小麥加工技術虛擬仿真教學平臺的構建與應用

蘭曉光，王旭峰，劉麗婭

（1.德州職業技術學院 糧食工程系，山東 德州 253034；2.中國農業科學院 農產品加工研究所，北京 100193）

虛擬仿真實踐教學是高等教育信息化建設和職業教育現代化的重要舉措［1-4］。《國家職業教育改革實施方案》和《職業教育提質培優行動計劃（2020—2023年）》均指出了信息技術對職業教育發展的重要作用。運用現代信息技術改進教學方式方法，有助于推動信息技術與教育教學深度融合，促進虛擬仿真與專業實踐密切結合，推進虛擬工廠等網絡學習空間建設和應用。

小麥加工是開展糧食生產、保障糧食安全和節糧減損的關鍵技術，涉及清理、配麥、調質、研磨、篩理、清理、配粉、后處理等多個環節，不僅工藝流程復雜，而且設備要求較高。“小麥加工技術”是高職糧食工程技術與管理專業的必修課程，其實踐教學占比在50%以上，是一門強調學生實訓的專業課程。傳統的小麥加工實訓中心具有投資大、建設周期長、占用場地較大等問題，無法為糧食加工技術專業學生提供實際和完善的實踐現場［5-7］，導致學生無法完成相應的實訓項目，課程理論知識不能聯系實際、理解不深入、技能訓練不到位。

本研究利用前期已建成的糧油食品虛擬仿真實訓中心，聯合校企合作單位共同開發“小麥加工技術”課程虛擬仿真資源，實現工廠漫游、設備拆解組裝、工藝流程認知等多類型的虛擬仿真。

實訓教學資源主要包括原糧清理、研磨、篩理、清粉等操作任務，旨在通過設計典型的虛擬仿真實訓項目或任務，與傳統的實訓環節相互補充，形成完整的實訓體系和實訓流程；對接最新的“1+X”糧農食品安全評價職業技能標準和制粉工崗位規范，結合學習者的技能素養要求，形成虛擬仿真實訓考核評價體系。

一、虛實互補的多模態教學環境和多類型教學資源設計

根據小麥加工廠實際工作場景及制粉工崗位需求，構建小麥加工技術虛擬仿真教學平臺，主要涵蓋工廠漫游、設備拆解組裝和工藝流程認知三大模塊，具體如圖1所示。工廠漫游模塊創設了小麥加工企業從外部環境、麥倉粉倉到清理、制粉、配粉、打包等生產車間內部的場景，使學生可以在虛擬場景中身臨其境地漫游、自由穿行；設備拆解組裝模塊可以立體呈現輥式磨粉機、高方平篩、清粉機、振動篩、比重分級去石機等10臺核心制粉、清理單機設備及設備內部結構，使學生真實模擬練習設備拆解和組裝過程，具有沉浸感和臨場感，且可以開展考核工作；工藝流程認知模塊1∶1高度還原小麥加工生產線、加工設備及加工過程，將小麥加工工藝流程立體化，通過VR虛擬現實手段真實、具體地呈現給學生，并增加工藝流程設計考核環節。

圖1 小麥加工技術虛擬仿真教學平臺的框架

在此基礎上，利用VR虛擬現實技術和實際加工設備，運用3D、實物等模式，構建虛實結合的多模態教學環境，營造小麥加工實踐的教學氛圍，并配合沉浸式+實物的設備拆裝項目、立體式+模型的工藝流程設計、實訓過程中“彈出”的近百道練習試題、知識點動畫或視頻演示講解等多類型教學資源，讓學生在加工原理、加工設備、加工工藝的知識構建，以及設備操作、流程設計的有效輸出等方面，達到良好的學習效果。

二、虛實一體化教學模式構建

虛擬仿真實訓過程改變了傳統的學生被動接受的教學模式。通過扮演制粉工角色，學生需要經過初級制粉工（強化小麥加工工藝流程和設備的認知）、中級制粉工（強化設備工藝參數調節和維護技能）和高級制粉工（強化生產能力及故障檢修能力）3個階段的技能學習；通過3D模型、視頻動畫及文字全方位立體化講解，讓學生理解課程的理論知識，并在虛擬現實場景中完成實訓項目，即通過設備設施的“接觸”來真實呈現設備整體及關鍵組件的構成、工藝參數調節、流程設計等內容。充分利用現有實訓設備，要求學生實際動手操作、反復練習，掌握制粉工的各項技能，創建“理實一體、虛實結合”的教學模式［8］。

設備拆解組裝和工藝流程認知是平臺的核心模塊，以教學模式、練習模式和考核模式3個部分開展加工設備及工藝流程實訓過程。以工藝流程教學為例，學生可以自主瀏覽各個工序，了解流程相關知識和設備操作注意事項，包括小麥初清、毛麥清理、二次潤麥、凈麥清理、制粉、配粉等6個工藝流程。

練習模式是最重要、耗時最長、需反復學習和練習的環節［9］。練習步驟覆蓋了小麥原糧篩選、風選、去石、精選、磁選、打麥、配麥、潤麥、研磨、篩理、清粉、入粉倉、配粉、打包等完整的工藝流程。學生首先需要標識小麥加工的整體工藝流程，然后沉浸式360°觀察生產車間內清理、制粉、配粉、打包、麥倉粉倉等5個區域內的仿真場景。在各區域進行虛擬仿真實訓的同時，平臺會同步給出加工設備的相關介紹以及選擇、問答和計算題練習，讓學生掌握設備技術參數、工藝效果評定等知識，結合實訓室現有的磨粉機、比重分級去石機、平篩、著水機、打麩機、配麥器等加工設備實際動手調節參數、計算評定工藝效果等。

考核模式主要考查學生對整個小麥加工工藝流程設計、核心設備的結構及技術要求的掌握情況，以“填空”“排序”和“拆裝”的形式進行考核，平臺自動判斷解答內容，并給出正確答案與解析。為了鞏固學習效果，平臺內置了包括工藝流程的組合原則、加工設備的工作原理、技術參數和操作注意事項等內容的百道題目，學生可以反復測試，直至完全掌握相關專業知識，教師可以分析學生的測試情況，了解學生的學習效果。

三、虛實結合的多元化考核評價體系構建

在“小麥加工技術”課程教學過程中，結合小麥加工技術虛擬仿真教學平臺、課程平臺以及實訓設備，教師應在每個教學環節按評分標準對學生進行評測，完成理論知識和職業技能過程性考核，最終匯總得到學生的實訓總成績。“小麥加工技術”課程虛實結合的多元化考核評價體系如表1所示。

以“小麥加工技術”課程中比重分選設備操作為例，采用任務驅動、實驗探究方法進行理論教學。課前，教師通過課程平臺對學生進行分組并布置小組作業，要求各組學生查閱比重分選設備的相關資料，并自學比重分選設備的類型、工作原理、結構及操作調試方法等相關信息。課上，各小組分析討論比重分選設備操作任務的知識要點并形成思維導圖，提高對整個知識體系的掌握［10］；教師引導學生從多方面考慮任務實施過程中可能遇到的問題，并結合思維導圖制訂任務實施方案，培養學生的發散思維以及全面分析問題、解決問題等創新素養。本部分通過課程平臺系統評價和教師評價進行過程性考核，占課程實訓總成績的30%。

實訓教學采用虛實結合的教學模式。教師指導學生利用課程虛擬仿真系統的設備拆解組裝模塊開展比重分級去石機核心部件的拆裝和繪制結構示意圖。通過工廠漫游模塊及糧油加工仿真系統開展比重分級去石機的仿真操作和技術參數調試，直觀探究比重分級去石機的開停機及風量、進料量等技術參數調試，幫助學生更深入地理解比重分選設備的結構及操作調試方法。學生扮演制粉工角色在虛擬環境中嘗試比重分級去石機的拆裝及其操作調試，教師要觀察學生的虛擬仿真學習及操作過程，并對其實訓過程綜合評分，該部分占課程實訓總成績的25%。

在虛擬仿真實訓完成后，學生要參照比重分級去石機的結構示意圖及操作規程，針對分級篩及去石篩面拆裝、篩面料層及風量控制、振動方向角讀取等問題進行現場實訓。各小組應利用比重分級去石機開展設備拆裝及操作調試的實踐練習，多角度探究問題答案并反復論證，形成實訓報告。本部分針對小組協作分工、任務實踐探究、設備操作規范等實訓情況，采用學生自評、組內互評和教師評價的綜合評測方式，占課程實訓總成績的30%。

教學拓展活動需要學生再次開展比重分選設備的虛擬仿真練習，體會分析影響設備工藝效果的因素并將其整理提交至課程平臺，進一步鞏固和提升已掌握的知識和技能，完善整個知識體系。教師根據學生的拓展成果進行本部分考核評價，占課程實訓總成績的15%。

結語

本研究構建的基于虛實結合的小麥加工技術虛擬仿真教學平臺，可實現身臨其境、情景互動、任務模擬、成果反饋等場景教學，與傳統的實訓環節相互補充，形成完整的實訓體系和實訓流程。利用該平臺的虛擬仿真實訓教學資源和考核評價標準，能夠使學生在整個小麥加工廠區的虛擬場景中自主開展人機交互，在營造的制粉工崗位職業場景中，參與企業的生產控制和設備操作，充分認知和掌握相關工藝原理及技術要求，調動參與課堂的積極性和主動性，加強對理論知識的理解和實操技能的掌握，增強學習效果［11-12］。

目前，小麥加工技術虛擬仿真教學平臺已應用于“小麥加工技術”課程的實訓教學。通過教師以及學生對平臺的反復使用，發現其在教學應用方面還存在一些不足，仍需在后期的更新和實踐中進一步完善。一是虛擬仿真實訓教學資源根據“小麥加工技術”課程的部分項目和任務，已經內置了設備拆裝及其技術參數認知、流程設計及其工藝要求認知等內容，但缺少設備工藝效果調試的教學內容，后期仍需結合真實的工作任務進一步補充和完善。二是虛擬仿真教學平臺目前只能在糧油食品虛擬仿真實訓中心使用，課程教師唯有在課堂上利用此平臺開展虛擬仿真實訓，無法拓展到學生課外學習和在線課程的職業技能培訓。后期將通過瀏覽器或局域網，實現快捷訪問虛擬仿真教學平臺，便于學生在互聯網隨時隨地學習，打破實體教學時間空間的限制，將學習有效延伸到課堂之外［13］。