基于虚拟仿真的烤房工作原理实验课程设计改革与探索

任天宝 ，遆晋松 ，贾宏昉 ，贺帆 ，宋朝鹏

（1.河南农业大学 烟草学院，河南郑州 450002；2.河南省生物炭研究工程技术中心/生物炭技术河南省工程实验室，河南郑州 450002）

在新时代背景下，加强农业综合创新人才的培养是涉农高等教育的根本任务和发展方向。为适应和满足创新人才培养的根本任务，有必要探索新型的学习体验和教学方式。根据教育部对虚拟仿真实验教学项目坚持“学生中心、产出导向、持续改进”的培养原则和要求，突出应用驱动、资源共享，将实验教学信息化作为高等教育系统性变革的内生变量的要求[1-2]。因此，构建虚拟仿真教学是实现数字化和信息化教学的重要途径。

烟草调制学作为烟草学特色专业核心课。实验课程教学时间与烟叶烘烤季节不同步，导致难以进行现场教学；其次，烤房结构和工作原理复杂、体积庞大等一直是制约该实验课程实践教学的重要因素。虚拟现实技术（Virtual Reality Technology，简称VR、虚拟现实），是一种能创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统。它能模拟现实沉浸式环境，为用户提供多种感官刺激，营造一种身临其境的沉浸式体验[3-4]。近年来，将虚拟现实技术嵌入课程实验教学过程的创新型教学模式，在国内外教学实验中得到了很大发展，将虚拟现实技术应用于课程实验教学过程，据此设计实验教学资源并形成一种创新型的实验教学模式和教学方法，不仅是未来教育发展的方向，也是当下推进教育教学改革所面临的重要课题[5]。

当前，随着我国教育信息化技术的快速发展，虚拟仿真技术在实验教学中的应用日益广泛并发挥着越来越重要的作用[6-8]，其具有打破时空界限、操作便捷安全、效率高等突出特点[9-11]。因此，探索针对烟草调制学实验教学的改革与创新对改善和提升传统实验教学质量具有重要的现实意义，尤其是对促进产教融合和科教融合新型创新人才培养有很大价值。本文以“密集烤房工作原理虚拟仿真”实验教学为例，将交互式教学模式融入虚拟仿真教学，为提高烟草行业专业人才的综合素质奠定了坚实的基础。

1 密集烤房工作原理虚拟仿真实验教学项目的构建

1.1 密集烤房工作原理虚拟仿真实验教学设计

烟草调制学课程为河南农业大学烟草学和烟草科学与工程专业的必修课程，是一门实践性、经验性很强的课程。本课程每年面向烟草学和烟草工程学两个专业240人左右开设，总共72学时，实验24学时，占总课时量的33%，体现了实验教学的重要性。因此，在虚拟仿真实验教学内容设计方面，课题组将24学时的实验课程作为一个有机整体，按照虚拟仿真课程群的架构进行设计开发，有利于未来更好地发挥信息化实验教学的示范引领作用。

密集烤房工作原理实验教学部分安排4学时，为了使学生在虚拟实验教学环境中能独立完成所有的实验操作流程，将班级学生划分为多个学习小组，借助线上教学数据源进行学习资源共享和实验操作过程数据的交互，完成虚拟场景中的实验任务。主要包括烘烤工作原理、烟叶调制的基本知识、验证烟叶烘烤的有关理论，培养学生观察和分析烟叶烘烤各种现象的能力，巩固和加深对密集烤房结构、工作原理、烘烤设备、成熟采收和烘烤工艺的理解。

虚拟实验仿真实训系统的设计过程，体现出教学演示功能和交互性操作两大功能[12-13]。本教学实验仿真虚拟系统包括密集烤房结构、工作原理、供热设备、散热装置、烤烟智能控制仪、排湿系统。开展烘烤工作原理及应用虚拟仿真实验教学，使学生从密集烤房工作演示至烘烤实际操作两个层面深入领会密集烤房工作原理、结构和模拟实验操作核心要义，达到以下教学目标：（1）以密集烤房结构导入基础知识点，引出密集烤房的工作原理；（2）掌握密集烤房供热设备和操作相关知识点；（3）熟悉并掌握密集烤房温湿度调控操作要求，锻炼学生独立思考和实际操作的能力，提升实践操作能力。

1.2 密集烤房工作原理虚拟仿真实验教学内容及目标

密集烤房工作原理虚拟仿真实验教学目标主要包含：知识掌握能力、实践操作能力和结果分析与创新能力，4个实验模块9个知识点和12个交互步骤，如图1所示。在教学内容组成方面，主要由四大板块构成：（1）密集烤房场景导入模块，用于引导学生学习密集烤房相关知识背景，通过与学生互动的方式，提出本教学实验目的；（2）密集烤房工作原理演示模块，主要让学生深入了解烤房结构、供热设备等操作，并联系理论教学内容；（3）密集烤房实验操作，通过模拟操作实验，掌握相关知识点并灵活应用；（4）实验操作反馈结果评价，基于实验的具体评分标准，系统生成该实验报告，教师可以通过系统记录和评价结果掌握班级中每名学生对相关知识点的学习情况，对教学内容及方法进行持续改进。另外，创新能力培养可以激发学生兴趣的进一步提升，激发创新性思维，有助于后期开展创新性实验。

图1 密集烤房虚拟仿真实验的教学内容模块构成

1.3 密集烤房工作原理虚拟仿真实验教学目标

掌握密集烤房工作原理，理解密集烤房供热设备、烤房结构、烤烟自控仪等知识点和实践操作步骤，如图2所示，系统培养面对复杂问题的综合分析与统筹解决能力，培养学生独立思考，分析科学问题的意识，引导学生综合运用不同学科理论知识、实验技术和手段解决实际问题的能力，进一步加强对学生创新思维、实践能力和团队协作能力的培养。

图2 密集烤房虚拟仿真实验的教学内容演示

教师一般需要提前1-2周发布课程任务，要求每组学生在规定时间内通过查阅文献资料，初步确定密集烤房工作原理实验方案。教师对学生提交实验操作结果的科学性和可行性与学生进行探讨，互动式教学方式探索有利于提高学生的创新能力。

2 密集烤房虚拟仿真实验教学特色与效果评价

2.1 密集烤房虚拟仿真实验教学特色

基于密集烤房工作原理教学实验等内容，通过虚拟仿真实验教学让学生实现了多维度沉浸式参与，实验教学可培养学生兴趣和激发学生思考，显著提高学生的内在学习动力，有利于更好地掌握相关知识点，形成对密集烤房知识的自主构建，加深了对密集烤房工作原理知识内容的理解和运用，强化了实践操作和创新能力，增强了学生专业技能。

2.2 密集烤房虚拟仿真实验教学效果评价

基于密集烤房工作原理的知识点，在虚拟仿真平台里面设置了12个交互步骤，以及相应的评价标准，注重实验教学过程性评价。在学生实验效果评价方面，分别从基本理论、实验设计、烤房工艺操作、实验报告撰写等方面进行综合评测。另外，虚拟仿真烤房工作原理系统可云录制学生实验操作步骤，学生后期可以回放观看自己的实验操作，有利于强化学习效果。

为了优化烤房工作原理虚拟仿真实验系统，课题组根据学生的反馈结果进行了多次讨论，以学生为中心逐渐完善系统和交互步骤设置，逐渐提高教学效果，并为下一阶段的虚拟仿真课程开发积累了宝贵的经验。

3 总结与展望

烟草调制学虚拟仿真实验教学模式的探索充分落实立德树人任务，构建了以学生为主体的虚拟仿真实验教学内容体系，建设了具有先进性、前瞻性和时代性的烟草调制学虚拟仿真课程内容体系，切实提高了课程质量，解决了传统实验教学的难题[14]，使学生不仅可实现专业知识的学习和技能的提升，而且还可与生产实际和烟草行业发展相融合，该模式为烟草专业复合型专业人才培养奠定良好的基础。