青稞種植與加工虛擬仿真實驗教學平臺的建設及實踐

王進英，院珍珍，陳霞，韓麗娟，葉英，劉薈萃，秦艷婷，李彩嬌，王樹林

（青海大學，西寧 810016）

食品科學與工程是將基礎學科和工程學的理論運用于研究食品基本的物理、化學和生物化學性質及食品加工原理的一門應用型學科。青海大學食品科學與工程專業開展實驗教學旨在培養學生的實踐與創新能力，讓學生在掌握食品科學與工程基本理論基礎上，進一步了解食品加工單元操作和食品工廠的規劃、生產及管理，從而具備解決食品工業生產及發展實際問題的能力。目前，青海大學農牧學院動科系食品科學與工程專業為實驗教學方式改革做了很多探索和努力，但實驗教學的質量和效果不夠明顯。因此借助新興虛擬仿真教學手段，將視、聽、觸等多種感知的虛擬實驗環境融入實驗教學，能更好地激發學生的學習興趣，提升實踐教學質量。

一、虛擬仿真實驗教學現狀

虛擬仿真實驗教學的推廣順應了教育信息化的發展趨勢和現實需要，推動了高校實驗教學改革和創新，是“虛擬現實+教育”深度融合的產物[1-3]。2012年，教育部印發了《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》，倡導借助信息技術與高等教育深度融合，促進人才培養機制創新；2013—2015年，以“科學規劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續發展”為指導思想，教育部遴選出300 個國家級虛擬仿真實驗教學中心，為實驗教學方法改革與實驗資源建設創新開創了新局面；2017年，教育部辦公廳印發了《2017 年教育信息化工作要點》和《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》兩個重要文件，鼓勵開展虛擬仿真實驗共享平臺建設以適應教育信息化的國際形勢。同年，教育部啟動示范性虛擬仿真實驗教學項目認定工作，2018 年確定名稱為國家虛擬仿真實驗教學項目為國家級“金課”。教育部對虛擬仿真實驗教學的重視程度，大力推動了虛擬仿真實驗教學中心的建設[4-6]。

二、開展虛擬仿真實驗教學的目的

（一）解決因實驗空間和時間限制降低實驗教學效率的瓶頸問題

青海大學食品科學與工程專業每個年級約120人，本專業現有實驗室空間僅能容納30～40 人同時開展實驗課程教學。因此，實驗過程中，學生單獨熟悉設備和實際操作的時間有限，在客觀條件上不利于培養學生良好的實驗動手能力。常規課程實驗，一般每個班分為4～5組，每組7～8人，由于實驗內容較多，部分學生沒有參與其中。綜合性大實驗，多個班級輪流使用實驗室也給實驗教學帶來了一定困難。此外，由于涉及實驗室制度和人員配備等方面的限制，本專業實驗室的開放程度并不夠，學生一般只能在實驗課規定的學時內做實驗，不能隨時隨地利用課余時間做實驗，降低了學生上實驗課的熱情。

（二）解決教學成本與設備條件限制學生動手操作機會的問題

食品科學與工程專業實驗課程實驗項目繁多，所需原料、儀器種類也很多。實驗室配置的大型精密儀器及加工設備，具有操作不當易引起損壞、設備維護復雜且費用高和體積大的特點[7]。例如，食品分析實驗中關于氣相、液相操作等實驗項目。涉及此類實驗儀器的實驗，老師講解與操作演示，學生在一旁觀看，這就降低了學生的積極主動性，導致師生之間的互動性差，影響了實驗教學效果。此外，精密儀器結構較復雜，即使老師在現場做情景化、實時化的演示實驗，無法拆解儀器，學生也難以對該儀器設備的內部構造進行深入和全面地了解。學生獨立操作的機會也很少，影響學生動手能力的提高。

（三）解決受安全性風險限制部分實驗項目開設的問題

食品科學與工程專業實驗課程中用到的化學試劑大多易燃、易揮發，并具有一定的腐蝕性和毒性，如凱氏定氮法測定粗蛋白和索氏抽提法測定粗脂肪中用到的濃硫酸和乙醚。此外，食品加工單元中多設計高溫、高壓等條件，且一些精密儀器的長時間使用存在輻射危害。從而限制了實驗教學過程中部分實驗項目的開設，使得實驗內容比較單一。

（四）解決食品的鏈式加工使得有些實驗在實驗室難以實現的問題

現代食品的加工多是電腦中央化控制的自動化鏈式生產，不再是單元設備的簡單連接。現階段，實驗室中的設備多為單元操作設備，無法培養學生專業知識的綜合應用能力。而在實驗室建立產業化的鏈式食品加工線也并不現實，如青稞粉的生產線（包括清理、調制、脫皮、碾米、研磨、篩分、清粉、刷麩和成品整理等環節）。因此，可采用虛擬仿真技術實現學生對食品鏈式加工的認知。

（五）解決食品專業知識和實驗技術片段化，沒有形成整體體系的問題

青海大學食品科學與工程的課程體系由通識課程、學科基礎課程、專業基礎課程和專業課程四部分組成，課程設置的板塊化，需要學生學習完各個課程后，將食品學科整個知識點和實驗技術整合起來。知識點和實驗技術的片段化需要學生提高自身的綜合水平，將所學知識和技能靈活應用于生產實踐。例如：食品化學主要介紹了食品中主要營養素的化學特性，食品工藝學主要介紹了食品加工中用到的各種工藝，學生需要片段化學習，再將兩者綜合起來。

（六）解決受生產企業食品質量控制及安全管理限制，學生生產實習受到限制的問題

現代食品加工企業具有嚴格的食品質量及安全管理制度，學生進入車間實習前需要進行體檢、辦理健康證等一系列程序。因此，學生無法結合課程理論學習及時進行生產技能訓練為主的生產實習；受風險管控及安全規定限制，學生進入車間實習也無法進行設備操作、設備控制等實踐技能訓練，大多時候只能是參觀式的實習，學生集中生產實習期間，也只能在包裝車間、倉儲等環節實習，極大地限制了學生生產實習的效果。

（七）解決現有專業培養模式無法形成以食品加工為中心的全產業鏈知識體系的問題

隨著我國鄉村振興戰略的實施，以食品加工為中心的農產品加工產業成為實現鄉村振興的主要產業。在我國新農村建設及鄉村振興大背景下，對食品科技人才專業技能的要求涉及產前（種植、研制）、產中（加工）和產后（消費），而目前食品科學與工程專業人才培養環節主要集中于加工的理論和知識，而忽略了產前和產后知識的學習。

三、青稞種植與加工虛擬仿真實驗體系的構建

青稞作為青藏高原地區極具特色和文化內涵的農作物，有著悠久的種植歷史，是青海省特色農牧業發展的重要組成部分。本項目以青稞為原料，從青稞種植、加工為切入點，結合糧油食品工藝學實驗、食品分析實驗、食品化學實驗和食品發酵工程設計性實驗等四門實驗課程的內容，以能實不虛、虛為實用、虛實結合為原則[8]，構建虛實結合、多元一體青稞種植及加工虛擬仿真實驗教學體系。

四、青稞種植與加工虛擬仿真實驗教學體系的組成

（一）青稞種植及收割3D 虛擬仿真實驗

青稞種植及收割3D 虛擬仿真軟件包括實驗預習、拓展學習和線上實操三部分。實驗預習中介紹了實驗內容、認知學習和操作指南。拓展學習中介紹了青稞病蟲害識別及防治、青稞品質控制、青稞營養成分及污染物檢測和青稞種植及收割過程中的部分栽培技術及主要農機。線上實操是本項目的重點內容，對青稞種植及收割過程中的選地整地、播種作業、田間管理、適時收割都進行了虛擬仿真設計。學生通過虛擬仿真軟件PC 版和VR 版的操作，不僅可了解青稞各季節生長狀況、種植準備工作、田間管理和機械化收割操作過程，還可以掌握青稞營養成分（蛋白質、粗脂肪、γ-氨基丁酸）和污染物（重金屬和農藥殘留）測定的基本原理，為青稞種植及收割提供技術指導奠定良好的基礎。

青稞種植及收割3D 虛擬仿真軟件參照青稞現實種植農場布局，利用虛擬現實技術，按實際實習過程完成交互，完整再現了青稞種植過程中的整地、播種、田間管理等過程。軟件的3D 操作畫面具有環境真實感強、操作靈活性和獨立自主性的特點，學生可自行查看農機設備的組成部分，發現實際操作過程中的一些盲點，為學生提供了一個自主解決問題的實驗平臺，有利于調動學生學習的積極性，培養學生的動手能力，同時也增強了學習的趣味性。通過對虛擬軟件的操作演練，學生能進一步掌握專業知識，了解青稞種植及收割的實際環境，培訓基本動手能力，為將來進行實踐操作奠定良好基礎?？己朔绞街饕蟹抡骓椖靠荚嚭屠碚摽荚嚨?。系統根據任務的完成情況進行評定，判斷是否得分。在虛擬教學平臺中，系統實時顯示得分，對成績進行統計，有助于教師對學生進行的項目進行統一啟動和控制。

（二）青稞γ-氨基丁酸粉加工虛擬仿真實驗教學軟件

青稞γ-氨基丁酸粉加工虛擬仿真實驗軟件也包括知識預習、線上實操和拓展學習三個模塊。知識預習模塊中包括γ-氨基丁酸簡介、黑青稞簡介、設備與工藝介紹和車間操作規范四部分。線上實操包括原料清理、萌芽培養和磨粉包裝三部分。拓展學習包括γ-氨基丁酸粉功能性食品研發、谷物加工制粉工藝及拓展測驗。該平臺對原料清理、萌芽培養、磨粉包裝和γ-氨基丁酸含量測定進行了虛擬仿真設計，完整再現了青稞γ-氨基丁酸粉生產的原料驗收、清理、γ-氨基丁酸培養、制粉和包裝等操作過程。學生通過虛擬仿真軟件PC 版和VR版的操作，掌握青稞制粉工藝機械設備運行原理和青稞γ-氨基丁酸粉制備工藝，了解青稞的籽粒品質、營養品質及加工品質和青稞制粉車間良好操作規范（GMP）。

青稞γ-氨基丁酸粉加工過程由多個單元操作構成，其中涉及多個操作步驟及多種復雜的儀器設備，另外實踐操作的時間周期長，因此在工廠的實踐教學開展過程中面臨著效率低的問題。學生對實踐加工過程中具體操作儀器的認知往往停留在表觀階段，不能理解其內部結構原理，所以達不到較理想的實習效果。青稞γ-氨基丁酸粉加工虛擬仿真實驗教學軟件依據青稞制粉試車間實際布局搭建模型，按實際實驗過程完成交互，對青稞γ-氨基丁酸粉加工過程中儀器設備進行動態拆解、原理分析及考核學生自主裝配，學生通過對該軟件的操作練習，能了解青稞γ-氨基丁酸粉加工生產的實際操作環境和相關儀器設備的基本原理，培訓了基本動手能力，為后續進行實踐奠定良好基礎。在考核模式中，系統不會給出操作提示，操作正確時得分，錯誤時不得分，學生可以實時查看自己的得分情況及扣分原因，及時地做出調整，最終的評算是未扣除的分值之總和。

（三）青稞酒釀造虛擬仿真實驗

青稞酒是青海省特色農產品，是青稞的主要產品。青稞酒釀造虛擬仿軟件包括培訓和考核兩種模式。在培訓模式中，學生通過虛擬仿真軟件PC 版和VR 版的操作，先后學習開窖起糟（黃水鑒定、母糟鑒定和續糟配料準備等）、上甑蒸餾（上甑操作、看花摘酒、糧食蒸煮糊化）、攤晾下曲（打量水、攤晾和下曲等）、入窖管理（入窖、踩窖、封窖和窖池養護等），通過虛擬場景交互式操作，進行青稞酒釀造實訓實驗訓練，掌握固態發酵技術。根據系統中的指引掌握青稞酒酒曲制作工藝、酒釀造工藝及青稞酒風味物質的檢測，除此之外還能了解青稞酒的罐裝和包裝工藝。而在考核模式中，系統中不顯示指引信息，學生要根據培訓模式下的學習自行完成各項學習任務和操作。

青稞酒釀造仿真實驗項目是一個虛擬基礎化學模擬操作平臺，具有三維、高仿真度、高交互操作、全程參與式和可提供實時信息反饋與操作指導的特點。參照青稞酒釀造工廠實際布局搭建，利用虛擬現實技術，按實際實習過程完成交互，完整再現了青稞酒釀造過程中的開窖起糟、上甑蒸餾、攤晾下曲和入窖管理等操作過程。學生經本平臺上的操作練習，進一步熟悉專業基礎知識、了解青稞酒釀造工廠的實際操作環境，有助于培養專業技術應用型人才。虛擬仿真實驗考核，教師可通過基于局域網的網絡通信與控制軟件的教師站，對學員機的項目進行統一啟動和控制。

（四）青稞酸奶加工虛擬仿真平臺

青稞酸奶加工虛擬仿真軟件包括兩個實習環節：工廠認知、工廠實訓。工廠實訓又分為四個培訓項目：原料乳預處理、配料、殺菌和酸乳發酵。工廠認知是通過PC端學習以下主要內容：酸乳工廠GMP 要求及衛生規范要求，工廠與車間布局，酸乳生產工藝流程，各個工序的操作要求及關鍵控制點，掌握乳制品加工重點設備原理、運行與維護等內容，對關鍵工藝設備的虛擬拆分，較為直觀展示和講解凈乳機、高壓均質機、單效降膜蒸發器的構造和原理。

工廠實訓通過VR 端或PC 端進入，虛擬再現酸乳生產實景。該環節將酸乳加工主要分為四個工段，分別為原料乳預處理（原料乳驗收及貯存、凈乳、蒸發濃縮、均質、預殺菌各工序的操作及參數控制）、配料（配方設計，配料工序的操作及參數控制）、殺菌（殺菌工序的操作及參數控制）、發酵（發酵工序的操作及參數控制），包含交互式操作。學習者跟隨酸乳生產工藝流程依次進入對應生產車間，進行自主式、交互式的理論知識學習。

酸乳生產實習是食品專業生產實習環節中的一項重要任務。而課堂教學僅僅是進行工廠認知及工藝講解，學生很難對此進行全面、系統地學習和實踐，又因進入工廠的實踐教學開展面臨高成本、高危險和耗時長的瓶頸，同時，隨著食品企業生產衛生安全規范執行的日益嚴格，學校很難大批量地安排學生到企業進行實踐學習。因此，學生目前普遍缺乏對酸乳工廠與生產線的認識及實踐訓練，實習效果往往不夠理想，學生普遍反饋體驗差。通過虛擬仿真實習的方式能有效彌補現有實習教學的缺陷。學生通過對酸乳生產仿真實習軟件的操作練習，進一步熟悉掌握酸乳生產工藝、乳品加工安全生產規范、車間主要設備與工廠布局及產品品質標準。使學生能夠以獨立或團隊合作方式按生產任務完成各工序任務，提高基本動手能力，以滿足發酵乳制品課堂教學的目的與行業對專業人才的需求。

五、基于虛擬仿真軟件的實踐教學體系

基于青稞種植與加工虛擬仿真實驗教學平臺，青海大學食品科學與工程專業對實驗和實踐教學體系進行了改革，形成了虛擬仿真、實驗教學、生產實習和教學改革“三位一體”的農產品加工課程實踐教學新體系。實驗教學方面，糧油食品工藝學實驗、食品工藝學實驗、食品分析實驗、食品化學實驗和食品發酵工程設計性實驗等實驗課程圍繞虛擬仿真實驗教學平臺補充完善教學內容、拓展修改考核方式、充分利用信息化實驗教學方法和手段激發學生學習興趣，強化了理論知識學習和實驗實踐的銜接性。專業生產實習方面，融合虛擬仿真實驗教學平臺和專業生產實習，在學生進行專業實習前，利用虛擬仿真實驗教學平臺完成認知學習和安全意識培訓，為后續專業實習實踐奠定了良好的基礎。結合虛擬仿真實驗教學平臺，改革實驗和實踐教學模式，構建新教學體系，提升了青海大學食品科學與工程專業學生的學習主動性和實踐能力。

六、結束語

虛擬仿真教學作為一種新的教學方式，不僅為課堂教學提供了信息化技術手段，而且可顯著提高學生學習的積極性和主動性。將課堂中理論知識的刻板講解，轉換為自動引導性、可重復和趣味性強的計算機虛擬操作，夯實學生對專業理論知識的掌握，提升學生對實驗課程的主動性，提高學生的學習成效，開拓學生課外知識范圍，從而實現理論與實踐相結合的教學目的，對于青海大學食品科學與工程專業實驗教學模式改革具有重要意義。構建青稞種植與加工虛擬仿真實驗教學平臺，以虛擬仿真教學為突破口，探索食品科學與工程新工科建設的思路和途徑，獲得創新性的教學成果，為青海大學食品科學與工程本科專業發展和建設一流專業奠定基礎。