食用菌工廠化生產(chǎn)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建及應(yīng)用

盧亞萍， 魯燕舞， 崔 瑾， 包浩然， 陳 軍， 成 丹

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)生物學(xué)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心；生命科學(xué)學(xué)院，南京210095）

0 引 言

食用菌富含蛋白質(zhì)、氨基酸等營(yíng)養(yǎng)元素，是一種優(yōu)質(zhì)的保健食品，在保障我國(guó)居民基本食品需求、改善飲食結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)國(guó)民體質(zhì)方面起到了重要作用。我國(guó)是世界上最大的食用菌栽培、加工與消費(fèi)的國(guó)家，2018年我國(guó)食用菌的總產(chǎn)量高達(dá)4 129萬t，生產(chǎn)總值超過3 500億元［1］。食用菌還是國(guó)家財(cái)政撥款扶持的一個(gè)項(xiàng)目，具有廣闊的發(fā)展前景。食用菌巨大的需求潛力，對(duì)食用菌栽培技術(shù)的發(fā)展提出了更高要求，這就需要更多的食用菌專業(yè)人才進(jìn)入此領(lǐng)域［2］。在農(nóng)業(yè)高校中開設(shè)食用菌生產(chǎn)技術(shù)課程，可有效提高大學(xué)生的實(shí)踐能力以及從業(yè)的業(yè)務(wù)水平，從而促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合、推動(dòng)大學(xué)生就業(yè)創(chuàng)業(yè)、為行業(yè)提供高素養(yǎng)人才。

1 食用菌栽培課程現(xiàn)狀

目前，在大多數(shù)農(nóng)業(yè)院校或綜合性院校的生命科學(xué)學(xué)院都開設(shè)食用菌生產(chǎn)技術(shù)或相關(guān)課程［1-3］，課程內(nèi)容主要包括食用菌的鑒別、形態(tài)、功能、生理和栽培技術(shù)。食用菌生產(chǎn)技術(shù)理論課的開設(shè)一般都比較成熟，而實(shí)踐課卻存在一些比較難以解決的問題：

（1）課時(shí)的局限。食用菌生產(chǎn)過程主要包括培養(yǎng)料配制、裝袋、滅菌、接種、發(fā)菌管理、出菇管理等環(huán)節(jié)，需要數(shù)月時(shí)間。這些環(huán)節(jié)之間相互銜接，而由于受實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)計(jì)劃的限制，實(shí)驗(yàn)課只能是在某些技術(shù)環(huán)節(jié)間斷性、局部性地安排一些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，很難連續(xù)開展完整的實(shí)驗(yàn)［4］。這樣學(xué)生只能操作部分實(shí)踐技術(shù)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)效果難以保證。

（2）教學(xué)內(nèi)容的局限。食用菌栽培種類多，栽培方式又各不相同，同時(shí)一些新的食用菌種類不斷出現(xiàn)，栽培技術(shù)也不斷創(chuàng)新，甚至一些菇類的栽培模式和栽培工藝待學(xué)生畢業(yè)后在生產(chǎn)上就很少使用了。如果不及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容和方法，學(xué)生難以適應(yīng)技術(shù)發(fā)展和社會(huì)要求，難以實(shí)現(xiàn)高層次技術(shù)人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

（3）場(chǎng)地的限制。很多高等院校沒有食用菌栽培的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、缺乏相關(guān)的現(xiàn)代化設(shè)備，開設(shè)栽培技術(shù)實(shí)踐課存在很大困難，因而很難開設(shè)實(shí)踐課程。而食用菌生產(chǎn)基地或企業(yè)對(duì)環(huán)境要求非常高，往往無法接納大量學(xué)生長(zhǎng)時(shí)間的參觀學(xué)習(xí)。這些影響了課程體系的完整性和培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2 虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，現(xiàn)代化的教學(xué)手段和形式可以拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域、豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。虛擬仿真教學(xué)綜合運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)通信等多種技術(shù)，通過構(gòu)建逼真的可視化環(huán)境和對(duì)象，使學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展高效、安全、經(jīng)濟(jì)、便捷的學(xué)習(xí)活動(dòng)，達(dá)到實(shí)體實(shí)驗(yàn)不具備或難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果［5-7］。

同時(shí)，虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容活潑、生動(dòng)，可以在電腦和手機(jī)等終端呈現(xiàn)，對(duì)新時(shí)代的大學(xué)生具有很大的吸引力，可以促進(jìn)他們?cè)谡n內(nèi)外反復(fù)學(xué)習(xí)和鞏固［8］。食用菌生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要以教學(xué)目標(biāo)和人才培養(yǎng)為導(dǎo)向，以教學(xué)效果為標(biāo)準(zhǔn)，密切結(jié)合實(shí)踐教學(xué)的需要。

2.1 結(jié)合實(shí)體教學(xué)，虛實(shí)互補(bǔ)

目前，受實(shí)驗(yàn)條件的限制，食用菌生產(chǎn)技術(shù)主要側(cè)重理論課的學(xué)習(xí)，以及微生物接種、培養(yǎng)等基礎(chǔ)微生物實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在校期間很少學(xué)習(xí)發(fā)菌過程、出菇管理等實(shí)驗(yàn)，更沒有了解過現(xiàn)代工廠化生產(chǎn)食用菌的過程。所以本虛擬仿真平臺(tái)以學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)需求為中心，內(nèi)容涵蓋基礎(chǔ)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)理論、實(shí)驗(yàn)過程、模擬操作、參數(shù)設(shè)置和相關(guān)考核，使得學(xué)習(xí)者可以在身臨其境的環(huán)境中，反復(fù)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，在實(shí)踐應(yīng)用中鞏固課堂所學(xué)知識(shí)，并最大程度上彌補(bǔ)課堂教學(xué)中的短板。

2.2 與科研成果相結(jié)合，緊跟產(chǎn)業(yè)發(fā)展前沿

食用菌虛擬仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)既包括農(nóng)業(yè)生物學(xué)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的專職老師，也包括進(jìn)行食用菌研究和教學(xué)的老師，他們對(duì)整個(gè)軟件的專業(yè)知識(shí)部分進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)、并在后續(xù)的平臺(tái)維護(hù)中不斷更新學(xué)科最新的科學(xué)研究和應(yīng)用成果進(jìn)展［9］。

平臺(tái)參照的原型是蘇州的一家食用菌有限公司，該企業(yè)具備10 000 m2的自動(dòng)化控制生產(chǎn)廠房，是一家具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)內(nèi)一流的菌類生產(chǎn)企業(yè)。平臺(tái)開發(fā)得到該企業(yè)的大力支持和幫助，開發(fā)團(tuán)隊(duì)成員多次到企業(yè)參觀、溝通和拍攝，從整體到細(xì)節(jié)都真實(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卦佻F(xiàn)了現(xiàn)代食用菌工廠生產(chǎn)的完整工藝流程、關(guān)鍵技術(shù)、核心參數(shù)及設(shè)備操作，使得平臺(tái)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用立足現(xiàn)實(shí)、放眼未來。

2.3 增加校企合作，擴(kuò)大就業(yè)，引導(dǎo)創(chuàng)業(yè)

食用菌生產(chǎn)技術(shù)是一門側(cè)重實(shí)踐和應(yīng)用的學(xué)科，也是就業(yè)和創(chuàng)業(yè)的一個(gè)方向。我校食用菌研究團(tuán)隊(duì)與食用菌企業(yè)有著長(zhǎng)期的合作，在學(xué)生的培養(yǎng)和就業(yè)中起到了良好的橋梁作用。食用菌虛擬仿真平臺(tái)的制作更進(jìn)一步深化了校企合作，并拓展了教學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用范圍，不僅可以應(yīng)用于高校的教學(xué)實(shí)踐，還可以作為企業(yè)崗前培訓(xùn)的輔助手段。

食用菌現(xiàn)代工廠化的發(fā)展對(duì)相關(guān)人才提出了更高的要求，學(xué)校教學(xué)的內(nèi)容和形式都需要與時(shí)俱進(jìn)，培養(yǎng)高素養(yǎng)實(shí)用型人才［10］。相關(guān)專業(yè)的學(xué)生通過課堂學(xué)習(xí)結(jié)合虛擬平臺(tái)，將系統(tǒng)掌握食用菌栽培的基礎(chǔ)知識(shí)和工廠化生產(chǎn)的整個(gè)流程，顯著提高綜合實(shí)踐能力，在未來的就業(yè)中具備更高的素質(zhì)和更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)通過對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的了解和學(xué)習(xí)，學(xué)生可以確定自己的興趣，為以后的創(chuàng)業(yè)方向提供參考。

3 食用菌工廠化生產(chǎn)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建及內(nèi)容

食用菌工廠化生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)基于校園網(wǎng)建立B/S網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，并通過Internet/Intranet模式下應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)，易于把握、成本也比較低。利用Visual Studio、Unity 3D等軟件工具建立模型、制作多媒體資源、構(gòu)建基于ASP.NET的交互式網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)［11-12］；采用Window Server、Internet Information Service及SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)作為網(wǎng)站服務(wù)器端軟件；采用Dell Power Edge R720服務(wù)器作為硬件支持。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、設(shè)備、器具和操作過程是在實(shí)驗(yàn)專業(yè)技術(shù)人員和平臺(tái)設(shè)計(jì)人員反復(fù)研討和改進(jìn)后設(shè)計(jì)和制作出來的，兼顧了科學(xué)性、觀賞性和用戶友好性。

食用菌工廠化生產(chǎn)虛擬仿真平臺(tái)包括基礎(chǔ)知識(shí)、工廠360°實(shí)景圖、實(shí)驗(yàn)流程和課后鞏固幾個(gè)模塊（見圖1）。基礎(chǔ)知識(shí)部分主要以文字和圖片的形式呈現(xiàn)了食用菌的形態(tài)、生理特性、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、生長(zhǎng)發(fā)育條件，該部分內(nèi)容對(duì)接課堂教學(xué)部分，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前復(fù)習(xí)鞏固相關(guān)背景和理論知識(shí)。工廠360°實(shí)景圖真實(shí)地展示了食用菌生產(chǎn)工廠從外環(huán)境、精料庫(kù)到每一個(gè)生產(chǎn)車間內(nèi)的場(chǎng)景，為學(xué)習(xí)者提供在線參觀訪問的機(jī)會(huì)。

圖1 食用菌工廠化生產(chǎn)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的框架

實(shí)驗(yàn)流程是平臺(tái)的核心模塊，以教學(xué)模式、練習(xí)模式和考核模式3個(gè)部分呈現(xiàn)完整的工藝流程和人機(jī)交互式實(shí)驗(yàn)過程。在教學(xué)模式中，學(xué)習(xí)者可以快速瀏覽各個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟、了解相關(guān)知識(shí)和注意事項(xiàng)，包括食用菌菌種制作與保存、培養(yǎng)基制作與滅菌、接種、發(fā)菌過程及管理、出菇及管理、采收及加工處理6個(gè)流程（見圖2）。練習(xí)模式是最重要、花費(fèi)時(shí)間最長(zhǎng)、需要反復(fù)學(xué)習(xí)和練習(xí)的部分。學(xué)習(xí)者首先需要為食用菌工廠選址、然后可以透視工廠每一個(gè)區(qū)域內(nèi)3D仿真場(chǎng)景，包括原料堆場(chǎng)、無菌區(qū)、培養(yǎng)區(qū)、栽培和包裝區(qū)、裝袋和滅菌區(qū)5個(gè)區(qū)域。在每個(gè)區(qū)域按順序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，平臺(tái)同步給出必要的步驟提醒和知識(shí)介紹，實(shí)驗(yàn)過程中有一些選擇和計(jì)算題，讓學(xué)習(xí)者鍛煉并掌握培養(yǎng)基配比、環(huán)境條件參數(shù)等知識(shí)（見圖3）。練習(xí)步驟覆蓋了培養(yǎng)基配制、拌料、檢測(cè)、裝袋、上蓋封口、滅菌、冷卻、無菌接種、上架、發(fā)菌培養(yǎng)、轉(zhuǎn)出菇室、拉袋、舒蕾、出菇、檢驗(yàn)、分級(jí)清理、包裝、貯存等完整的工藝流程，該過程相當(dāng)于企業(yè)兩個(gè)多月的生產(chǎn)時(shí)間?？己四Ｊ较缕脚_(tái)檢測(cè)學(xué)習(xí)者是否掌握了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的流程，以及每一個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)步驟和注意事項(xiàng)，以“問號(hào)”的形式讓學(xué)習(xí)者一一解答（見圖4），系統(tǒng)對(duì)解答內(nèi)容進(jìn)行打分并給出正確的答案和解析。

圖2 食用菌工廠化生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要流程

圖3 練習(xí)模式中的培養(yǎng)基配制環(huán)節(jié)

圖4 考核模式中的車間管理

在課后鞏固部分，平臺(tái)預(yù)設(shè)了幾十道食用菌栽培相關(guān)的原理知識(shí)、實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)和注意事項(xiàng)方面的題目，學(xué)習(xí)者可以反復(fù)測(cè)試，直至完全掌握相關(guān)知識(shí)。老師可以得到學(xué)生登錄次數(shù)、練習(xí)次數(shù)和測(cè)試情況等信息，從而了解學(xué)生自主學(xué)習(xí)的態(tài)度和效果。

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和應(yīng)用前景

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有開放性、廣域性、交互性和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，是信息化時(shí)代教學(xué)改革的重要?jiǎng)?chuàng)新［13］。食用菌工廠化生產(chǎn)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)是我校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心自主開發(fā)的又一項(xiàng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，已申請(qǐng)了軟件著作權(quán)?？蛻艨梢酝ㄟ^瀏覽器或APP，高效、快捷地訪問我中心虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，在互聯(lián)網(wǎng)上隨時(shí)隨地訪問和學(xué)習(xí)。

仿真實(shí)驗(yàn)與課堂實(shí)驗(yàn)功能互補(bǔ)、虛實(shí)結(jié)合，打破了實(shí)體教學(xué)時(shí)間空間的限制，將學(xué)習(xí)有效延伸到課堂之外。課前，學(xué)生通過虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行預(yù)習(xí)，了解實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的基本內(nèi)容；課中，教師在虛擬仿真平臺(tái)上完成原理和方法的教學(xué)，開展實(shí)體實(shí)驗(yàn)操作演示，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯W(xué)習(xí)任務(wù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作；課后，學(xué)生可以自主開展虛擬實(shí)驗(yàn)操作與復(fù)習(xí)鞏固，并通過在線測(cè)試進(jìn)行考核，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。仿真實(shí)驗(yàn)作為一個(gè)強(qiáng)有力的教學(xué)輔助手段，彌補(bǔ)了食用菌生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中缺乏場(chǎng)地、學(xué)時(shí)不足的局限，學(xué)生可以在仿真課件的幫助下自主、反復(fù)學(xué)習(xí)，還可以在互動(dòng)平臺(tái)上提問和相互交流?？傊?，虛擬仿真平臺(tái)在教學(xué)中的應(yīng)用顯著激發(fā)了學(xué)生的興趣，提升了學(xué)習(xí)效果。

食用菌工廠化生產(chǎn)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)已在我校生命科學(xué)學(xué)院的本科生中試點(diǎn)運(yùn)行，應(yīng)用于食用菌生產(chǎn)技術(shù)和微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)兩門課程中。虛擬仿真課件有效補(bǔ)充了目前課堂實(shí)驗(yàn)無法開設(shè)的部分，內(nèi)容生動(dòng)新穎，學(xué)生們?cè)诶蠋煹闹笇?dǎo)下學(xué)習(xí)應(yīng)用仿真課件，然后借助仿真課件自主學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)、練習(xí)操作過程。學(xué)生對(duì)此平臺(tái)給予了高度評(píng)價(jià)，同時(shí)也提出了中肯的建議。將不斷完善此教學(xué)軟件，并將其應(yīng)用到我校其他院系的本科生相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程中。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在建設(shè)優(yōu)質(zhì)仿真資源的同時(shí)，深入研究虛擬仿真資源的管理及共享應(yīng)用機(jī)制，有力促進(jìn)高校間優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)資源的整合共享，先后與浙江大學(xué)、南京師范大學(xué)、蘭州大學(xué)、西藏農(nóng)牧學(xué)院、新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)等院校簽訂了共建共享協(xié)議。和其他的虛擬仿真資源一樣，我校的食用菌工廠化生產(chǎn)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)也將和其他院校相關(guān)專業(yè)進(jìn)行合作共享［14-15］。

另外，該項(xiàng)目還免費(fèi)對(duì)社會(huì)公眾開放，以期獲得更為廣泛的科普教育意義。目前已經(jīng)接洽了江浦農(nóng)場(chǎng)、蘇州食用菌公司等生產(chǎn)一線單位，免費(fèi)提供實(shí)訓(xùn)資源，從而使本項(xiàng)目的實(shí)施范圍最大化。

5 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)存在的問題與軟件更新

食用菌工廠化生產(chǎn)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自開發(fā)以來，已試運(yùn)行100余次。通過虛擬仿真中心團(tuán)隊(duì)、課程教學(xué)老師以及學(xué)生對(duì)軟件的反復(fù)使用，發(fā)現(xiàn)在軟件開發(fā)和運(yùn)行方面還存在一些問題，將在后續(xù)的更新中進(jìn)行完善。主要包括：①平臺(tái)內(nèi)容需要進(jìn)一步補(bǔ)充和完善，該平臺(tái)主要以杏鮑菇為例，詳細(xì)制作了其生長(zhǎng)培養(yǎng)的整個(gè)過程，在后續(xù)項(xiàng)目中將逐漸加入草菇、金針菇、雙孢蘑菇等菌種；②操作步驟可以分為幾個(gè)子模塊，分別運(yùn)行。該實(shí)驗(yàn)是個(gè)綜合性大實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)步驟煩瑣，花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，因而可以將全部實(shí)驗(yàn)步驟分為幾個(gè)部分（比如培養(yǎng)基配制、發(fā)菌、出菇），學(xué)生根據(jù)自身需要選擇其中一部分或幾部分進(jìn)行操練。③進(jìn)一步增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的流暢性和操作的便捷性，改善用戶體驗(yàn)。④緊跟科學(xué)發(fā)展的前沿，在課件里鏈接一些最新的研究進(jìn)展和應(yīng)用實(shí)例。

6 結(jié) 語

食用菌生產(chǎn)技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是高等教育信息化環(huán)境下的必然產(chǎn)物。本教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建了從食用菌基礎(chǔ)知識(shí)到工廠化生產(chǎn)的完整流程，彌補(bǔ)了食用菌生產(chǎn)技術(shù)教學(xué)實(shí)踐中的局限，使學(xué)生在仿真的環(huán)境中學(xué)習(xí)知識(shí)、掌握技能。以學(xué)生為中心的虛實(shí)結(jié)合的互動(dòng)教學(xué)，有利于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、提高探究和解決科學(xué)問題的能力，達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)實(shí)用型人才的目的。軟件將在使用中不斷維護(hù)和更新，并與更多院校和社會(huì)機(jī)構(gòu)開放共享，以達(dá)到資源最大化利用，切實(shí)體現(xiàn)虛擬仿真教學(xué)手段的必要性和優(yōu)越性。