，武夷學院茶學專業在應用型人才培樣方面取得了顯著成效，已被社會廣泛認可，在校友會2021年中國植物生產類一流專業的排名中獲評6星級，辦學層次被評為中國頂尖應用型專業。未來5年，該系統將繼續以學生的使用評價及教學效果為導向，借助雙導師優勢進一步豐富系統教學內容、組建專業團隊加強項目后期的管理與維護，不斷合理增加系統的交互性，并逐步實現從單茶類向多茶類覆蓋；同時，系統將從茶葉加工單緯度向種質資源開發利用、綠色生態茶園建設等多維度發展，通過資源共享與設茶兄弟院校共同推進茶學虛擬仿真教學項目的建設，并將該系統廣泛應用于茶產業從業人員的培訓與學習，進而為地方茶文化、茶產業、茶科技的統籌發展做出貢獻。