武夷岩茶初制虚拟仿真系统在制茶实践教学中的应用

张渤，冯花，卢莉

（武夷学院 茶与食品学院，福建 武夷山 354300）

虚拟仿真实验教学是将虚拟仿真技术融入到实验课程后，形成的一种新形式的教学方式，正被广泛地应用于教育行业之中，具有沉浸感强、趣味性高、交互性好、便捷、直观等特点[1]。该教学模式既真实模拟实验教学中的各种场景，又克服传统实验教学中存在的各种制约因素与弊端，从而实现优化教育资源、提高教学质量的目的[2-3]。2013年，教育部在全国启动国家级虚拟仿真实验教学中心的建设工作，有效地推动实验教学示范中心的内涵建设和可持续发展[4]。2017年，教育部在《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》（教高厅[2017]4号）中指出，要推动高校积极探索线上线下相结合的个性化、智能化、泛在化的实验教学新模式，以全面提高高等教育的教学质量[5]。2018年，教育部在《教育信息化2.0》行动计划中强调，各高校应发展智能教育，主动应对新技术浪潮对教育带来的新机遇和新挑战[6]。2019年，中共中央、国务院印发《中国教育现代化2035》，进一步促进了各高校对虚拟仿真实验教学项目建设的持续投入，有效地提高高校实践育人体系、实践教学体系和实践平台体系的建设水平[7]。武夷学院作为高水平应用型本科高校，积极响应教育部号召，以茶学专业（国家特色专业）为试点，结合地方产业特色与优势，率先培育了武夷岩茶初制虚拟仿真系统，主要应用于《制茶实践》《制茶学》《茶学专业综合实验》及校级涉茶公选课的教学中，并取得了初步成效。

1 武夷岩茶初制虚拟仿真系统的概况、特色与优势

1.1 系统概况

1.1.1 系统开发的背景

茶学是我国具有悠久历史的学科，也是最具中国特色的专业之一[8]，至2021年，我国开设茶学专业（方向）的本科院校（所）有46所、高职专科院校69所。在“新农科”背景下，茶学高等教育正承担着培养高质量专业人才，开拓我国茶产业发展新局面的重任。

茶产业的快速发展，亟需大批实践能力强、会创新、懂加工技术的复合应用型人才。[9]在设茶高校的人才培养方案中，制茶实践是茶学专业课程体系中重要的且不可或缺的实践教学环节，其主要任务是让学生将所学的制茶理论融入到生产实践当中，理解并掌握茶叶加工基本原理与实践技能，提升学生在生产实践中发现问题、分析问题、解决问题及应用创新的综合能力[10-12]。

制茶实践对生产场地、加工设备的要求较高，但设茶院校大多受地理位置、场地条件等因素的限制，其制茶实践条件不够完善，并与生产实际没有充分接轨，造成学生实践机会少、动手能力弱等问题突显，严重影响了实践教学的质量[13]。此外，茶叶的生产具有明显地域性，对于分布在各茶产区的设茶高校而言，都难以在有限的时间内利用有限的资源完成六大茶类的制茶实践。面对各设茶高校在制茶实践中遇到的共性问题，武夷学院茶学专业结合地方特色，率先启动武夷岩茶初制虚拟仿真实验教学项目，并将其纳入到制茶实践的教学和考核范畴中，旨在摆脱传统制茶实践的制约因素，推进现代信息技术与制茶实践的深度融合、拓展实习教学内容的广度和深度，从而提升实践教学的质量和水平，达到培养高水平应用型人才的目的。

1.1.2 系统的设计思路

该系统利用虚拟仿真技术建立了茶山（园）、做青机与做青间、杀青机、揉捻机、茶叶烘干机、计时器、温湿度记录仪等生产元素的3D模型，再现了武夷岩茶初制的真实场景，还原并重点展示了鲜叶采摘、萎凋、做青、杀青、揉捻和干燥工序的全过程及关键技术[14]（见图1）。

图1 武夷岩茶初制虚拟仿真系统关键场景Fig.1 Key scenes of virtual simulation system of Wuyi rock tea’s primary processing

1.1.3 系统的模块组成

如图2所示，该系统在仿真平台上设置了实验预习、实验演示、实验考核、实验报告和系统管理5个模块，各模块间联系紧密，学生通过5个模块的操作可以顺利完成虚拟仿真实验项目。

图2 武夷岩茶初制虚拟仿真系统模块组成Fig.2 Module composition of virtual simulation system of Wuyi rock tea’s primary processing

1.2 系统的特色与优势

1.2.1 突破传统制茶实践的时间与空间限制

制茶实践是茶学专业教学活动的重要组成部分，是理论联系实际、培养学生实践能力、创新能力，全面提高教育质量的重要途径[12]。传统制茶实践一般存在着时间与空间的制约因素，需配合生产实际安排在特定的时间。如武夷学院茶学专业的制茶实践通常安排在4月下旬至5月中旬，将学生分组安排到校外实践基地进行集中性实践。但在特殊时期，如2020年学生因新冠疫情的影响无法按时返校完成制茶实践的任务，利用虚拟仿真系统，学生则可以在8个学时内完成整个实验操作流程，保证了该课程的顺利开展。另外，以往对于非武夷岩茶产区的大学生及茶叶爱好者而言，制茶实践存在一定的空间限制，现在亦可利用该系统的共享平台，在线进行实验操作，体验与学习武夷岩茶的加工制作。

1.2.2 实验路径可自主选择

在该系统的实验流程中，针对茶树品种、鲜叶状态、鲜叶采摘标准等的不同，系统设置了8条对应的实验路径可供选择。学生可根据个人对理论与实践的掌握程度，自主选择茶树品种（水仙或肉桂）、鲜叶原料的状态（雨水青或正常青）、萎凋方式的选择（日光萎凋、综合做青机萎凋），并在此基础上选择适宜的技术参数，如做青次数、做青机转速、杀青温度、揉捻时间、干燥温度等。通过以上操作，学生可掌握实验的主要内容及关键工序的技术参数，并通过技术参数的优化开展探索性研究，提升自身的制茶技能和创新能力。

1.2.3 实践真知与虚拟仿真信息技术充分融合

该系统以武夷学院茶学专业教学团队多年来在武夷岩茶生产实践中制茶技术的精进为核心，整合了近年来相关研究的成果，在此基础上建立了武夷岩茶加工工艺各工序的技术参数数据库，实现了实践真知与虚拟仿真信息技术的充分融合。

2 系统在制茶实践中的应用与成效

2.1 系统在制茶实践中的应用模式

武夷岩茶初制虚拟仿真系统在制茶实践课程中的融入模式分为四个阶段，即制茶理论知识的梳理与巩固阶段、初步实践能力的培养阶段、实地实践阶段、制茶实践后的考核阶段（见图3）。

图3 武夷岩茶初制虚拟仿真系统在制茶实践课程中的融入模式Fig.3 Integration modeof virtual simulation system of Wuyirock tea’sprimary processing in teachingof tea processingpractice

2.1.1 制茶理论知识的梳理与巩固阶段

该阶段课时设置为2学时，教学重点为：进一步夯实学生的制茶理论基础，在实地制茶实践前，让学生利用实习指导书和系统的预习模块，充分了解武夷岩茶的工艺流程与加工原理，梳理和巩固相关制茶理论知识。

2.1.2 初步实践能力的培养阶段

该阶段课时设置为4学时，教学重点是培养学生的初步实践能力。首先，教师进行任务引导及操作演示，接着，学生自主完成虚拟实践操作，在操作中熟悉和认知武夷岩茶的加工环境与机械、工艺流程与基本参数等内容。操作结束后分小组交流讨论，针对各小组的汇报情况，教师总结各组的优缺点，并指出普遍存在的问题及改进方式。该阶段的学习，有利于学生融会贯通、切实掌握实践的知识点与技能要素，进而培养其初步的实践操作能力。

2.1.3 实地实践阶段

第三阶段，学生分组深入实践基地开展为期3周的制茶实践。该阶段是学生将所学制茶理论应用于生产实践并转化为实践能力的关键阶段。在实地实践过程中，学生针对个人理解不透彻的原理性问题，可利用虚拟仿真系统的预习模块及操作模块进行探索式学习。同时，对虚拟操作过程中所遇到的技能性问题，学生可及时与校外指导老师沟通交流。此阶段，实现了虚拟仿真实训系统与传统实训模式的无缝对接，虚实结合，共同促进学生实践操作能力的培养与提升。

2.1.4 制茶实践考核阶段

制茶实践结束后，学生再次登录系统，完成第四阶段的实践考核任务。此阶段课时设置为2学时，教学重点为：考查学生对制茶理论知识及实践技能的掌握情况。该阶段，学生独立完成整个武夷岩茶加工过程的虚拟操作，并在系统中提交实验报告，系统会生成综合成绩，该成绩将纳入到制茶实践的终评成绩中，所占比例为50%；另外，由校外指导老师根据学生在实地实践中的综合表现给出初评成绩，占制茶实践终评成绩的40%；考勤成绩占制茶实践终评成绩的10%。该考核方式更加注重对学生综合实践能力的考核，且结合了指导老师及系统的综合评价，避免了单纯依靠系统考核导致考核结果不够“人性化”，或单纯依赖指导老师考核，导致考核结果存在主观偏差等问题。

2.1.5 虚拟仿真系统与传统制茶实践结合的优势

与传统单一、高消耗的实地实践模式相比，虚拟仿真系统能够让学生更加简单、精确、直观的了解武夷岩茶的生产环境、加工原理、制作流程、技术参数等内容。然而与此同时，高效、低消耗的虚拟仿真实验也存在着一定的局限，如对萎凋程度的判断只要选取了合适的参数即可，但在生产实际中因受诸多因素的影响，对于萎凋适度的标准是需灵活判断的。相比较而言，在传统实习模式中，指导老师及企业制茶师傅可以实时对学生的操作给予指导，因此可以充分弥补虚拟仿真系统应用于教学中，师生即时互动较少的情况。由此可见，基于虚拟仿真实训系统与传统制茶实践模式相结合的教学流程设计，可以将理论学习、虚拟实践、实地实践有机融合。一方面，可最大化发挥虚拟仿真技术应用于实践教学的优势；另一方面，亦肯定了传统理论、经验和实际操作的重要性[15]。

2.2 系统应用成效

该项目自正式投入使用以来，应用于我校茶与食品学院2018级、2019级茶学本科专业的制茶实践教学中，使用学生人数179人。

2.2.1 学生成绩的对比分析

实习初评成绩是由实习基地企业负责人（校外导师）根据学生的实习综合表现评定的，在一定程度上可以反映出企业对学生实践能力及实习态度的认可程度。对武夷学院2017、2018和2019级茶学专业本科生的制茶实践初评成绩进行对比分析，结果见表1。由表可知，学生实习初评平均成绩依次排序为2019级＞2018级＞2017级，其中2019级显著（P＜0.05）高于2018和2017级，而后两者间差异不显著。结果表明，在使用虚拟仿真系统后，2018级、2019级学生再深入企业参加制茶实践，其实习态度、操作能力、理论基础等总体表现明显优于未使用该系统的2017级学生。

表1 不同教学模式下学生成绩的对比分析Tab.1 Comparative analysis of students'achievements under different teaching modes

实习终评成绩是学生初评成绩、实习操作、实习报告、出勤等的总体表现，也是实习教学效果的直接反映。由表1可知，学生实习的平均终评成绩依次排序为2019级＞2018级＞2017级，其中2019级显著高于2017级，但与2018级间差异不显著，表明将虚拟仿真系统纳入到制茶实践后，所形成的复合式教学模式较传统教学模式，在教学效果上得到了明显提升。

2.2.2 学生对系统的使用评价

（1）学生总体满意度高、教学效果好

学生满意度作为一种重要的学习态度，既影响着学生学习的方方面面，也影响着课程教学实际成效，较高的满意度与教学成效呈正相关[13]。如图4所示，大部分学生对系统使用的总体满意度高，其中相当满意和满意的学生占比为94.98%，表明该系统能够被大部分学生所接受，具有良好的应用推广价值。

图4 系统使用总体满意度Fig.4 Overall satisfaction with system using

如图5所示，大部分学生认为该系统辅助制茶实践教学效果良好，其中认为教学效果非常好及较好的学生占比为95%。由此可知，虚拟仿真系统适应了现代大学生成长的新特点及信息化时代教育教学的新规律，在提升教学效果方面得到了大部分学生的认可。同时，也进一步印证了良好的教学满意度可有利于教学效果的提升。

图5 系统辅助教学效果Fig.5 Effect of system assisted teaching

（2）激发学习兴趣、提高实践技能

调查结果显示（如图6），74%的学生认为该系统的应用可提高学习兴趣。由此可见，该系统由于依托了先进的实验研发技术，用动画、视频和交互手段增强了实验操作的趣味性，有效激发了学生的学习兴趣。同时，有88%的学生认为该系统能够帮助他们提升武夷岩茶制作的实践技能（图7）。

图6 系统是否可以提升学习兴趣Fig.6 Whether the system can improve learning interest

图7 系统对提升实践技能的效果Fig.7 The effect of the system on improving practical skill

（3）系统教学重点突出、对现实生产环境再现度高

教学重点指在教学目标中所要完成的最基本、最主要的教学内容。武夷岩茶加工实习的教学重点为萎凋及做青工序的基本原理及技术参数。由图8可知，大部分学生（88%）认为该系统能够突出教学重点，原因可能是该系统利用信息技术手段，重点展示了萎凋、做青两个关键工序的知识要点，有利于学生充分理解萎凋及做青工艺对武夷岩茶品质形成的重要性，并掌握萎凋及做青的技术参数。仿真度评价是客观存在和主观准则的统一，与实验目的紧密相关，对于锻炼动手能力实验的仿真度，要求操作动作和对象反馈要真实[16]。由图9可知，较多的学生（70%）认为该系统对现实生产环境的再现度高，而这种模拟情境与实际情境的高度相似，便于学习者在模拟情境中学习结束后能够适应真实的情境，有助于知识技能的迁移[17]。

图8 系统教学重点是否突出Fig.8 Whether the key points of the system teaching are prominent

图9 系统对现实生产环境的再现度Fig.9 The degree of system's reproducibility to the real production environment

（4）界面设计友好、使用便捷

由图10可知，大部分的学生（67%很好，12%比较好）对系统界面设计持认可态度。同时，调查结果显示，有82%的学生认为该系统使用便捷（见图11），可见该系统的操作便捷度，得到了学生的普遍认可。这主要基于该系统依托开放式虚拟仿真实验教学管理平台，通过数据端口的无缝对接，保证用户能够随时随地的通过浏览器访问该系统，并让使用者获得智能指导、自动批改等服务。

图10 系统界面设计满意度Fig.10 The satisfaction of interface design for System

图11 系统使用便捷性Fig.11 System’s ease of use

（5）授课方式的选择

由图12可知，超过80%的学生对混合式教学的教学效果表示满意，说明将虚拟仿真实验融入到传统制茶实践的教学模式取得了良好的教学反馈。同时，超过60%的学生对单纯的虚拟仿真教学效果持满意和积极的态度，表明单纯的虚拟仿真实验教学虽然没有混合教学模式满意度高，但其具有便捷、直观、不受时间和空间限制等优点，仍具有一定优势。然而，选择单一的传统制茶实践教学模式的学生仅占26.82%，说明原有的定时、定内容、定条件的实验教学模式无法满足大部分同学的需求。因此，适时转变实验教学模式，适应当今学生多元化获取知识、技能的需求，已成为未来教学模式改革的重点。

图12 授课方式的选择Fig.12 The choice of teaching method

3 学生对于系统优化建设的建议

3.1 丰富和加强系统的内容与交互点

如图13所示，有140个学生（占比为78.21%）一致建议进一步丰富系统教学内容，扩充系统信息量，希望在该系统中学习到更多与武夷岩茶加工相关的知识与动态。同时，有89个学生（占比为49.72%）希望系统的交互点进一步增加。交互性是指在虚拟环境中,系统能够提供方便、丰富、自然的人机交互手段，体验者不是被动地感受,而是通过自己的动作改变感受的内容[18-19]。该系统通过三维仿真技术，虚拟武夷岩茶加工场景及实际茶青情境，学生可在整个场景和情境中进行交互性操作54步。虽然已经超过教育部对国家级虚拟仿真实验的系统交互点不少于10的要求[20]，但仍有较多学生希望系统的交互点进一步增多。

图13 对虚拟仿真系统改进的意见与建议Fig.13 Comments and suggestions on the improvement of virtual simulation system

3.2 加强师生间的互动性

由图13可知，有69人（占比为38.55%）希望系统的师生互动功能进一步加强。目前系统的管理模块设有师生互动功能，但由于虚拟仿真实验开展学生可完全按照个人的需求随时进行实验，这也潜在的对师生之间的即时互动带来挑战，学习者在实验课程中存在的问题教学者无法随时地发现和指出，这是该系统目前亟待解决的问题。

3.3 从单茶类升级为多茶类的虚拟仿真

由图14所示，选择其它的有56人，其中有14人在建议栏中填写的内容为：希望茶叶初制虚拟仿真系统能够覆盖其他五大茶类；有12人填写的内容为：希望院系尽快开发正山小种初制虚拟仿真系统；有5人填写的内容为：希望能尽早开发白茶虚拟仿真系统。总之，较多的学生希望该系统能覆盖较多的茶类。

4 系统优化的措施

4.1 借助双导师优势丰富系统教学内容、增加系统交互点

教学内容是教学的主体，教学质量的提升离不开教学内容改革，因此摆脱基于教材而确定教学内容的局限性，融合实践性和探究性的问题，实现虚拟仿真系统教学内容的改革创新，是提升该系统教学质量的必由之路[21]。武夷学院茶与食品学院于2018年试行了茶学专业本科生双导师制，建立了校企协同培养应用型本科人才的模式，实现了校内导师专业理论优势与校外导师实践经验优势的互补。武夷岩茶初制虚拟仿真系统可充分借助这一成熟的机制，结合学校的学科专业特点以及复合型、创新型人才培养的需要，将校外导师在武夷岩茶生产实践中的新工艺、新产品及校内导师在武夷岩茶加工方面取得的新成果转化为教学内容，在系统中以合适的方式呈现给学生，丰富虚拟仿真实验内容，增加制茶实践课程的广度和深度，实现课程高阶性、创新性和挑战度，促进学生知识、能力、素质协调发展。

实现虚拟仿真实验的良好交互性是将虚拟仿真实验应用于教学的前提。该系统的优化升级将遵循使用者的心理和行为特点增加有效的交互方式和反馈机制，不断加强人机交互界面的表现力和感染力，使操作者有较强的沉浸感，在虚拟环境下通过各种操控选项进行自主探索，进而达到训练的目的[22]。同时，将进一步完善师生交互机制，教师可充分利用师生交互了解学生的学习动态与效果，并从中总结与反思教学过程，进而不断优化教学设计。

4.2 组建专业团队、加强师生互动功能

该系统长期开放服务，需要大量的线下资源匹配，只有将线上资源和线下资源合理匹配起来，才能更加有效地效发挥虚拟仿真实验教学的作用。项目组将进一步加强系统专业管理团队建设，增加有企业背景及专职在线教学人员参与项目后期的管理与维护，保证项目团队组成结构合理、人员稳定，保障线上线下教学正常有序运行。安排教师定期对系统中学生提出的问题进行解答，加强师生之间的有效互动，使系统服务使用者的能力进一步增强。

4.3 逐步从单茶类向多茶类覆盖

未来5年，将在汇总使用评价的基础上，不断对武夷岩茶虚拟仿真实验系统进行升级，导入红茶、白茶、绿茶等五大茶类加工虚拟仿真实验项目，逐步从单一茶类向多茶类的全面覆盖，同时继续导入绿色生态茶园建设、茶树种质资源鉴定评价、茶叶生物化学等与茶学核心课程内容相关的虚拟仿真实验项目，使虚拟仿真系统的实验项目向系列化、标准化和全面化的方向发展。

5 结语

当今中国“大众创业，万众创新”战略进入了新的阶段，对应用型茶学专业人才的培养模式也提出了新的挑战，要求培养适应现代市场经济需求的创新型、应用型、复合型专业人才。学生不仅要熟练掌握传统的茶叶加工技术，还需具备开发新技术和研发茶叶新产品的综合能力，能根据产业发展的需求及时进行创新。这就对“制茶实践”的课程教学改革提出了新要求。武夷学院茶学系率先将武夷岩茶初制虚拟仿真系统导入到传统制茶实践中，形成了虚实有机融合的教学模式，充分克服传统制茶实践的各种制约和弊端，有效地解决目前实验教学中存在的诸多问题，并明显提升了学生的实习成绩。通过对该系统应用成效的调查结果显示，学生对该系统整体满意度高，普遍认为教学效果好、激发了学习兴趣、提高了实践技能、教学学重点突出、对现实生产环境再现度高、界面设计友好、使用便捷，表明虚拟仿真实验教学是加强实践教学、提高教学质量的有效手段，在应用型人才培养方面有着巨大潜力和较强的推广利用价值。

在该系统和一系列切实有效的教学改革驱动下，武夷学院茶学专业在应用型人才培样方面取得了显著成效，已被社会广泛认可，在校友会2021年中国植物生产类一流专业的排名中获评6星级，办学层次被评为中国顶尖应用型专业。未来5年，该系统将继续以学生的使用评价及教学效果为导向，借助双导师优势进一步丰富系统教学内容、组建专业团队加强项目后期的管理与维护，不断合理增加系统的交互性，并逐步实现从单茶类向多茶类覆盖；同时，系统将从茶叶加工单纬度向种质资源开发利用、绿色生态茶园建设等多维度发展，通过资源共享与设茶兄弟院校共同推进茶学虚拟仿真教学项目的建设，并将该系统广泛应用于茶产业从业人员的培训与学习，进而为地方茶文化、茶产业、茶科技的统筹发展做出贡献。