教育数字化背景下精酿啤酒虚拟仿真在实践教学中的应用探索*

杨永学，孙晓璐

（阜阳职业技术学院城乡建设学院，安徽 阜阳 236031）

为推进现代信息技术融入实践教学项目， 拓展实践教学内容广度和深度， 延伸实践教学时间和空间， 提升实验教学质量和水平，2018年6月教育部发布《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》。 2022年2月《教育部高等教育司2022年工作要点》明确指出，在推动高等教育课程体系和教学内容改革中，推出一批线上、线下、线上线下混合、虚拟仿真、社会实践“金课”。 实施“中国金课行动”，建设“一流课程网”，提供优质课程资源和教学案例；在全面推进高等教育教学数字化中，推进“虚拟仿真实验教学2.0”建设，强化“实验空间”平台应用[1]。 虚拟仿真实验教学作为国家教育教学数字化战略的重要内容， 是目前高等学校三教改革的重点内容之一，对高校教学实践资源建设、高等教育教学质量、人才培养有着举足轻重的作用[2,4]。

随着新技术、新产业、新业态、新模式的新时代经济结构转型及内涵式发展的转变， 精酿啤酒契合了新生代消费者对啤酒高端化、多元化、个性化的追求，如雨后春笋得以迅猛发展[5]。 在当下高校的专业课程设置中， 精酿啤酒生产技术课程的开设主要涉及食品、生物两类专业，在开展精酿啤酒的实训教学过程中，存在实验设备数量少、学生人数多、成本高、耗时长等问题[6]，精酿啤酒生产技术的教学效果难以达到预期，导致学生职业技能水平参差不齐。精酿啤酒虚拟仿真实验的引入， 弥补了精酿啤酒生产技术实训教学的不足，同时提高了学生的学习兴趣，激发了学生学习的主动性和积极性，为培养高素养、高技能水平、创新型人才发挥了积极作用[7]。 以学生为中心的精酿啤酒虚拟仿真实验教学模式和教学方法，完善了真实实训教学情境，提升了实践教学质量和教学效果， 对精酿啤酒虚拟仿真在实践教学中的应用进行了探索。

1 精酿啤酒虚拟仿真实验课程的必要性

随着数字信息技术的发展和教育信息化的升级迭代，教育数字化转型升级得以实现，正是在这一背景下， 虚拟仿真实验教学赋能高校现代化职业教育，助力高等教育强国建设[8]。

不少职业院校开设了啤酒生产技术课程， 但啤酒生产实践教学存在很多问题。

（1）啤酒生产设备、原料的成本高。 由于啤酒生产设备占地面积较大，且设备成本较高，绝大多数高校不具备批量生产设备的条件， 即便是部分院校投建了啤酒生产车间，但设备数量较少，在实训教学过程中，不可能让每一位同学都进行实际操作。 同时，由于生产啤酒所需的麦芽、 酵母和啤酒花等原料成本较高，学生们进行实验操作的机会较少，这就导致了学生职业技能水平不高， 不能很好地为学生就业起到铺垫基石的作用。

（2）啤酒生产的耗时性。啤酒的生产过程至少需要连续9 h，除了粉碎、投料等操作，其他大部分时间都在等待， 生产过程中的关键操作步骤只能由教师操作演示并进行讲解，让学生观看学习。啤酒在后续发酵管理过程中， 需要不断取样进行残糖的测量直至发酵结束，一般需经历20 d 左右的时间才能成熟。啤酒生产的整个流程较为耗时，很难满足学生对啤酒生产过程反复实验的需求。

（3）啤酒生产过程的危险性。啤酒在生产过程中会使用蒸汽， 在操作阀门的开关过程中易被高温蒸汽管道烫伤。此外，在CIP 清洗发酵罐体时需使用强碱清洗，强碱溶液的配制和使用具有一定的危险性。无论是煮沸的麦汁、高温的蒸汽管道还是强碱溶液，在实验操作过程中，都需确保学生人身安全。

（4）啤酒教学模式的固化。 目前，大部分高校开设的精酿啤酒生产技术课程在实际教学过程中，主要以理论知识和多媒体课件的讲授为主， 教学模式固定单一，较为枯燥，学生学习兴趣较低，主动学习能力较弱，教学效果较差。

（5）工业啤酒配方的单一性。传统工业啤酒种类较为单一，口感较为单薄寡淡。 精酿啤酒种类较多，口感浓郁香醇，给人带来不一样的体验，配方的多元化让啤酒世界更丰富精彩，如德式小麦啤酒、比利时小麦啤酒、IPA、果啤、茶啤、牛奶世涛等，不同种类精酿啤酒所需原料配方和生产工艺大相径庭。 学生在实验教学过程中， 往往只能生产一种或两种类型的精酿啤酒， 对于不同种类精酿啤酒的原料和配比及生产工艺理解较为浅显， 不利于培养现代企业所需的高技能人才和创新型人才。

精酿啤酒虚拟仿真实验教学秉承虚实结合、相互补充、 以虚促实、 验证与创新有机融合的教学理念， 使学生从感性认识上升到对生产过程更深层次的理性认识，构建了新型的实验教学模式，有效地解决了实训教学过程中“三高三难”的问题，实现了教学内容由课堂向课外的延伸，这种形象逼真、生动有趣、 闯关模式的教学方法真实再现精酿啤酒生产场景，不受生产设备高成本、生产过程高耗时和高风险影响，能够多次重复观摩和练习，充分提高了教学效率和教学效果。

精酿啤酒虚拟仿真实验教学的实施， 一方面可解决学生在企业实习过程中遇到的难题， 另一方面顺应了教学数字化的趋势， 新型的教学模式和教学方法契合了高校三教改革的需求。同时，也丰富了高校职业现代化的实践教学资源。此外，还有利于学生职业素养的提升， 职业技能水平的提高和创新型思维的养成。因此，作为精酿啤酒生产技术课程系统性变革的内生变量， 精酿啤酒虚拟仿真实验教学对于教育教学质量提升方面的必要性不言而喻。

2 精酿啤酒虚拟仿真实验课程的建设

2.1 课程特点

精酿啤酒虚拟仿真实验能够真实地还原工厂车间生产场景，身临其境地体验实际生产操作，让学生在感官和理性认知方面增加直观记忆要素， 易于理解内化。在2021 级食品专业学生虚拟仿真实验教学过程中，学生们都表现出较高的学习兴趣，而且大部分同学在理论知识学习后， 几乎不需要借助于虚拟仿真平台提供的操作手册或视频， 便可直接在三维动画中利用蓝色光圈亮点提示进行操作， 这些都与虚拟仿真实验课程特点有着紧密的关系。

精酿啤酒虚拟仿真实验课程有以下特点： ①具有直观性， 相较于传统课程中存在的生产设备内部组成构件、工作原理及管道流向等诸多抽象问题，虚拟仿真技术能够直观地通过三维动画全方位演示清晰地呈现出来，便于观察和认知；②具有高仿真的特点，虚拟仿真实验能够真实还原工厂的各模块场景，与实际职业情境相对接， 增强了与行业企业岗位实践的契合度；③具有交互性、闯关趣味性的特点，虚拟仿真实验通过人机交互、 仿DCS 与3D 现场交互产生与真实岗位一致的情境， 让学生能够沉浸式地学习，智能性的交互，给枯燥的知识学习赋予了闯关趣味性，激发了学生学习的内在源动力，培养学生的自主学习意识； ④具有减少试错成本和实验事故的特点。 在精酿啤酒实际生产中，一旦操作失误，就会导致实验失败造成原料的浪费， 亦或导致实验事故的发生。在精酿啤酒虚拟仿真实验的模拟练习中，如果操作失误， 虚拟仿真系统会模拟出相应的危险后果，让学生意识到正确操作的重要性，从而可极大地减少在实际实训生产中的错误操作和实验事故。

2.2 课程内容

精酿啤酒虚拟仿真实验平台分为精酿啤酒3D生产工艺仿真和3D 认识实习仿真两个模块。 3D 生产工艺仿真模块包含原料粉碎工段、糖化工段、发酵工段、CIP 系统清洗工段4 个仿真数据库，其中糖化工段包含糖化锅、过滤槽、煮沸锅、旋沉槽4 个工序，在糖化锅这步工序中有麦汁浓度检测、还原糖检测、苦味质检测和总酸检测等采样测试， 发酵工段包含发酵罐、清酒罐、酵母系统、过滤系统4 个工序。 3D认识实习仿真模块包含入厂培训、安全教育培训、安全护具及控制培训、 原料和糖化及发酵车间培训6个仿真数据库，内容涉及安全管理、生产工艺、设备原理、自动控制等方面，操作者可以自由选择认识区域进行学习。

精酿啤酒虚拟仿真实验平台具有整套完善的实验教学内容体系，涵盖了生物、食品、化学、物理、机械等多学科交叉的知识，以视频、虚拟仿真动画实验或数据库的形式呈现出来， 能够给学生提供较全面的、最真实的操作情境，生动直观的体验感让学生更易于认知和理解相关内容。

图1 精酿啤酒虚拟仿真实验平台

2.3 课程考核评价

精酿啤酒虚拟仿真实验可设置蓝色光圈亮点提示进行精酿啤酒3D 生产工艺仿真的练习， 不限时间、不限次数，随时随地均可开展学习。 虚拟仿真实验教学课程的考核， 可通过操作质量评分系统对学生进行评价。 操作质量评分系统同步记录学生的每一步操作步骤，并依据学生操作生产工艺流程顺序、参数范围设定、 综合实验成果以及熟练度自动进行评分，能够客观地反映学生的学习效果。

3 精酿啤酒虚拟仿真实验教学的效果

针对传统啤酒生产实训教学所面临的“三高三难”问题，虚拟仿真实验可完美解决这一难题，突破了时间、空间、原料以及设备的限制，学习内容和方式具有传统实验无法企及的开放性和灵活性[9]。 同时还能丰富实践教学资源，推动多元混合教学方式，激发学生学习的主动性，提高教学效果，促进学生在职业技能、素养、创新设计能力方面的有效提升，培养出符合企业所需复合型人才，更好地为社会服务。

3.1 丰富实训教学资源，提升教学能力

精酿啤酒虚拟仿真实验的教学内容拓展了专业领域和相关的知识领域， 其3D 认识实习仿真模块包含安全教育培训、安全护具及控制培训等内容，涉及到DCS 控制系统、各种仪表、电动调节阀、真空泵设备等自动控制和设备原理知识点， 这些都是现代啤酒企业要求从业员工所必须具备的知识技能储备，恰恰是食品、生物专业学生较为薄弱的环节，而学校受各种因素影响又无法开展相关知识的教育教学， 这一短板通过虚拟仿真实验得以有效补充和外延。对于精酿啤酒生产工艺的虚拟仿真，也让实验学资源得以充实完善。 虚拟仿真实验在丰富实训教学资源的同时，也拓宽了教师的教学视野，加强了教师对于现代化、数据化、智能化的高等教育数字化的认识，极大地提升了教师的教学能力。

3.2 推动多元混合教学方式

基于“互联网+教育”、“智能化+教育”，借助于学习通平台，秉承以学生为主体的教学理念，开展线上平台、线下课堂、虚拟仿真实验、生产实训的多元混合教学方式， 学生首先可采用观看视频或文档资料的方式在线上进行预习，再线下课堂深入学习，其次通过虚拟仿真实验进行高还原度地、 反复地操作练习，最后线下进行真实生产实训操作，深化知识的联系和内涵。 将虚拟仿真实验应用于线上线下混合式教学中，实现优势互补，强化学习效果。 这种多元混合教学方式的构建，能够让学生更安全、多维度、深层次地学习，实现操作实践和知识迁移深度融合。

3.3 激发学生学习主动性，提升教学效果

在精酿啤酒虚拟仿真实验的场景中， 学生选定角色后，通过人机交互、三维实景交互、智能性交互，根据生产工艺流程顺序进行操作， 借助于界面右上角的操作任务提示和蓝色光圈亮点的指引， 在如同闯关游戏趣味性的学习过程中， 学生能够身临其境沉浸式地学习， 这极大地激发了学生学习的热情和主动性，学生以积极乐观的心态主动学习、反复练习操作，使技能操作水平得以巩固和提高。对于精酿啤酒一个完整的生产工艺流程走下来， 虚拟仿真实验可以将实际生产实训所需要的9 h 压缩至1 h，且不需要原料和设备。通过优化时间效率和节省成本，有效地提升了教学效果。

3.4 提升学生综合素质能力

精酿啤酒3D 生产工艺仿真和3D 认识实习仿真两个模块的学习， 不仅使学生职业技能水平得以提高， 还开阔了学生在安全和工科背景方面的知识视野，提升了学生的综合职业素养。 其中，在生产工艺仿真模块的成品展示区还有精酿啤酒配方的创新设计环节，在啤酒原料和基础理论知识学习后，学生根据目标产品精酿啤酒的特点可以选择投加不同种类的麦芽、啤酒花、酵母等原料和设置不同的生产工艺参数来实现， 提高了学生精酿啤酒多元化配方的设计能力，培养了学生的创新意识。通过精酿啤酒虚拟仿真实验的引入， 可以提升学生的职业素养和技能水平及创新设计能力， 促进了学生综合素质能力的提升。

3.5 加强校企合作，提高社会服务能力

加强与当地精酿啤酒企业的合作， 基于先进企业的生产环境和生产设备，吸收新理念、新技术、新工艺、新规范和新标准，搭建与实际职业情境对接的精酿啤酒虚拟仿真实验，通过校企深入合作，实现双方优势互补、资源共享，重视人才质量培养，提高学生综合素质能力和就业竞争力， 培养真正适应岗位需求的高素养技能人才。此外，精酿啤酒虚拟仿真实验还可以对社会开放，为创业者、精酿爱好者及企业员工培训提供丰富且实用的优质资源， 增强服务社会的能力。

4 总结

目前教育数字化高级阶段的虚拟现实、 增强现实、全息影像等技术还不够成熟，如虚拟现实存在着无法完全解决的眩晕感问题， 难以兼顾沉浸体验感和真实感的矛盾问题， 物理空间环境与网络智能交互学习环境一体化的衔接问题， 这些难题还有待进一步完善。但毋庸置疑的是，随着数字化与教育教学的深度发展和融合， 虚拟仿真技术以其独特的优势在实践教学中势必会崭露头角绽放光芒， 不断赋能职业教育新内涵，重塑职业教育新生态，更好地服务人才培养与经济社会高质量发展。