糧食工程專業(yè)數(shù)字化3D教學資源建設(shè)的探索與實踐

邵小龍 殷蕾 陳從雯 丁超

摘要：“人才興糧興儲”是中國保障糧食安全、大力發(fā)展糧食產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟的重要支撐。針對糧食行業(yè)培訓教學資源不足的實際困難，應用現(xiàn)代科技手段建設(shè)糧食工程專業(yè)數(shù)字化教學資源，在現(xiàn)有虛擬仿真教學平臺、第二課堂等建設(shè)基礎(chǔ)上，提出一種新型教學資源建設(shè)方法，通過資源建設(shè)積累和教學數(shù)字化轉(zhuǎn)型，逐步改進傳統(tǒng)教學模式，增強學生專業(yè)興趣，促進學生自主學習能力和實踐動手能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：糧食工程專業(yè)；3D（三維）模型；資源建設(shè)；教學實踐

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20230416

基金項目：南京財經(jīng)大學校級教學改革研究課題（JGY2001054）；食品科學與工程國家一流專業(yè)建設(shè)點項目；糧食工程江蘇省特色專業(yè)建設(shè)項目。

Exploration and practice of digital 3D teaching resource construction of grain engineering major

Shao Xiaolong， Yin Lei， Chen Congwen， Ding Chao

（ College of Food Science and Engineering/Nanjing University of Finance and Economics， Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety， Nanjing， Jiangsu 210023 ）

Abstract："Talents raise grain and storage" is an important support for China to ensure food security and vigorously develop the grain industry economy. In view of the practical difficulties of insufficient training and teaching resources in the grain industry， modern scientific and technological means are used to build digital teaching resources for grain engineering. Based on the construction of the existing virtual simulation teaching platform and the second classroom， a new teaching resource construction method has proposed. Through the accumulation of resources and the digital transformation of teaching， the traditional teaching mode will be gradually improved， and students professional interests should be trained， so as to promote the cultivation of students autonomous learning ability and practical ability.

Key words： grain engineering major， 3D model， resources construction， teaching practices

“倉稟實，天下安”。糧食安全是實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展、社會和諧、政治穩(wěn)定的重要基礎(chǔ)。近兩年新冠疫情、自然災害、人類戰(zhàn)爭等風險挑戰(zhàn)層出不窮，糧食安全為應對國際威脅和維護我國社會穩(wěn)定起到了壓艙石作用。糧食工程專業(yè)人才是支撐糧食行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，但我國糧食行業(yè)仍存在人力資源不充足、技術(shù)裝備不先進、創(chuàng)新能力不強等突出問題，阻礙了糧食產(chǎn)業(yè)鏈的升級和價值提升[1]。隨著人們對美好生活的需求增加，飲食健康產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對糧食儲藏和加工人才的專業(yè)水平、職業(yè)素質(zhì)提出了越來越高的要求。

教學資源可以理解為一切可以利用于教育、教學的物質(zhì)條件、自然條件、社會條件以及媒體條件，是教學材料與信息的來源。隨著電子設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)科技進步，逐漸增加了線上的數(shù)字化電子資源，包括視頻、課件、習題、案例、實驗項目、數(shù)字教材、實訓項目、數(shù)據(jù)集等等。有效地利用數(shù)字化教學資源，可以激發(fā)學生的學習與發(fā)現(xiàn)的興趣，是培養(yǎng)自主學習能力和創(chuàng)業(yè)能力極佳的路徑[2]。基于傳統(tǒng)的教學方法要想使本科生獲得學習的頂峰體驗難度非常大，隨著信息技術(shù)的發(fā)展和教育理念變革，出現(xiàn)了MOOC（慕課）、Flipped Classroom（翻轉(zhuǎn)課堂）、微課程等教育和學習模式的新探索。信息化、數(shù)字化手段和教育之間的結(jié)合已經(jīng)成為重要的趨勢，高校學生的自主性更強，建設(shè)數(shù)字化教學資源的價值更加突出。

本文針對糧食工程專業(yè)數(shù)字化教學起步晚、教學資源較少和推廣程度不足的問題，從目前糧食行業(yè)教學資源的現(xiàn)狀出發(fā)，以南京財經(jīng)大學糧食工程專業(yè)為例，根據(jù)實際專業(yè)課程的培養(yǎng)方案課程安排，分析目前數(shù)字化教學資源的建設(shè)進展情況，并探索實踐一種新的數(shù)字化教學資源建設(shè)方法，擬為今后糧食工程類專業(yè)高質(zhì)量和多樣化的教學資源建設(shè)方向提供參考。

1 糧食工程專業(yè)教學資源的現(xiàn)狀及存在問題

糧食工程專業(yè)主要培養(yǎng)符合國家糧食產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，具有較扎實的糧食工程方面的理論知識和實踐技能，能從事糧食工程及相關(guān)領(lǐng)域的復合型高級工程技術(shù)人才。南京財經(jīng)大學本專業(yè)培養(yǎng)方案中的教學課程主要由公共基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)主干課、專業(yè)限定選修和任意選修課組成[3]。

1.1 教材資源缺乏，且更新較慢

公共基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課與輕工類專業(yè)基本一致；專業(yè)主干課程中食品工程原理、食品化學、加工工藝、儲藏、工廠設(shè)計等與食品類專業(yè)教學課程也有較大比例的重合。因此，以上課程都可以共享食品或輕工類專業(yè)的教材資源，教學和實驗資源較為充足。但是作為專業(yè)限定選修的貯藏害蟲防治、糧食干燥技術(shù)、糧油儲藏學、油料加工等課，是糧食工程特色或獨有的課程。由于國內(nèi)開設(shè)糧食工程專業(yè)的高校數(shù)量不多，因此，造成這些課程的教材資源較少，且更新較慢。

1.2 教學共享資源不多，交流活動少

由于缺乏教學交流互動的現(xiàn)實原因，即使使用同一本教材時，不同單位講述的側(cè)重點也可能不一樣。有時候教材中的部分章節(jié)由于缺乏相應的教學素材，講課時無法將該領(lǐng)域的歷史、發(fā)展現(xiàn)狀和前沿動態(tài)進行系統(tǒng)講解，學生很難全面掌握該領(lǐng)域知識。互聯(lián)網(wǎng)上也極少有本專業(yè)的精品課程、公開課、慕課、微課等網(wǎng)絡(luò)資源出現(xiàn)，各單位之間缺乏參考和借鑒，培養(yǎng)學生質(zhì)量的高低非常依賴教學單位的歷史傳承。糧食工程專業(yè)教學交流活動少，公共資源的不夠豐富，各培養(yǎng)單位勢必會出現(xiàn)教學質(zhì)量不一，學生能力參差不齊的現(xiàn)實問題。

1.3 課外教學實踐資源受局限較大，開展不充分

由于場所、資金等因素的限制，校內(nèi)實踐資源的規(guī)模和層次相對較低；校外實踐資源雖相對較多，但受實踐地點、時間、崗位等諸多因素的影響，學生去校外實習不方便也不安全。學生的實踐教學大多成為走馬觀花的過程，學生無法獲得相應的專業(yè)技能訓練，達不到學以致用的目的[4]。例如，在進行倉儲害蟲知識點實踐教學時，受季節(jié)和場地影響，不便于實地采蟲。一般可在儲糧昆蟲實驗室或儲藏物昆蟲標本室進行，但是很多高校并沒有相應的資源。這導致實踐教學環(huán)節(jié)薄弱，學生只了解理論知識，而缺乏觀察辨別和動手操作能力，造成部分高校教學存在重理論、輕實踐的現(xiàn)象[4]。

2 糧食工程專業(yè)數(shù)字化教學資源建設(shè)的探索

2.1 數(shù)字化教學資源建設(shè)的必要性

數(shù)字化教學資源是指運用計算機、信息化等手段對傳統(tǒng)教學資源進行數(shù)字化改造，形成便于自學互動和傳播共享的多媒體資源。它能將難以理解的抽象內(nèi)容通過通俗易懂的圖像、動畫展示出來，有利于學生加深印象，更好地理解和掌握課堂知識；學生還可以在課余利用網(wǎng)上教學資源進行學習，便于知識的查缺補漏和加強。充足的數(shù)字化教學資源能保障數(shù)字化教學順利轉(zhuǎn)型，滿足信息化教學需求，提高教學水平。像糧食工程專業(yè)這類全國開設(shè)數(shù)量較少的專業(yè)，更需要推進數(shù)字化教學資源建設(shè)進度。不僅有利于院校間的資源共享和資源整合，而且有利于縮短院校之間的教學差距，從而保障糧食工程專業(yè)人才的高水平培養(yǎng)，滿足行業(yè)需求。

當前糧食工程專業(yè)的數(shù)字化教學資源等存在嚴重缺口，疫情更加凸顯這一問題。疫情之下，校門廠門管控加強，部分學生被限制進入，學生也不能正常到糧庫和加工廠進行課外實踐。校內(nèi)實驗室或標本室也是限制出入，實驗操作等課程教學受到諸多影響。例如糧油儲藏學、倉儲害蟲防治等配套實驗都被集中安排到某時段，造成實驗與課堂教學進度不一致。傳統(tǒng)教學方式和秩序因不可抗力量被打斷，而便于安排配置教學的數(shù)字化資源建設(shè)不足，嚴重影響學生的專業(yè)知識技能的培養(yǎng)效果。因此，基于以上客觀原因，糧食工程專業(yè)的數(shù)字化教學資源建設(shè)迫在眉睫。

2.2 數(shù)字化教學資源建設(shè)的現(xiàn)狀

南京財經(jīng)大學在專業(yè)教學中設(shè)置糧食工程虛擬仿真綜合實訓，建設(shè)了虛擬仿真教學平臺的數(shù)字化資源[3]。該平臺內(nèi)置糧食儲運加工技術(shù)主要知識點和教學視頻，將實踐理論、仿真操作、在線學習和在線考察于一體。通過仿真教學平臺教學，提高了教學的直觀性和趣味性，幫助學生深入透徹的理解專業(yè)知識，避免部分實踐教學環(huán)節(jié)的安全風險，解決教學過程中因時間、空間、教學資源等限制問題。例如，為解決磷化氫環(huán)流熏蒸實驗教學的安全性和時空限制等難題，運用3D場景呈現(xiàn)方式，建設(shè)了《糧食倉儲磷化氫環(huán)流熏蒸虛擬仿真實驗教學項目》。學生可以像真實環(huán)境中學習危險的實驗操作，填補了常規(guī)教學的空白。該項目面向全國數(shù)個高校開放，在全國同類高等專業(yè)教學中起到了顯著的示范作用，并入選了2018年度國家虛擬仿真實驗教學項目名單。該項目的成功建設(shè)，啟發(fā)教師在教學過程中要大膽運用前沿技術(shù)，結(jié)合課程建設(shè)和行業(yè)實際需求，設(shè)計出具有廣度和深度的教學項目[5]。

南京財經(jīng)大學、河南工業(yè)大學等高校在糧食工程專業(yè)培養(yǎng)方案中設(shè)置了第二課堂活動。第二課堂是指學生在規(guī)定的教學計劃課程之外自愿參加的，培養(yǎng)獨立工作和創(chuàng)新能力的實踐活動。南京財經(jīng)大學以智能化為導向構(gòu)建“第二課堂”的糧食科技人才培養(yǎng)模式，基于虛擬仿真實訓室，構(gòu)建“智能軟件+ 大數(shù)據(jù)應用”的智能化學習平臺，為學生開設(shè)糧食倉儲相關(guān)智能軟件的課程培訓。學生有機會學習糧食倉儲智能軟件管理與操控，然后開展模擬實驗，在校內(nèi)糧食倉儲虛擬實驗平臺上熟悉整個糧食倉儲運行系統(tǒng)。另外，學校聯(lián)合企業(yè)協(xié)助開發(fā)糧食倉儲、糧情監(jiān)測、智能出入庫系統(tǒng)等模擬測試訓練模塊，將理論教學、專業(yè)實踐與綜合體驗相融合[6]。既培養(yǎng)學生了解掌握現(xiàn)行實用的行業(yè)技術(shù)知識，又具備先進創(chuàng)新意識和動手實踐能力，為走出校園服務行業(yè)作好充分準備。

3 糧食工程專業(yè)3D數(shù)字化資源建設(shè)的具體實踐

盡管已經(jīng)建設(shè)了一些數(shù)字化教學資源，但覆蓋的知識面不夠廣泛，還需要繼續(xù)探索和實踐。目前糧食工程專業(yè)課程教學主要使用書本和多媒體課件，而書本和多媒體中的素材大多平面化，缺乏立體感。盡管本專業(yè)實物樣品教具成本低、較易獲得，但教學效果卻差強人意。例如，糧油食品原料、制品或害蟲的真實實物形式單一，細節(jié)展示困難；與色彩鮮艷或外形漂亮的農(nóng)業(yè)昆蟲相比，倉儲害蟲標本大都體積較小、外觀暗淡、識別度低，難以激發(fā)學生學習的興趣和熱情[7]。這些問題一定程度上限制教學效果。雖然建設(shè)方式、資源媒介形式具有多樣化特點，但是可以遵循教學性、科學性、開放性、通用性、層次性、經(jīng)濟性等一般原則進行設(shè)計與開發(fā)數(shù)字化資源。在此原則的指導下，以下介紹糧食工程專業(yè)3D（三維）數(shù)字化教學資源建設(shè)過程，以及建設(shè)得到的初步成果。

3.1 3D數(shù)字化資源建設(shè)的實踐研究過程和方法

本資源的開發(fā)建設(shè)主要采用教學需求與資源開發(fā)相結(jié)合的方法，以需求為導向，針對性地運用現(xiàn)代先進手段制作出傳統(tǒng)手段無法得到的教學資源。對現(xiàn)有資源的補充和完善，增強了教學效果。

首先，進行教學需求調(diào)研。在教學資源建設(shè)前，與相關(guān)專業(yè)授課老師，特別是與有多年教學經(jīng)驗的老師進行交流。調(diào)查目前課程教學中的難點和重點，全面收集教學過程中的問題，分析傳統(tǒng)教具的優(yōu)勢和不足。然后，選取合適的資源建設(shè)方法。根據(jù)教學需求，特別是教材中的重難點部分，對食品原糧或成品、儲藏害蟲等進行3D掃描重建成像；選取合適的外觀圖和內(nèi)部局部結(jié)構(gòu)截面，并設(shè)計二維圖、三維圖、動畫等多種形式的多媒體素材。最后，根據(jù)使用評價效果，并進行資源優(yōu)化。課后與任課教師進行面對面交流，探討圖像和教具的課堂使用效果和改進方向；制作調(diào)查問卷，收集上課學生的反饋意見，分別從教育性、科學性、創(chuàng)新性、新穎性和實用性對虛擬3D技術(shù)教學資源進行評價；根據(jù)問卷結(jié)果，優(yōu)化資源細節(jié)和編寫資源使用指南，總結(jié)教學實踐經(jīng)驗。

具體的研究與實踐教學體系構(gòu)建思路如圖1所示。

3.2 糧食工程專業(yè)數(shù)字化資源建設(shè)實踐的初步成果

傳統(tǒng)教學主要使用課本教材、多媒體課件、圖冊或掛圖等進行知識點教學。由于這些都是平面圖像，提供的信息有限且不夠生動，難以調(diào)動學生學習積極性。實際常見的小麥、大米、綠豆等糧食顆粒只有數(shù)厘米長度，難以展示局部細節(jié)。因此開始嘗試使用糧食樣品進行三維成像和數(shù)字化處理，得到3D渲染圖像（圖2）。將糧食樣品三維數(shù)字化后，可以進行局部放大、旋轉(zhuǎn)等操作，以更好地展示知識點，其教學效果遠超平面素材。

經(jīng)過調(diào)研得知，儲糧害蟲的外形尺寸僅有數(shù)毫米，實物或標本非常小，難以進行教學講解和演示，而昆蟲外部形態(tài)特征鑒定是進行儲糧害蟲防治和保障糧食安全的必備技能之一。綜合考慮后，選取以危害性較大、分布較廣的頭號儲糧害蟲——玉米象為例，利用三維掃描技術(shù)并運用渲染、紋理優(yōu)化等技術(shù)，設(shè)計并制作出真實感的放大立體3D模型圖像（圖3）。由于是分別率很高的3D電子圖像，因此，可進行放大、旋轉(zhuǎn)、切面、透視等操作。如圖3所示，將圖像放大旋轉(zhuǎn)后可對蟲體的前胸背板、鞘翅、觸角、喙、口器的關(guān)鍵局部特征進行教學；進一步，還可以使用切面和透視功能展示馬氏管、氣管、骨骼肌等內(nèi)部器官組織結(jié)構(gòu)。

數(shù)字化的糧粒、害蟲等3D模型可進行等比例放大、旋轉(zhuǎn)、透視等操作，生動和全方位展示外部形態(tài)細節(jié)和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。既保證素材的真實性、科學性，又具有一定的新穎性、趣味性。通過課堂教學試用發(fā)現(xiàn)，這類三維模型可顯著地改善教學課堂氣氛和提高學生興趣。因此，后續(xù)還會通過VR（虛擬現(xiàn)實）技術(shù)，實現(xiàn)優(yōu)秀的人機交互體驗，強化學生實踐操作和創(chuàng)新能力。總之，使用3D教學資源改進專業(yè)教學過程，能提高學生專業(yè)學習興趣，豐富感性認識，幫助形成明確的概念，發(fā)展學生的觀察能力和思維能力。

4 糧食工程專業(yè)數(shù)字化教學資源建設(shè)的建議

4.1 科研反哺教學，改造傳統(tǒng)教學資源

一般來說，行業(yè)的研究成果領(lǐng)先于教材內(nèi)容，而教師大多參與前沿的科技研究活動。本次教學改革思路來源于本專業(yè)的科研活動，在科研成果的基礎(chǔ)上建設(shè)教學資源，是產(chǎn)學研深度融合的產(chǎn)物。本次教改建設(shè)的教學資源是采用先進的三維高精度成像技術(shù)，結(jié)合前沿的最新專業(yè)研究成果來研發(fā)多媒體素材和教具，該資源為傳統(tǒng)途徑無法得到的教學資源，是現(xiàn)有教學資源的有益補充。如果老師能及時將科研進展和前沿成果反映在課堂教學中，特別是把科研成果與課堂教學活動結(jié)合起來，能夠極大地促進學生對于課堂知識的消化吸收。

4.2 提高資源質(zhì)量，開放共享，持續(xù)改進

數(shù)字化資源作為一種新媒介，可以提升教學效果。然而，需要考慮教學的要求和教師接受程度，做好教學需求調(diào)研，提高資源質(zhì)量，減少老師工作量[8]。數(shù)字化的教學資源有著可共享，容易傳播的優(yōu)勢，然而許多學校的網(wǎng)絡(luò)教學資源普遍存在訪問量少、使用率過低的情況。高校間的課程資源得不到有效利用，造成教育資源的大量浪費和低層次的重復開發(fā)。因此，建議國內(nèi)開設(shè)糧食工程專業(yè)的院校共建共享數(shù)字化教學資源，持續(xù)改進，以便更好地服務我國糧食行業(yè)。

參 考 文 獻

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