食用菌栽培课程虚拟仿真实验教学模式探索

陶永新，朱坚，邱栋梁

（福建农林大学园艺学院，福建福州350002）

食用菌是一类可食用的大型真菌，种类繁多，目前可以人工栽培的食用菌达60 多种，其中有10 多种已经实现了工厂化周年栽培，如金针菇、双孢蘑菇、真姬菇等。我国是食用菌大国，产业发展迅速、产值巨大，在我国农业中是继粮食、蔬菜、果树、油料之后的第五大产业。我国食用菌产量和消费量在全世界均排第一，食用菌也是我国出口的主要农业产品之一。近十几年来，我国食用菌转向现代化的工厂式生产模式发展，工厂化企业急需掌握高科技及食用菌知识的复合型人才。目前，我国高校食用菌相关专业尚不具备培养复合人才的硬件条件，因此，建设食用菌工厂化生产的虚拟仿真教学课程势在必行。

近年来，随着计算机技术及互联网的飞速发展，虚拟仿真技术也逐步走向成熟。虚拟仿真技术是由计算机硬件、软件及各种传感器构成的人工三维信息虚拟环境，可以逼真地模拟现实世界存在的事物及事物发生的动态过程，还可以模拟出现实不能发生的事情及场景。虚拟仿真技术非常适合解决因硬件条件不足而无法开展食用菌工厂化教学的问题，对于提高食用菌现代化生产教学及相关人才培养具有重要作用。

1 食用菌栽培课程实验现状及虚拟仿真教学的背景

食用菌传统栽培主要以手工为主，辅以一些简单的机械，绝大多数高校的《食用菌栽培》课程实验基本以开展一些基础实验操作或手工制作菌包为内容。手工制作菌包是采用塑料袋为容器，而工厂化生产主要采用塑料瓶为容器，二者的设计、操作及后期管理有很大不同。还有目前食用菌栽培实验教学只能采用固体接种，而工厂化生产则采用液体菌种，这2 种接种方式及菌种培养方式截然不同。因此，传统食用菌教学内容无法以接近现代工厂化生产的模式来培养相应人才。

其次，在线下实验中，由于时间和栽培条件的限制，同一学年只允许栽培一种食用菌，或选择与上课季节相符的食用菌品种，以便在自然气候条件下可以进行出菇实验。而一些需要在特殊气温条件下出菇且又是工厂化生产的主要菇类（如金针菇），则无法在线下给学生开展实验课。同时，由于线下实验课时的限制，学生无法在菌菇整个生长发育过程均参与实验，导致许多知识点无法有直观的认识，很难完整开展课堂教学和保证每个学生的亲自动手操作，难以提高学生实践技能、分析问题和解决问题的能力，不利于食用菌工厂化生产高精尖人才的培养。因此，也凸显了虚拟仿真实验教学的必要性。

第三，食用菌现代工厂化的发展对相关人才提出了更高的要求，现有条件无法满足人才培养的需要。当前，多数高校的食用菌教材普遍陈旧，许多章节内容还停留在较为原始和落后的传统食用菌手工式栽培方式，随着食用菌工厂化的迅猛发展，部分课程虽然开始讲授相关内容，但由于硬件条件无法跟上，许多先进的知识体系只能采用文字或口头讲授，效果不佳。食用菌工厂化设备投资巨大，而且系统性很强，目前没有小型化设备，比如一个金针菇工厂化成套设备至少需要成百上千万资金。加上食用菌工厂化模式有多种，几乎每种食用菌都有其特定的模式，所采用的配套设备不同，而与生产相似的工厂化硬件设施在高校建设成本太高，几乎不可能。此外，观看视频录像、去企业实习等方式也存在诸多不方便因素。只有以当前工厂化生产实例为蓝本，深入掌握现代食用菌工厂化生产中的机械设计理念、自动化操作原理和智能化管理体系，并与食用菌本身的生物学特性有机结合，才能培养出胜任现代食用菌企业所需的复合型新型人才。

虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，将虚拟仿真实验作为实体实验的有益补充，突破时空局限、成本高、周期长等限制，学生可以随时随地在虚拟环境中开展实验活动，提高学生的自主学习和实践能力。利用虚拟仿真技术，实现食用菌工厂化生产的实验教学，是解决当前难题的重要方法和有力手段。

2 食用菌栽培虚拟仿真教学模式的理念设计

2.1 紧跟产业发展前沿需求，培养社会急需人才

虚拟仿真教学模式针对食用菌行业发展现状，选取几种栽培技术先进成熟且产量较大的食用菌为典型代表，凝练成几个有代表性的工厂化栽培模式，包括以金针菇为代表的熟料瓶栽模式、以双孢蘑菇为代表的发酵料床栽模式、以银耳为代表的混合菌种模式等，进行虚拟仿真教学。这样仅用少量虚拟仿真教学课时，可以让学生熟悉多数食用菌的工厂化生产模式，进而达到培养产业急需人才的目的。

2.2 能实不虚，虚实结合，相互补充

食用菌虚拟仿真实验教学设计是只针对在现实教学条件无法达到又是工厂化生产的重要模块进行虚拟仿真，而前期一些简单通用的实验内容，如培养基配制、母种扩繁、高压灭菌等部分，可在实验室进行实验教学。可设计为虚拟仿真的内容主要有液体菌种发酵、液体接种、子实体出菇前处理（机械搔菌等）、子实体阶段调控管理、不同环境因子及影响效果等。同时考虑虚实结合，线上线下互为补充的实验教学体系。

2.3 与科研成果相结合，深化课堂实验教学

虚拟实验平台能够建立交互性能良好的虚拟实验环境，并且能够让学生不受时间和空间的限制对平台内各虚拟实验室中的设备及对象进行操作，达到拓展课堂实验教学的目的。尤其重要的是，将教学中相关方向进行拓展和延伸，如将环境因子调控的教学内容与其对食用菌子实体形态建成及营养物质影响的科研成果相结合，设计拓展实验模块，丰富并深化了实验教学内容。

2.4 注重引导和探索，完善考核体系

虚拟仿真实验脚本设计注重对学习的引导和探索，而非简单的验证或观看。同时根据学生在虚拟场景画面上的互动，系统可以对仿真操作进程进行实时记录与评价，准确地统计学生每一步进行的深度及所犯的错误，老师可查看学生对某些知识点的掌握程度和熟练度，并据此科学地给出成绩。

3 虚拟仿真实验教学模式的构建

3.1 食用菌栽培虚拟仿真教学模块的设计

食用菌栽培虚拟仿真教学共设计4 个模块：（A）工厂化栽培工艺流程与原理、（B）液体菌种发酵及接种、（C）子实体形成诱导及管理、（D）环境调控及影响评价（图1）。模块A 主要介绍食用菌的基本生物学特性，让学生了解各个生长阶段的营养及环境条件需求，后面所有的栽培设施及工艺条件都是围绕其生物学特性设计运行，介绍整个食用菌工厂化栽培的工艺流程及其中关键步骤的原理，还有一些重要设备的提前操作演示，学生了解并掌握这部分内容后对后面实验流程有总体概括和认识；模块B 主要是菌种发酵制备，具体又分4 个流程：母种制备、液体菌种发酵及品质检测、配料及装瓶工艺、液体接种，该模块以液体菌种发酵为主，将液体菌种接入菌瓶完成这个模块，其中工程方面的知识点包括发酵步骤及发酵罐的使用、装瓶步骤及装瓶机、接种要点及接种机等，让学生掌握从母种到液体菌种到接种的菌种知识链；模块C 主要是由菌丝阶段到子实体阶段的流程，具体又分走菌检测及评价、子实体形成前的菌瓶处理、对子实体诱导处理及诱导效果检测及评价，这一模块有2 步工艺处理环节涉及到前处理的搔菌机和诱导的温湿光调控系统，同时还有2 步涉及到检测及评价，通过设定不同检测结果及评价体系，让学生探索不同处理方式的影响结果，虚拟真实生产中遇到的各种情况；模块D 主要是食用菌子实体阶段的管理及出菇过程，包括了出菇前和环境调控2 步工艺处理以及2 个指标检测：一是针对食用菌子实体在不同环境因子处理下的表观特征检测，即不同环境因子处理对子实体的形态特征产生不同效果；二是针对不同环境因子处理对食用菌内在的营养及功能指标的检测。具体模块中还设计不同环境因子交互作用下食用菌子实体的综合影响，同时结合最前沿的科研成果，使学生在虚拟出菇过程中探索各种不同环境因子处理的影响。

3.2 虚拟仿真教学平台的运行

食用菌栽培虚拟仿真实验平台通过仿真真实食用菌工厂化车间的完整生产线，设置逼真的场景，让学生更好地体验在真实工厂中的情景。一方面通过实验掌握整个食用菌栽培过程中从菌种制备、发酵管理、原料配制、装瓶、灭菌、冷却、接种、诱导催蕾、出菇管理及环境调控等工艺流程，通过仿真实验的练习，学生能够掌握食用菌栽培的标准生产过程，熟悉操作要领。该仿真系统中各模块具有非常鲜活的模拟现场，学生可亲自动手操作，并可对相关设备和参数进行不同设置，并能及时看到相应的效果，同时还有多个重要步骤添加指标检测及评价体系，如不同环境调控因子对食用菌子实体形态（菌盖大小、菌柄长短）、子实体色泽、子实体营养成分、子实体重要代谢产物等指标设置检测环节，有利于让学生深层次地理解和探索环境调控的影响。此外，还针对操作过程重要步骤和知识点设置了考核，通过对学生在系统中的操作答题及互动，给出成绩。

4 虚拟仿真实验教学效果

食用菌栽培虚拟仿真系统以理论与实际相结合、技术与应用相呼应为导向，使学生置身于现代工厂的“真实”场景，利用手机、平板或电脑学习相应理论知识在实际当中的应用，实现所学即所用，提高学生学习效率和教学效果。该虚拟仿真系统通过动画模拟真实场景，具有内容丰富、图文并茂、动静结合的学习环境及实验内容，并以声音、图像等丰富的表现力帮助学生进行多感官的学习，生动形象的教学方法增强了学生的学习兴趣。同时与科研相结合，探索式设计模块充分调动了学生的学习积极性，显著地提高了学生的思维能力、创新能力、实验能力和科研能力。

5 总结与启示

食用菌栽培虚拟仿真实验教学模式是高等教育信息化环境下的必然产物，利用电脑创造虚拟环境来模拟各种真实环境，在虚拟环境中进行操作、验证、设计、运行，把仿真技术和食用菌生物工程教学完美结合起来，突破了传统教学手段，在有限的条件下提高了教学质量，取得了良好的教学效果。未来食用菌栽培虚拟仿真实验教学课程可形成系列：木腐菌工厂化栽培、草腐菌工厂化栽培，形成食用菌工厂化生产的完善虚拟仿真实验课程体系。该课程体系紧贴当前食用菌行业需求，以最前沿的生物工厂化技术为设计核心，以全面提高学生创新精神和实践能力为宗旨，本着虚实结合、虚实互补的原则，同时将该课程体系在全国范围内共享优质实验教学资源，可以极大地提高食用菌及相关专业实验教学质量，对于培养食用菌专业高等人才具有重要意义。