青稞种植与加工虚拟仿真实验教学平台的建设及实践

王进英，院珍珍，陈霞，韩丽娟，叶英，刘荟萃，秦艳婷，李彩娇，王树林

（青海大学，西宁 810016）

食品科学与工程是将基础学科和工程学的理论运用于研究食品基本的物理、化学和生物化学性质及食品加工原理的一门应用型学科。青海大学食品科学与工程专业开展实验教学旨在培养学生的实践与创新能力，让学生在掌握食品科学与工程基本理论基础上，进一步了解食品加工单元操作和食品工厂的规划、生产及管理，从而具备解决食品工业生产及发展实际问题的能力。目前，青海大学农牧学院动科系食品科学与工程专业为实验教学方式改革做了很多探索和努力，但实验教学的质量和效果不够明显。因此借助新兴虚拟仿真教学手段，将视、听、触等多种感知的虚拟实验环境融入实验教学，能更好地激发学生的学习兴趣，提升实践教学质量。

一、虚拟仿真实验教学现状

虚拟仿真实验教学的推广顺应了教育信息化的发展趋势和现实需要，推动了高校实验教学改革和创新，是“虚拟现实+教育”深度融合的产物[1-3]。2012年，教育部印发了《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》，倡导借助信息技术与高等教育深度融合，促进人才培养机制创新；2013—2015年，以“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”为指导思想，教育部遴选出300 个国家级虚拟仿真实验教学中心，为实验教学方法改革与实验资源建设创新开创了新局面；2017年，教育部办公厅印发了《2017 年教育信息化工作要点》和《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》两个重要文件，鼓励开展虚拟仿真实验共享平台建设以适应教育信息化的国际形势。同年，教育部启动示范性虚拟仿真实验教学项目认定工作，2018 年确定名称为国家虚拟仿真实验教学项目为国家级“金课”。教育部对虚拟仿真实验教学的重视程度，大力推动了虚拟仿真实验教学中心的建设[4-6]。

二、开展虚拟仿真实验教学的目的

（一）解决因实验空间和时间限制降低实验教学效率的瓶颈问题

青海大学食品科学与工程专业每个年级约120人，本专业现有实验室空间仅能容纳30～40 人同时开展实验课程教学。因此，实验过程中，学生单独熟悉设备和实际操作的时间有限，在客观条件上不利于培养学生良好的实验动手能力。常规课程实验，一般每个班分为4～5组，每组7～8人，由于实验内容较多，部分学生没有参与其中。综合性大实验，多个班级轮流使用实验室也给实验教学带来了一定困难。此外，由于涉及实验室制度和人员配备等方面的限制，本专业实验室的开放程度并不够，学生一般只能在实验课规定的学时内做实验，不能随时随地利用课余时间做实验，降低了学生上实验课的热情。

（二）解决教学成本与设备条件限制学生动手操作机会的问题

食品科学与工程专业实验课程实验项目繁多，所需原料、仪器种类也很多。实验室配置的大型精密仪器及加工设备，具有操作不当易引起损坏、设备维护复杂且费用高和体积大的特点[7]。例如，食品分析实验中关于气相、液相操作等实验项目。涉及此类实验仪器的实验，老师讲解与操作演示，学生在一旁观看，这就降低了学生的积极主动性，导致师生之间的互动性差，影响了实验教学效果。此外，精密仪器结构较复杂，即使老师在现场做情景化、实时化的演示实验，无法拆解仪器，学生也难以对该仪器设备的内部构造进行深入和全面地了解。学生独立操作的机会也很少，影响学生动手能力的提高。

（三）解决受安全性风险限制部分实验项目开设的问题

食品科学与工程专业实验课程中用到的化学试剂大多易燃、易挥发，并具有一定的腐蚀性和毒性，如凯氏定氮法测定粗蛋白和索氏抽提法测定粗脂肪中用到的浓硫酸和乙醚。此外，食品加工单元中多设计高温、高压等条件，且一些精密仪器的长时间使用存在辐射危害。从而限制了实验教学过程中部分实验项目的开设，使得实验内容比较单一。

（四）解决食品的链式加工使得有些实验在实验室难以实现的问题

现代食品的加工多是电脑中央化控制的自动化链式生产，不再是单元设备的简单连接。现阶段，实验室中的设备多为单元操作设备，无法培养学生专业知识的综合应用能力。而在实验室建立产业化的链式食品加工线也并不现实，如青稞粉的生产线（包括清理、调制、脱皮、碾米、研磨、筛分、清粉、刷麸和成品整理等环节）。因此，可采用虚拟仿真技术实现学生对食品链式加工的认知。

（五）解决食品专业知识和实验技术片段化，没有形成整体体系的问题

青海大学食品科学与工程的课程体系由通识课程、学科基础课程、专业基础课程和专业课程四部分组成，课程设置的板块化，需要学生学习完各个课程后，将食品学科整个知识点和实验技术整合起来。知识点和实验技术的片段化需要学生提高自身的综合水平，将所学知识和技能灵活应用于生产实践。例如：食品化学主要介绍了食品中主要营养素的化学特性，食品工艺学主要介绍了食品加工中用到的各种工艺，学生需要片段化学习，再将两者综合起来。

（六）解决受生产企业食品质量控制及安全管理限制，学生生产实习受到限制的问题

现代食品加工企业具有严格的食品质量及安全管理制度，学生进入车间实习前需要进行体检、办理健康证等一系列程序。因此，学生无法结合课程理论学习及时进行生产技能训练为主的生产实习；受风险管控及安全规定限制，学生进入车间实习也无法进行设备操作、设备控制等实践技能训练，大多时候只能是参观式的实习，学生集中生产实习期间，也只能在包装车间、仓储等环节实习，极大地限制了学生生产实习的效果。

（七）解决现有专业培养模式无法形成以食品加工为中心的全产业链知识体系的问题

随着我国乡村振兴战略的实施，以食品加工为中心的农产品加工产业成为实现乡村振兴的主要产业。在我国新农村建设及乡村振兴大背景下，对食品科技人才专业技能的要求涉及产前（种植、研制）、产中（加工）和产后（消费），而目前食品科学与工程专业人才培养环节主要集中于加工的理论和知识，而忽略了产前和产后知识的学习。

三、青稞种植与加工虚拟仿真实验体系的构建

青稞作为青藏高原地区极具特色和文化内涵的农作物，有着悠久的种植历史，是青海省特色农牧业发展的重要组成部分。本项目以青稞为原料，从青稞种植、加工为切入点，结合粮油食品工艺学实验、食品分析实验、食品化学实验和食品发酵工程设计性实验等四门实验课程的内容，以能实不虚、虚为实用、虚实结合为原则[8]，构建虚实结合、多元一体青稞种植及加工虚拟仿真实验教学体系。

四、青稞种植与加工虚拟仿真实验教学体系的组成

（一）青稞种植及收割3D 虚拟仿真实验

青稞种植及收割3D 虚拟仿真软件包括实验预习、拓展学习和线上实操三部分。实验预习中介绍了实验内容、认知学习和操作指南。拓展学习中介绍了青稞病虫害识别及防治、青稞品质控制、青稞营养成分及污染物检测和青稞种植及收割过程中的部分栽培技术及主要农机。线上实操是本项目的重点内容，对青稞种植及收割过程中的选地整地、播种作业、田间管理、适时收割都进行了虚拟仿真设计。学生通过虚拟仿真软件PC 版和VR 版的操作，不仅可了解青稞各季节生长状况、种植准备工作、田间管理和机械化收割操作过程，还可以掌握青稞营养成分（蛋白质、粗脂肪、γ-氨基丁酸）和污染物（重金属和农药残留）测定的基本原理，为青稞种植及收割提供技术指导奠定良好的基础。

青稞种植及收割3D 虚拟仿真软件参照青稞现实种植农场布局，利用虚拟现实技术，按实际实习过程完成交互，完整再现了青稞种植过程中的整地、播种、田间管理等过程。软件的3D 操作画面具有环境真实感强、操作灵活性和独立自主性的特点，学生可自行查看农机设备的组成部分，发现实际操作过程中的一些盲点，为学生提供了一个自主解决问题的实验平台，有利于调动学生学习的积极性，培养学生的动手能力，同时也增强了学习的趣味性。通过对虚拟软件的操作演练，学生能进一步掌握专业知识，了解青稞种植及收割的实际环境，培训基本动手能力，为将来进行实践操作奠定良好基础。考核方式主要有仿真项目考试和理论考试等。系统根据任务的完成情况进行评定，判断是否得分。在虚拟教学平台中，系统实时显示得分，对成绩进行统计，有助于教师对学生进行的项目进行统一启动和控制。

（二）青稞γ-氨基丁酸粉加工虚拟仿真实验教学软件

青稞γ-氨基丁酸粉加工虚拟仿真实验软件也包括知识预习、线上实操和拓展学习三个模块。知识预习模块中包括γ-氨基丁酸简介、黑青稞简介、设备与工艺介绍和车间操作规范四部分。线上实操包括原料清理、萌芽培养和磨粉包装三部分。拓展学习包括γ-氨基丁酸粉功能性食品研发、谷物加工制粉工艺及拓展测验。该平台对原料清理、萌芽培养、磨粉包装和γ-氨基丁酸含量测定进行了虚拟仿真设计，完整再现了青稞γ-氨基丁酸粉生产的原料验收、清理、γ-氨基丁酸培养、制粉和包装等操作过程。学生通过虚拟仿真软件PC 版和VR版的操作，掌握青稞制粉工艺机械设备运行原理和青稞γ-氨基丁酸粉制备工艺，了解青稞的籽粒品质、营养品质及加工品质和青稞制粉车间良好操作规范（GMP）。

青稞γ-氨基丁酸粉加工过程由多个单元操作构成，其中涉及多个操作步骤及多种复杂的仪器设备，另外实践操作的时间周期长，因此在工厂的实践教学开展过程中面临着效率低的问题。学生对实践加工过程中具体操作仪器的认知往往停留在表观阶段，不能理解其内部结构原理，所以达不到较理想的实习效果。青稞γ-氨基丁酸粉加工虚拟仿真实验教学软件依据青稞制粉试车间实际布局搭建模型，按实际实验过程完成交互，对青稞γ-氨基丁酸粉加工过程中仪器设备进行动态拆解、原理分析及考核学生自主装配，学生通过对该软件的操作练习，能了解青稞γ-氨基丁酸粉加工生产的实际操作环境和相关仪器设备的基本原理，培训了基本动手能力，为后续进行实践奠定良好基础。在考核模式中，系统不会给出操作提示，操作正确时得分，错误时不得分，学生可以实时查看自己的得分情况及扣分原因，及时地做出调整，最终的评算是未扣除的分值之总和。

（三）青稞酒酿造虚拟仿真实验

青稞酒是青海省特色农产品，是青稞的主要产品。青稞酒酿造虚拟仿软件包括培训和考核两种模式。在培训模式中，学生通过虚拟仿真软件PC 版和VR 版的操作，先后学习开窖起糟（黄水鉴定、母糟鉴定和续糟配料准备等）、上甑蒸馏（上甑操作、看花摘酒、粮食蒸煮糊化）、摊晾下曲（打量水、摊晾和下曲等）、入窖管理（入窖、踩窖、封窖和窖池养护等），通过虚拟场景交互式操作，进行青稞酒酿造实训实验训练，掌握固态发酵技术。根据系统中的指引掌握青稞酒酒曲制作工艺、酒酿造工艺及青稞酒风味物质的检测，除此之外还能了解青稞酒的罐装和包装工艺。而在考核模式中，系统中不显示指引信息，学生要根据培训模式下的学习自行完成各项学习任务和操作。

青稞酒酿造仿真实验项目是一个虚拟基础化学模拟操作平台，具有三维、高仿真度、高交互操作、全程参与式和可提供实时信息反馈与操作指导的特点。参照青稞酒酿造工厂实际布局搭建，利用虚拟现实技术，按实际实习过程完成交互，完整再现了青稞酒酿造过程中的开窖起糟、上甑蒸馏、摊晾下曲和入窖管理等操作过程。学生经本平台上的操作练习，进一步熟悉专业基础知识、了解青稞酒酿造工厂的实际操作环境，有助于培养专业技术应用型人才。虚拟仿真实验考核，教师可通过基于局域网的网络通信与控制软件的教师站，对学员机的项目进行统一启动和控制。

（四）青稞酸奶加工虚拟仿真平台

青稞酸奶加工虚拟仿真软件包括两个实习环节：工厂认知、工厂实训。工厂实训又分为四个培训项目：原料乳预处理、配料、杀菌和酸乳发酵。工厂认知是通过PC端学习以下主要内容：酸乳工厂GMP 要求及卫生规范要求，工厂与车间布局，酸乳生产工艺流程，各个工序的操作要求及关键控制点，掌握乳制品加工重点设备原理、运行与维护等内容，对关键工艺设备的虚拟拆分，较为直观展示和讲解净乳机、高压均质机、单效降膜蒸发器的构造和原理。

工厂实训通过VR 端或PC 端进入，虚拟再现酸乳生产实景。该环节将酸乳加工主要分为四个工段，分别为原料乳预处理（原料乳验收及贮存、净乳、蒸发浓缩、均质、预杀菌各工序的操作及参数控制）、配料（配方设计，配料工序的操作及参数控制）、杀菌（杀菌工序的操作及参数控制）、发酵（发酵工序的操作及参数控制），包含交互式操作。学习者跟随酸乳生产工艺流程依次进入对应生产车间，进行自主式、交互式的理论知识学习。

酸乳生产实习是食品专业生产实习环节中的一项重要任务。而课堂教学仅仅是进行工厂认知及工艺讲解，学生很难对此进行全面、系统地学习和实践，又因进入工厂的实践教学开展面临高成本、高危险和耗时长的瓶颈，同时，随着食品企业生产卫生安全规范执行的日益严格，学校很难大批量地安排学生到企业进行实践学习。因此，学生目前普遍缺乏对酸乳工厂与生产线的认识及实践训练，实习效果往往不够理想，学生普遍反馈体验差。通过虚拟仿真实习的方式能有效弥补现有实习教学的缺陷。学生通过对酸乳生产仿真实习软件的操作练习，进一步熟悉掌握酸乳生产工艺、乳品加工安全生产规范、车间主要设备与工厂布局及产品品质标准。使学生能够以独立或团队合作方式按生产任务完成各工序任务，提高基本动手能力，以满足发酵乳制品课堂教学的目的与行业对专业人才的需求。

五、基于虚拟仿真软件的实践教学体系

基于青稞种植与加工虚拟仿真实验教学平台，青海大学食品科学与工程专业对实验和实践教学体系进行了改革，形成了虚拟仿真、实验教学、生产实习和教学改革“三位一体”的农产品加工课程实践教学新体系。实验教学方面，粮油食品工艺学实验、食品工艺学实验、食品分析实验、食品化学实验和食品发酵工程设计性实验等实验课程围绕虚拟仿真实验教学平台补充完善教学内容、拓展修改考核方式、充分利用信息化实验教学方法和手段激发学生学习兴趣，强化了理论知识学习和实验实践的衔接性。专业生产实习方面，融合虚拟仿真实验教学平台和专业生产实习，在学生进行专业实习前，利用虚拟仿真实验教学平台完成认知学习和安全意识培训，为后续专业实习实践奠定了良好的基础。结合虚拟仿真实验教学平台，改革实验和实践教学模式，构建新教学体系，提升了青海大学食品科学与工程专业学生的学习主动性和实践能力。

六、结束语

虚拟仿真教学作为一种新的教学方式，不仅为课堂教学提供了信息化技术手段，而且可显著提高学生学习的积极性和主动性。将课堂中理论知识的刻板讲解，转换为自动引导性、可重复和趣味性强的计算机虚拟操作，夯实学生对专业理论知识的掌握，提升学生对实验课程的主动性，提高学生的学习成效，开拓学生课外知识范围，从而实现理论与实践相结合的教学目的，对于青海大学食品科学与工程专业实验教学模式改革具有重要意义。构建青稞种植与加工虚拟仿真实验教学平台，以虚拟仿真教学为突破口，探索食品科学与工程新工科建设的思路和途径，获得创新性的教学成果，为青海大学食品科学与工程本科专业发展和建设一流专业奠定基础。