小麦加工技术虚拟仿真教学平台的构建与应用

兰晓光，王旭峰，刘丽娅

（1.德州职业技术学院 粮食工程系，山东 德州 253034；2.中国农业科学院 农产品加工研究所，北京 100193）

虚拟仿真实践教学是高等教育信息化建设和职业教育现代化的重要举措［1-4］。《国家职业教育改革实施方案》和《职业教育提质培优行动计划（2020—2023年）》均指出了信息技术对职业教育发展的重要作用。运用现代信息技术改进教学方式方法，有助于推动信息技术与教育教学深度融合，促进虚拟仿真与专业实践密切结合，推进虚拟工厂等网络学习空间建设和应用。

小麦加工是开展粮食生产、保障粮食安全和节粮减损的关键技术，涉及清理、配麦、调质、研磨、筛理、清理、配粉、后处理等多个环节，不仅工艺流程复杂，而且设备要求较高。“小麦加工技术”是高职粮食工程技术与管理专业的必修课程，其实践教学占比在50%以上，是一门强调学生实训的专业课程。传统的小麦加工实训中心具有投资大、建设周期长、占用场地较大等问题，无法为粮食加工技术专业学生提供实际和完善的实践现场［5-7］，导致学生无法完成相应的实训项目，课程理论知识不能联系实际、理解不深入、技能训练不到位。

本研究利用前期已建成的粮油食品虚拟仿真实训中心，联合校企合作单位共同开发“小麦加工技术”课程虚拟仿真资源，实现工厂漫游、设备拆解组装、工艺流程认知等多类型的虚拟仿真。

实训教学资源主要包括原粮清理、研磨、筛理、清粉等操作任务，旨在通过设计典型的虚拟仿真实训项目或任务，与传统的实训环节相互补充，形成完整的实训体系和实训流程；对接最新的“1+X”粮农食品安全评价职业技能标准和制粉工岗位规范，结合学习者的技能素养要求，形成虚拟仿真实训考核评价体系。

一、虚实互补的多模态教学环境和多类型教学资源设计

根据小麦加工厂实际工作场景及制粉工岗位需求，构建小麦加工技术虚拟仿真教学平台，主要涵盖工厂漫游、设备拆解组装和工艺流程认知三大模块，具体如图1所示。工厂漫游模块创设了小麦加工企业从外部环境、麦仓粉仓到清理、制粉、配粉、打包等生产车间内部的场景，使学生可以在虚拟场景中身临其境地漫游、自由穿行；设备拆解组装模块可以立体呈现辊式磨粉机、高方平筛、清粉机、振动筛、比重分级去石机等10台核心制粉、清理单机设备及设备内部结构，使学生真实模拟练习设备拆解和组装过程，具有沉浸感和临场感，且可以开展考核工作；工艺流程认知模块1∶1高度还原小麦加工生产线、加工设备及加工过程，将小麦加工工艺流程立体化，通过VR虚拟现实手段真实、具体地呈现给学生，并增加工艺流程设计考核环节。

图1 小麦加工技术虚拟仿真教学平台的框架

在此基础上，利用VR虚拟现实技术和实际加工设备，运用3D、实物等模式，构建虚实结合的多模态教学环境，营造小麦加工实践的教学氛围，并配合沉浸式+实物的设备拆装项目、立体式+模型的工艺流程设计、实训过程中“弹出”的近百道练习试题、知识点动画或视频演示讲解等多类型教学资源，让学生在加工原理、加工设备、加工工艺的知识构建，以及设备操作、流程设计的有效输出等方面，达到良好的学习效果。

二、虚实一体化教学模式构建

虚拟仿真实训过程改变了传统的学生被动接受的教学模式。通过扮演制粉工角色，学生需要经过初级制粉工（强化小麦加工工艺流程和设备的认知）、中级制粉工（强化设备工艺参数调节和维护技能）和高级制粉工（强化生产能力及故障检修能力）3个阶段的技能学习；通过3D模型、视频动画及文字全方位立体化讲解，让学生理解课程的理论知识，并在虚拟现实场景中完成实训项目，即通过设备设施的“接触”来真实呈现设备整体及关键组件的构成、工艺参数调节、流程设计等内容。充分利用现有实训设备，要求学生实际动手操作、反复练习，掌握制粉工的各项技能，创建“理实一体、虚实结合”的教学模式［8］。

设备拆解组装和工艺流程认知是平台的核心模块，以教学模式、练习模式和考核模式3个部分开展加工设备及工艺流程实训过程。以工艺流程教学为例，学生可以自主浏览各个工序，了解流程相关知识和设备操作注意事项，包括小麦初清、毛麦清理、二次润麦、净麦清理、制粉、配粉等6个工艺流程。

练习模式是最重要、耗时最长、需反复学习和练习的环节［9］。练习步骤覆盖了小麦原粮筛选、风选、去石、精选、磁选、打麦、配麦、润麦、研磨、筛理、清粉、入粉仓、配粉、打包等完整的工艺流程。学生首先需要标识小麦加工的整体工艺流程，然后沉浸式360°观察生产车间内清理、制粉、配粉、打包、麦仓粉仓等5个区域内的仿真场景。在各区域进行虚拟仿真实训的同时，平台会同步给出加工设备的相关介绍以及选择、问答和计算题练习，让学生掌握设备技术参数、工艺效果评定等知识，结合实训室现有的磨粉机、比重分级去石机、平筛、着水机、打麸机、配麦器等加工设备实际动手调节参数、计算评定工艺效果等。

考核模式主要考查学生对整个小麦加工工艺流程设计、核心设备的结构及技术要求的掌握情况，以“填空”“排序”和“拆装”的形式进行考核，平台自动判断解答内容，并给出正确答案与解析。为了巩固学习效果，平台内置了包括工艺流程的组合原则、加工设备的工作原理、技术参数和操作注意事项等内容的百道题目，学生可以反复测试，直至完全掌握相关专业知识，教师可以分析学生的测试情况，了解学生的学习效果。

三、虚实结合的多元化考核评价体系构建

在“小麦加工技术”课程教学过程中，结合小麦加工技术虚拟仿真教学平台、课程平台以及实训设备，教师应在每个教学环节按评分标准对学生进行评测，完成理论知识和职业技能过程性考核，最终汇总得到学生的实训总成绩。“小麦加工技术”课程虚实结合的多元化考核评价体系如表1所示。

以“小麦加工技术”课程中比重分选设备操作为例，采用任务驱动、实验探究方法进行理论教学。课前，教师通过课程平台对学生进行分组并布置小组作业，要求各组学生查阅比重分选设备的相关资料，并自学比重分选设备的类型、工作原理、结构及操作调试方法等相关信息。课上，各小组分析讨论比重分选设备操作任务的知识要点并形成思维导图，提高对整个知识体系的掌握［10］；教师引导学生从多方面考虑任务实施过程中可能遇到的问题，并结合思维导图制订任务实施方案，培养学生的发散思维以及全面分析问题、解决问题等创新素养。本部分通过课程平台系统评价和教师评价进行过程性考核，占课程实训总成绩的30%。

实训教学采用虚实结合的教学模式。教师指导学生利用课程虚拟仿真系统的设备拆解组装模块开展比重分级去石机核心部件的拆装和绘制结构示意图。通过工厂漫游模块及粮油加工仿真系统开展比重分级去石机的仿真操作和技术参数调试，直观探究比重分级去石机的开停机及风量、进料量等技术参数调试，帮助学生更深入地理解比重分选设备的结构及操作调试方法。学生扮演制粉工角色在虚拟环境中尝试比重分级去石机的拆装及其操作调试，教师要观察学生的虚拟仿真学习及操作过程，并对其实训过程综合评分，该部分占课程实训总成绩的25%。

在虚拟仿真实训完成后，学生要参照比重分级去石机的结构示意图及操作规程，针对分级筛及去石筛面拆装、筛面料层及风量控制、振动方向角读取等问题进行现场实训。各小组应利用比重分级去石机开展设备拆装及操作调试的实践练习，多角度探究问题答案并反复论证，形成实训报告。本部分针对小组协作分工、任务实践探究、设备操作规范等实训情况，采用学生自评、组内互评和教师评价的综合评测方式，占课程实训总成绩的30%。

教学拓展活动需要学生再次开展比重分选设备的虚拟仿真练习，体会分析影响设备工艺效果的因素并将其整理提交至课程平台，进一步巩固和提升已掌握的知识和技能，完善整个知识体系。教师根据学生的拓展成果进行本部分考核评价，占课程实训总成绩的15%。

结语

本研究构建的基于虚实结合的小麦加工技术虚拟仿真教学平台，可实现身临其境、情景互动、任务模拟、成果反馈等场景教学，与传统的实训环节相互补充，形成完整的实训体系和实训流程。利用该平台的虚拟仿真实训教学资源和考核评价标准，能够使学生在整个小麦加工厂区的虚拟场景中自主开展人机交互，在营造的制粉工岗位职业场景中，参与企业的生产控制和设备操作，充分认知和掌握相关工艺原理及技术要求，调动参与课堂的积极性和主动性，加强对理论知识的理解和实操技能的掌握，增强学习效果［11-12］。

目前，小麦加工技术虚拟仿真教学平台已应用于“小麦加工技术”课程的实训教学。通过教师以及学生对平台的反复使用，发现其在教学应用方面还存在一些不足，仍需在后期的更新和实践中进一步完善。一是虚拟仿真实训教学资源根据“小麦加工技术”课程的部分项目和任务，已经内置了设备拆装及其技术参数认知、流程设计及其工艺要求认知等内容，但缺少设备工艺效果调试的教学内容，后期仍需结合真实的工作任务进一步补充和完善。二是虚拟仿真教学平台目前只能在粮油食品虚拟仿真实训中心使用，课程教师唯有在课堂上利用此平台开展虚拟仿真实训，无法拓展到学生课外学习和在线课程的职业技能培训。后期将通过浏览器或局域网，实现快捷访问虚拟仿真教学平台，便于学生在互联网随时随地学习，打破实体教学时间空间的限制，将学习有效延伸到课堂之外［13］。