工夫红茶初制工序虚拟仿真实验教学系统构建与应用

许祯毅，冯 花，张 渤

（武夷学院茶与食品学院，福建 武夷山 354300)

实践教学是高校人才培养过程的重要环节，是地方性本科高校应用型人才培养的关键支撑[1]。通过实践教学，不仅可提高学生的观察能力、实验操作能力、实验分析能力及综合应用能力，还可以拓宽学生的创新思维、增强学生的创新意识以及提高学生的创新技能[2]。虚拟仿真实验教学是实践教学与现代信息技术深度融合的产物，它以虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等现代信息技术为依托，以完整的实验教学项目为基础，以知识点为纽带，积极推动高校探索线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式，拓展实验教学内容的广度和深度，延伸实验教学的时间和空间，特别适应于现代高等教育的发展趋势[3,4]。尤其针对操作难度大、实验周期长、高成本、高消耗的大型综合性实验内容，虚拟仿真实验教学可有效实现教学目的。

茶叶加工制作是一项系统性强及繁杂的程序[5]，由茶青筛选、萎凋、发酵等一系列环节组成，具有周期长、工序复杂、操作难度大、原材料季节性强、材料成本高等特点，对于全国任何一个茶学专业的本科生而言，都难以利用有限的资源内完成我国六大茶类加工制作的实践内容。本项目选取工夫红茶的加工制作技艺进行虚拟仿真实验，因为红茶是我国的第二大茶叶种类，出口量占我国茶叶总产量的50%左右[6]。红茶的产区分布于我国的华南、江南、江北、西南等地区的14个省（市、自治区），其中又以滇红、祁红、闽红、宜红、川红、宁红、桂红等最具代表性，涉及人员达2亿多人，其中大部分是农民，因此发展红茶经济不仅可以繁荣农村经济还可以促进农民增产增收，助力乡村振兴。

1 系统的构建

1.1 系统的设计思路

虚拟仿真实验的本质上是具体实践教学项目的延伸和补充，必须在严格遵循“技术设计为教学设计服务”的原则[7,8]。本实验项目通过虚拟仿真技术对茶青采摘机、萎凋机、揉捻机、链板式干燥机、发酵间等关键仪器设备进行3D建模，真实还原工夫红茶生产加工的场景，构建高度仿真的虚拟实验操作环节和数据处理，重点展现了茶青采摘、萎凋、揉捻、发酵和干燥的操作全过程和重点环节。让学生通过教学系统的指示在虚拟交互程序中开展实验，完成对相关知识点和技术方法的学习，全面理解和掌握工夫红茶的生产工艺，进而促使实验教学效率和学术综合素质与创新实践能力的有效提升。

1.2 系统的功能架构

为了弥补周期长、工序复杂、操作难度大、原材料季节性强、材料成本高等不足之处，构建了工夫红茶初制工序虚拟仿真实验教学（图1），将虚拟仿真技术应用于工夫红茶加工与制作的实践教学。系统根据工夫红茶制作教学的需要，开发了萎凋槽、发酵间系统和交互式虚拟仿真实验平台。使学生在虚拟环境中感受茶青在各个工序中的变化过程，掌握工夫红茶制作加工技术参数。

图1 工夫红茶加工制作虚拟仿真实验界面

本虚拟仿真实验项目在仿真平台上共制定了4个模块，包括实验原理、项目背景、实验操作和注意事项。其中，实验原理模块主要介绍工夫红茶的制作工艺及相关原理，学生可通过该模块加深对知识点的学习和掌握。实验操作模块包含采摘、萎凋、揉捻、发酵、干燥等工序（图2），每个工序中包含5-10个交互知识点，操作者可在文字、图像和声音等信息的指导下利用人机交互，按设定的实验流程逐步完成整个实验过程。

图2 工夫红茶加工制作虚拟仿真实验操作界面

1.3 应用操作

点击进入“实验操作模块”，出现茶厂总览图。通过点击“开始实验”按钮，学生开始实验环节的操作。屏幕顶部显示虚拟日期、气候、温度、湿度等信息，并显示包括“采摘”“萎凋”、“揉捻”、“发酵”、“干燥”等一系列操作按钮。操作者在实验过程中按照系统提示通过人机互动操作及选择，选择以判断题、单选题及多选题的形式出现（图3），操作者根据自己所掌握的知识要点做出选择。该系统自动判定选择的正确与否，并将操作结果汇总至实验报告中，给出相应的分值。

图3 工夫红茶加工制作工序操作流程

2 虚拟实验平台的特色及应用效果

2.1 重现“真实”实验场景，激发学习兴趣

基于计算机和网络的虚拟仿真实验平台，将工夫红茶的加工设备、制作工序和原理通过软件运行于纯硬件组成的网络多媒体教学系统之上，保证了网络教学方式的特色，既贯穿于虚拟实验教学的全过程，又落实到了每步具体操作中。此外，虚拟仿真实验可以提供形象直观、内容丰富的学习环境，图文并茂、动静结合、节奏有序的实验内容，并以声音、图像等丰富的表现力帮助学生进行多感官学习[9]，不仅可以增加学生的兴趣，调动他们学习的积极性，还可以促进学生对工夫红茶加工制作工序的熟悉和实验过程的理解。任课教师在教学过程中辅助讲解实验原理、方法与步骤，并对整个实验全过程加以引导，启发学生创新意识，激发学生学习积极性，培养学生发现、分析及解决问题的能力，从而提高学习效率。

2.2 重复实验，提高实践动手能力

本虚拟仿真实验教学系统结合多项现代信息技术，真实再现工夫红茶加工制作的场景，将翻转课堂的引导式教学与学生自主学习相结合，向学生开放学习资源和学习空间，学生通过虚拟仿真实验系统中各模块的综合运用，能够重复学习工夫红茶加工制作的原理与步骤，提高学生的相关实验和实习技能。经过虚拟仿真实验的练习，真正操作起来既轻松又胸有成竹，从而提高教学效率，同时，还可以降低实验失败的机率。

2.3 传统教学的补充和延伸

本虚拟仿真实验教学系统摆脱了传统实践课堂中教师讲解、演示的束缚，是对传统课堂教学的有效补充和延伸，通过3D建模与人机交互，可使学生在虚拟仿真环境下学习和掌握相关知识，弥补了某些难以完成实习环节的缺陷，从而有效提高了教学质量，保障了人才培养的效果。

3 结语

工夫红茶加工制作虚拟仿真实验平台的建立，不仅能满足茶学专业《茶叶综合实验》和《制茶实习》课程的需要，还能兼顾到相关专业的使用，乃至延伸到茶企对于新生代制茶师、茶农的培养应用中，有着良好的通用性和庞大的覆盖面。另一方面，通过现代化科学技术，将工夫红茶加工制作工艺通过信息化手段进行展示和宣传，让更多爱茶人士了解茶叶的生产加工过程，弘扬中国传统茶文化。

本虚拟仿真教学实验虽解决了工夫红茶加工制作实践教学过程中的诸多限制因素，有效地延伸课堂实验教学及实验空间，显著提高学生学习和教师教学的效率，但由于制茶学实践课程更为注重应用性和实践性，因此应秉持虚实结合、能实不虚、相辅相成的原则，将虚拟仿真与传统教学有机地整合起来，以便更好地为提高制茶学理论与实践教学质量提供有力保障。