基于青藏高原生態(tài)背景牦牛肉生產及加工虛擬仿真實驗教學模式的探索

韓麗娟，秦艷婷，院珍珍，焦迎春，葉 英，劉薈萃，宋洋波，王樹林

（青海大學 農牧學院，青海 西寧 810016）

1 基于青藏高原生態(tài)背景牦牛肉生產及加工虛擬仿真實驗教學模式探索的背景

青藏高原區(qū)是中國一個獨特的自然生態(tài)環(huán)境區(qū)域，是聯(lián)合國教科文組織認定的全球無公害超凈區(qū)之一，由于當?shù)貧夂驉毫忧腋吆毖?，地理條件特殊。牦牛是一種能適應青藏高原自然環(huán)境的重要生態(tài)種類，堪稱綠色動物的草原之舟，也是終年自然生存于世界屋脊三江源頭的獨特動物性食品資源[1]。因此，牦牛肉、牛奶就成為了中國天然生態(tài)有機產品的金牌冠軍。青海省“十三五”規(guī)劃指出，青海省要以生態(tài)保育型農業(yè)為主攻方向，加快發(fā)展高原特色優(yōu)勢產業(yè)，積極開發(fā)高原特色農產品，適度發(fā)展農畜產品加工業(yè)，將牦牛產業(yè)發(fā)展定位為青海省畜牧業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展的科技攻關計劃之一。因此，對于該種高原特色動物性食品資源——牦牛的利用，其分級、加工、檢測等生態(tài)利用在學科實踐教學中顯得尤為重要。在實踐教學過程中，由于實踐基地本身的限制及碎片化的實踐課程知識點等原因，本科生系統(tǒng)的、整體的實踐知識體系無法形成，也導致食品科學、生態(tài)學、動物科學及生物技術相關專業(yè)的本科生無法掌握系統(tǒng)的農牧產品加工技術、檢測技術等實踐操作技能，無法滿足青海省對于此類綜合素質高、實踐操作技能熟練的人才的需求。

2 食品科學與工程類虛擬仿真實驗教學模式存在的問題

2.1 傳統(tǒng)教育方式難以將專業(yè)理論知識應用于實踐操作

傳統(tǒng)教育方式難于將專業(yè)理論知識應用于實踐操作。該學科的重點課程——“食物工藝學”“食品工程原理”的知識較多，但基本原理公式卻比較復雜，其課程任務主要是引導學生運用數(shù)學、物理、化學和物理化學方面的專業(yè)知識，去處理在食品工業(yè)中所面臨的具體課題，課程具備了很強的產品設計、選型、布置與運行等的系統(tǒng)工程性質。學生對課堂中的概念、方法感到很抽象，學習時不能把握要點，常常只是掌握了幾個簡單的片段，在研究和處理實際課題上感覺無從下手，無法將理論知識與實踐操作相關聯(lián)，理論-實踐知識體系無法統(tǒng)一構建。

2.2 傳統(tǒng)教育方式限制了本科教育中學生的主觀能動性及創(chuàng)新實踐的需求

當前，食品實驗教學課程既無法培養(yǎng)高校畢業(yè)生的食品學科實際操作技能能力，也無法滿足當代本科教學中對學習者主體能力和創(chuàng)新實踐的要求。傳統(tǒng)的教學中，食品實驗教學主要為教師講授示范，學生模擬實驗。該教學模式?jīng)]有調動學生探索認知事物的能力，使得學生自我練習的積極性不強[2]。同時，此教學模式在一定程度上影響了學生主觀能動性的培養(yǎng)和創(chuàng)造力的培養(yǎng)。

3 基于青藏高原生態(tài)背景牦牛肉生產及加工虛擬仿真實驗教學模式構建

牦牛生產及加工虛擬仿真實驗模式的建設，必須貫徹“科學合理計劃、共用資源、突破關鍵點、提升效果、持續(xù)發(fā)展”的指導思想，以全面提高高校學生的創(chuàng)新精神與實際創(chuàng)新能力為主旨，以資源共享優(yōu)化實驗教學資源為核心，以構建信息化發(fā)展的實驗教學資源體系為工作重點，并遵循“虛實結合”的原則[3]。經(jīng)典的實體實驗與虛擬仿真實踐相輔相成，打破了傳統(tǒng)食品科學、動物科技實驗教學的空間環(huán)境和對大型設備數(shù)量、實際操作過程的約束，使學習者能夠全面鍛煉實際操作技能，進一步增強了基礎知識與技能運用的能力?？傮w建設內容涵蓋了牦牛生態(tài)利用加工虛擬仿真軟件建設及虛擬仿真實驗教學體系的建設。

3.1 牦牛生態(tài)利用加工虛擬仿真軟件建設

充分挖掘虛擬現(xiàn)實仿真軟件的設計優(yōu)點，使生產實際場景或儀器設備構造形象呈現(xiàn)在學生面前，學生可以身臨其境地進行反復操作演練，使學習更加深入而且生動。授課教師利用空間實踐小組課程、項目課堂和虛擬現(xiàn)場課程等與學生交流互動，做到自主學習、互助學習、研究性學習的有機融合[4]。

牦牛養(yǎng)殖及屠宰虛擬仿真實驗軟件的開發(fā)主要采用三維可視化技術，依據(jù)牦牛養(yǎng)殖環(huán)境實際布局搭建模型，按實際牦牛生產過程完成交互實驗，完整再現(xiàn)牦牛養(yǎng)殖場操作過程及牧場的經(jīng)營管理。將牦牛養(yǎng)殖的理論知識融合到實踐操作的各個環(huán)節(jié)，為畜牧專業(yè)學生學習草食家畜的養(yǎng)殖技術提供輔助手段，為食品專業(yè)拓展性學習肉品原料學提供自學的素材。同時，采用三維可視化技術，依據(jù)牦牛屠宰工廠實際布局搭建模型，按實際屠宰過程完成交互實驗，完整再現(xiàn)了牦牛屠宰的操作過程。

牦牛屠宰虛擬仿真實驗軟件的開發(fā)主要以牦牛肉加工為內容，以三維形式展現(xiàn)牦牛肉加工環(huán)境和操作過程，學習動物性食品加工的實驗操作。學生通過虛擬仿真實踐，直觀地了解各種加工及檢測設備的實際應用，并在線利用虛擬仿真實驗進行實操，虛實互補，兩者相輔相成，進一步完善了動物性食品加工綜合實踐訓練教學體系[5]。

3.2 虛擬仿真實驗教學體系的建設

該教學體系將通過牦牛肉生產與加工的虛擬仿真實驗，破解中國特色動物性肉制品生態(tài)利用加工在課程與教學中出現(xiàn)的技術難點，并利用課堂講授、虛擬操作、自主訓練、真實實驗/參與/學習、自主復習完成整個課程的學習流程，充分體現(xiàn)了虛實融合的優(yōu)點，有效提升了學習者的實際水平、教學成果，以及課堂滿意度。首先，針對本科生實際操作能力的訓練，制定牦牛肉生產及加工虛擬仿真軟件的操作手冊、教學大綱、教學講義等指導書；其次，通過在研究工作人員職責、實驗室內容、儀器設備的質量管理、實驗室安全、設備管理和權限控制等方面，建立更完整、更規(guī)范的質量管理體系和規(guī)程標準及虛擬仿真實驗教學改革方案，以提高研究中心工作的高效性和穩(wěn)定性[6]；最后，虛擬仿真的實驗學習系統(tǒng)能夠追蹤并記錄學生在整個研究項目中的學習狀態(tài)，并實現(xiàn)在線測驗與及時評價反饋。將虛擬仿真實驗教學課程列入相應學科人才培養(yǎng)計劃，制定相應教學效果考核方案。積極探索大學與專業(yè)實驗教學的結果互相認可、學分轉換機制。

4 牦牛肉生產及加工虛擬仿真實驗教學模式實施的意義

4.1 滿足西部地區(qū)農牧產業(yè)經(jīng)濟發(fā)展對食品類人才的需求

西部地區(qū)食品及農牧業(yè)相關專業(yè)高水平學術型和應用型人才短缺，現(xiàn)有從業(yè)人員中專業(yè)技術人員比例非常低，高素質人才匱乏，農畜產品精深加工發(fā)展動力不足，嚴重制約了青藏高原現(xiàn)代農牧業(yè)及生物產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，多渠道培養(yǎng)食品專業(yè)高級技術人才已迫在眉睫[7]。青海大學是青海省唯一具有完整的食品科學與工程專業(yè)本科及研究生教育、科研團隊及研究條件的高等學校。食品科學與工程學科擔負著為青海省特色食品資源開發(fā)及促進地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展提供智力和技術支持的責任。只有在食品科學等專業(yè)人才培養(yǎng)中堅持突出青藏高原地理特點，充分考慮課程發(fā)展的完備性，健全實踐性課程體系——虛擬仿真課程系統(tǒng)，才能夠建立富有青藏高原特點的課程系統(tǒng)及教學方法，為青海省及地區(qū)經(jīng)濟社會建設創(chuàng)造有力的智慧及支持。

4.2 滿足現(xiàn)代教育多學科交叉融合發(fā)展的需求

該項目的建設對于推動食品、生物學及交叉學科領域科學研究，加強各類學科融合，提高優(yōu)勢學科資源整合，更好地適應青藏高原區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和特色農牧經(jīng)濟建設的需要，具有十分重要的意義。項目的建設可充分發(fā)揮青藏高原獨特的資源優(yōu)勢——牦牛肉，突出高原學科特色，使食品科學與工程、農學、生物技術、生態(tài)學等學科建設取得突出成績，使其成為全國具有重要影響力的學科點。以虛擬仿真軟件開發(fā)及實踐應用為手段，以培養(yǎng)高素質專業(yè)本科人才為目標，逐漸形成在國內外具有一定影響的特有生物資源生態(tài)利用的虛擬仿真教學團隊，成為我國特色鮮明的國家級虛擬仿真教學中心，使其成為特色生物學人才培養(yǎng)的“搖籃”及特色生物資源生態(tài)利用研究的“熱土”。

牦牛生產及加工虛擬操作仿真教學模式，能夠真實地模仿學生完成實體牦牛肉生產加工中的所有實際作業(yè)的全部流程，包括啟動設備裝置通電、控制機械設備和進行垂直變形等的各種動作，是按照實物食品生產工藝原理進行設置，把學生曾經(jīng)的手工作業(yè)轉化為鼠標的觸摸屏作業(yè)，既增加了實驗教學功能，也加強了對學生實踐操作技能能力和創(chuàng)造力的訓練，相比較于傳統(tǒng)的實體實驗室，有著特殊的教學功能與價值。