虚拟仿真技术在粮食储藏实践教学中的应用与研究

李慧 王殿轩

[摘 要]培养高素质的粮食储藏人才是维护国家粮食储备安全的重要保障。传统的粮食储藏专业人才培养教学模式已远远不能满足社会对于粮油保管专业人才的需求。由于专业的特殊性，粮食储藏教学需要大量的实训装置设备和相关的实训教学仪器，但由于教学规模、场地、资金等条件的制约，无论是在实验室建设，还是在实训设备的硬件准备方面，现有的培养模式与实际需要还存在较大差距。虚拟仿真技术综合利用各项高新技术构建虚拟仿真的学习环境，为传统教学提供了一种新的教学模式和教学手段。

[关键词]虚拟仿真技术；粮食储藏；实践教学

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）07-0080-03

○、引言

粮食储藏课程涉及如储藏物害虫防治、粮食通风干燥、气调储粮、环流熏蒸、粮油品质检测、仓储设备工艺等粮食储藏的基本技术和手段，有着很强的实践性[1]。该课程以粮食储藏专业的学生为教授对象，除了理论知识的讲解外，更注重实践与实验，学生可通过实验和实践来加深对理论的理解。传统的教学模式缺乏直观性和互动性，又受到师资力量、实验仪器设备、教学经费、教学场地等因素的制约，这些导致学生对理论知识的理解不透彻；由于实操训练匮乏，学生的积极性难以被调动，这既不利于培养学生的实验技能和创新能力，又不利于教学效果的提高[2]。随着计算机网络技术和多媒体技术的不断发展，越来越多的信息化技术被应用到课堂教学当中。虚拟仿真教学技术不仅成本低、效率高、功能全，同时还具有沉浸性、交互性、逼真性等特点，通过开展人机交流互动，可帮助学生更好地掌握知识点，提高学生的实际操作技能[3][4][5]。目前，虚拟仿真学习系统在国内外高校得到了广泛的应用，如美国华盛顿大学开发的数字解剖学家系统，德国汉堡大学开发的Voxel-Man系统，霍华德休斯医学研究院开发的转基因实验室，诺贝尔基金会创办的虚拟生化实验室；国内清华大学、北京大学、中国农业大学等高校也已陆续开展了虚拟实验技术方面的研究，着手开发了虚拟生物实验室、虚拟医学实验室等。如何让虚拟仿真技术更好地融入实践教学中，成为我国教育变革和发展的方向[6][7][8][9][10]。

一、储藏物教学现状分析

粮食储藏教学主要包括两大部分的内容：以研究粮食本身的属性及粮堆的特性为基础，研究粮食储存技术的理论、设备、应用为主要内容的粮油储藏学，以及以研究储藏物昆虫的形态、分类、生理、行为、生态及储藏物害虫的综合防治原理与技术为主的储藏物害虫与防治。因此，储藏物实践教学在培养学生实际操作能力方面具有举足轻重的作用，肩负着为我国粮食仓储行业培养具备优良工程素质、工程思维和工程实施能力的基础型、应用型、创新型人才的重任。

粮食储藏实践教学的目的在于培养学生的实践操作能力、专业技能和创新思维能力，以现阶段的教学模式而言，储藏物实践教学主要面临以下几个方面的问题。第一，储藏物实践课堂教学主要以多媒体课件、板书的形式授课，表现形式单一，不利于学生知识的消化、理解和吸收。第二，粮食储藏教学对于储藏物昆虫的教授主要是让学生通过观察各种类型的昆虫标本（钟罩式、展翅式、黏贴式、活页式、表盖式、指形管式、安培瓶式等）、蜡像模型来了解昆虫分类及组织器官形态结构的差别，但由于储藏物昆虫标本大都体积较小，非常容易损毁，同时储藏物昆虫不像农业昆虫或其他昆虫一样具有鲜艳的色彩或美丽的外形，难以激发学生学习的兴趣和热情。第三，教学场地欠缺，现有仪器、装备无法满足实践教学的需求。仓储工序和仓储设备等只有专业化粮库或大型粮油加工企业才配备，由于有些设备需要较大的场地保障，实验会产生费用等诸多客观因素，许多实践操作项目只能由教师或少部分学生执行，大部分人在旁边观摩，这不利于高水平创新型人才的培养。

由此可见，目前的传统教学模式已不能完全适应当前学科发展和社会对粮食储藏人才的要求，极大地阻碍了粮食储藏专业人才的培养，需要寻求有效的方法和手段来改教学效果。

二、虚拟仿真技术在储藏物教学中的应用及其优势

（一）储藏物昆虫三维实体教学

传统的储藏物昆虫教学以多媒体课堂教学为主、通过图片、Flash动画、标本、教学模型等来向学生展示，并配以昆虫学实验等实践操作来加深学生对储藏物昆虫的理解。但是随着粮食生产、收获方式的改变，各种新型储粮技术的综合应用，教学用的昆虫标本资源除去常见的米象、玉米象、谷蠹等鞘翅目昆虫，以及印度谷螟、麦蛾等鳞翅目昆虫外，其他种类的昆虫标本匮乏，这使得储藏物昆虫教学质量受到严重的影响。而虚拟仿真教学结合三维激光扫描（3D laser scanning）、计算机断层扫描（Computed tomography，CT）和磁共振成像（Magnetic resonance imaging，MRI）等技术，以获取昆虫体壁、感觉器官、消化系统、循环系统、排泄系统、神经系统、生殖系统等的高清晰、高分辨率的图像数据和数字三维模型。如玉米象和米象，这是两种重要的储粮害虫，在形态上极为相似，初学者很难区分。目前国内外唯一可靠的区别特征是外生殖器，但要经过一系列的解剖操作才能准确鉴别。通过三维仿真标本，二者的外生殖器结构所有部位可以被任意旋转、剖切，学生对于感兴趣的结构还可以进行放大、缩小显示，并可利用其透视功能，将各个解剖结构透明而清晰地显示，以获得更加感性的认识，这能帮助学生提高学习效果。

（二）使用虚拟仿真软件模拟实践教学

粮食储藏实践教学期间，教师和学生需要在真实的实训实验室、粮库、加工车间等进行模拟实践。比如，磷化氢环流熏蒸杀虫实验，需要在粮仓内外设置环流管道，通过环流管道把风机、风道、粮堆连接成一个闭合环流熏蒸回路，期间需要连续监测磷化氢气体浓度，要20天以上才能完成整个环节流程。整个实验不仅需要很多配套的设备和较大的教学场地，而且需要多个不同类型的实验室协同配合，正常學时内无法完成。另外，还有一些实操训练，如粮食通风干燥、气调储粮、环流熏蒸、仓储设备工艺等知识，由于实验室条件所限不能开设，或开展过程受时间、地点、人力、物力、财力等的约束，致使学生真正独立动手操作的机会很少，这降低了学生主动学习的欲望。这些技术学生在今后的科研工作中很可能会用到，它们具有重要的代表意义，缺少这些环节会导致学生对整个粮食储藏技术的认知缺乏系统性和全面性，会导致教学实践严重脱离生产实际，不能满足用人单位的需求。

而通过使用虚拟仿真技术，建立虚拟仿真实验室，可有效突破传统教学在时间、空间以及实验条件上的限制，在有限的学时、经费内利用计算机和软件为学生教授普通教学无法进行而又十分常用、重要的粮食储藏实操训练项目，达到增加学生知识量、延伸课时的作用[11]。指导教师可以根据教学或生产实际需要，针对粮食储藏生产的各个环节，专门设计虚拟实训项目、虚拟场景，让学生可以进入虚拟实验室，理解机器设备运行的原理和运行过程，熟悉机器设备操作顺序、步骤；掌握技术参数和要点，这既避免了实际操作中机器设备的损耗，又降低了真实环境下由于学生操作失误而引发运行事故的几率。指导教师还可以灵活安排实操时间和地点，对学生的实践操作进行指导和控制，观察学生的模拟操作技术，在线和学生进行沟通交流，学生也可以在线请教教师，这种方式可以激发学生主动学习的兴趣，达到良好的互动教学效果。此外，虚拟仿真实验室还可以起到让学生在课前预实验的效果，增强学生实际实验学习的熟练程度，让学生课后对实验也能做到反复练习、反复再现实验情景。

（三）使用虚拟仿真软件方便实践教学管理

虚拟仿真教学平台不仅适用于虚拟仿真实践教学领域，其还可延伸或扩展成为实验教学与管理的综合应用平台，实现资源共享、实验预约、在线交流、在线监控、过程回放等功能，提高教学资源的利用效率，并且它可以让学生随时随地实验，甚至可以开放给校外用户，并对实验过程精确跟踪指导。

学生进入虚拟仿真教学平台后，可以查阅对应的实验资料，通过预习关卡，方能进入实验。针对实验室教师巡视学生实验指导的场景需求，可以为网上虚拟实验室提供监控和录像功能。教师可在任何地点同时监控多个屏幕，观察学生的实操过程。同时，学生实操过程被录制，在提交实验报告时，录像数据会自动上传到服务器，一并提交给教师。指导教师通过回放实验录像，对学生的实操进行批阅。學生可以通过批阅后的视频，更直观地了解到实操过程中出现的问题。虚拟仿真教学平台支持B/S结构的在线即时互动交流，且可利用图片、文字、语音等多种方式，实现指导教师跟学生之间的互动答疑。

学生的进行实操训练时，虚拟仿真教学平台会自动计时并对操作的步骤进行评判，并建立多维数据模型（CUBE），从多种维度对实操数据进行统计，这样能排除主观因素，对学生考核的结果做到客观公正，公信力更强。同时，平台系统能灵活地设置关注的属性，从而定制各种复杂的查询场景得到预期的查询报表。报表的形式按照不同的业务场景分别用列表、柱状图、饼状图、拆线图等形式展示，这能让报表更直观、生动、形象，方便指导教师对学生实操成绩进行分析、评价，为教师了解学生对实操内容的掌握情况、制定个性化培养方案提供决策依据。

三、虚拟仿真技术在教学中存在的问题

（一）虚拟仿真平台内容较单一、封闭

内容设计是虚拟仿真教学体系建设的主要内容，现有的虚拟仿真教学平台开发人员较少，缺乏内容支持。目前各大高校已有的虚拟实验系统，学生只能遵照设定的程序进行操作，这种模式在一定程度上限定了教学内容与教师的教学表达方式，限制了学生的思维模式，不利于学生创造性和个性的发挥。因此，现阶段虚拟实验系统的开发应该遵循以下几个原则：按照一定的专业方向进行跨领域、交叉学科的协同资源整合，进行资源分类；建立动态的实操任务数据库，按照实际生产需求进行分类整合；实现校内外和本地区及更广范围的粮油工程类实验教学资源的共享，积极与更多的国内外著名的企业合作，建立可持续发展的虚拟仿真实验教学支撑体系。

（二）进一步优化整合资源，提升平台的开放性

可以利用先进的大数据、云平台技术整合分散、凌乱的实验资源，实现现有资源的优化合理设计；将虚拟仿真平台的安全性和开放性有机结合起来，在保证系统资源和数据保密的前提下，可以将实验室内的资源提供给远程的互联网客户，开放资源给兄弟院校，实现数据的共享。同时，开放部分权限给学生，调动学生的探索欲望，鼓励引导学生利用平台自由组队，开展设计型、创新性实验，建立有利于学生个性成长的自主式、合作式、研究式学习的实验教学模式。

四、结束语

根据《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》和《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》文件精神，国内已于2013年启动开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设战略，虚拟仿真实验教学依托网络通信技术、人机交互技术、多媒体技术等，直观、生动地展现各种实验技术的基本原理和实验流程，为学生的实训学习提供更加完善的实训场景。实践证明，充分利用和发挥虚拟仿真技术在粮食储藏教学中的优势，可以很好地丰富和补充传统实验教学手段，可激发学生的好奇心和求知欲，可增强学生的感性认识、培养学生的动手能力、提高学生的实训操作效率，进一步提高学生的职业技能和综合能力，为培养创新型人才打下坚实的基础。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 渠琛玲，王若兰.粮食储藏专业实践基地建设对提高学生实践能力的分析[J].农产品加工（学刊），2014（13）：84-85.

[2] 袁丽红，陆利霞，申宁，等.微生物学实验网上预习与管理系统及其在实验教学中的应用[J].微生物学通报，2008（12）：1966-1969.

[3] 张轶群，代树龙，张凌海，刘志伟.浅析虚拟仿真技术在实作技能教学中的应用[J].电脑知识与技术，2016（14）：132-133.

[4] 王晓岗，赵超，许新华，等.分层次，跨学科开放实验教学实践[J].实验室研究与探索，2013（9）：160-163.

[5] 鲍田原.公办高校扩建中政府缺位问题研究[D].济南：山东师范大学，2009.

[6] 丁爱侠.高校开放实验项目实施及现状调查与分析[J].实验技术与管理，2012（2）：156-158.

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[9] 解丽芳，林宏辉.虚拟实验室在本科生物实验教学中的作用[J].实验技术与管理，2014 （9）：114-115.

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[11] 郑鑫，张晓洁.虚拟实验室立体化教学资源平台建设[J].实验室研究与探索，2014（8）：109-111.

[责任编辑：陈 明]