基于青藏高原生态背景牦牛肉生产及加工虚拟仿真实验教学模式的探索

韩丽娟，秦艳婷，院珍珍，焦迎春，叶 英，刘荟萃，宋洋波，王树林

（青海大学 农牧学院，青海 西宁 810016）

1 基于青藏高原生态背景牦牛肉生产及加工虚拟仿真实验教学模式探索的背景

青藏高原区是中国一个独特的自然生态环境区域，是联合国教科文组织认定的全球无公害超净区之一，由于当地气候恶劣且高寒缺氧，地理条件特殊。牦牛是一种能适应青藏高原自然环境的重要生态种类，堪称绿色动物的草原之舟，也是终年自然生存于世界屋脊三江源头的独特动物性食品资源[1]。因此，牦牛肉、牛奶就成为了中国天然生态有机产品的金牌冠军。青海省“十三五”规划指出，青海省要以生态保育型农业为主攻方向，加快发展高原特色优势产业，积极开发高原特色农产品，适度发展农畜产品加工业，将牦牛产业发展定位为青海省畜牧业战略发展的科技攻关计划之一。因此，对于该种高原特色动物性食品资源——牦牛的利用，其分级、加工、检测等生态利用在学科实践教学中显得尤为重要。在实践教学过程中，由于实践基地本身的限制及碎片化的实践课程知识点等原因，本科生系统的、整体的实践知识体系无法形成，也导致食品科学、生态学、动物科学及生物技术相关专业的本科生无法掌握系统的农牧产品加工技术、检测技术等实践操作技能，无法满足青海省对于此类综合素质高、实践操作技能熟练的人才的需求。

2 食品科学与工程类虚拟仿真实验教学模式存在的问题

2.1 传统教育方式难以将专业理论知识应用于实践操作

传统教育方式难于将专业理论知识应用于实践操作。该学科的重点课程——“食物工艺学”“食品工程原理”的知识较多，但基本原理公式却比较复杂，其课程任务主要是引导学生运用数学、物理、化学和物理化学方面的专业知识，去处理在食品工业中所面临的具体课题，课程具备了很强的产品设计、选型、布置与运行等的系统工程性质。学生对课堂中的概念、方法感到很抽象，学习时不能把握要点，常常只是掌握了几个简单的片段，在研究和处理实际课题上感觉无从下手，无法将理论知识与实践操作相关联，理论-实践知识体系无法统一构建。

2.2 传统教育方式限制了本科教育中学生的主观能动性及创新实践的需求

当前，食品实验教学课程既无法培养高校毕业生的食品学科实际操作技能能力，也无法满足当代本科教学中对学习者主体能力和创新实践的要求。传统的教学中，食品实验教学主要为教师讲授示范，学生模拟实验。该教学模式没有调动学生探索认知事物的能力，使得学生自我练习的积极性不强[2]。同时，此教学模式在一定程度上影响了学生主观能动性的培养和创造力的培养。

3 基于青藏高原生态背景牦牛肉生产及加工虚拟仿真实验教学模式构建

牦牛生产及加工虚拟仿真实验模式的建设，必须贯彻“科学合理计划、共用资源、突破关键点、提升效果、持续发展”的指导思想，以全面提高高校学生的创新精神与实际创新能力为主旨，以资源共享优化实验教学资源为核心，以构建信息化发展的实验教学资源体系为工作重点，并遵循“虚实结合”的原则[3]。经典的实体实验与虚拟仿真实践相辅相成，打破了传统食品科学、动物科技实验教学的空间环境和对大型设备数量、实际操作过程的约束，使学习者能够全面锻炼实际操作技能，进一步增强了基础知识与技能运用的能力。总体建设内容涵盖了牦牛生态利用加工虚拟仿真软件建设及虚拟仿真实验教学体系的建设。

3.1 牦牛生态利用加工虚拟仿真软件建设

充分挖掘虚拟现实仿真软件的设计优点，使生产实际场景或仪器设备构造形象呈现在学生面前，学生可以身临其境地进行反复操作演练，使学习更加深入而且生动。授课教师利用空间实践小组课程、项目课堂和虚拟现场课程等与学生交流互动，做到自主学习、互助学习、研究性学习的有机融合[4]。

牦牛养殖及屠宰虚拟仿真实验软件的开发主要采用三维可视化技术，依据牦牛养殖环境实际布局搭建模型，按实际牦牛生产过程完成交互实验，完整再现牦牛养殖场操作过程及牧场的经营管理。将牦牛养殖的理论知识融合到实践操作的各个环节，为畜牧专业学生学习草食家畜的养殖技术提供辅助手段，为食品专业拓展性学习肉品原料学提供自学的素材。同时，采用三维可视化技术，依据牦牛屠宰工厂实际布局搭建模型，按实际屠宰过程完成交互实验，完整再现了牦牛屠宰的操作过程。

牦牛屠宰虚拟仿真实验软件的开发主要以牦牛肉加工为内容，以三维形式展现牦牛肉加工环境和操作过程，学习动物性食品加工的实验操作。学生通过虚拟仿真实践，直观地了解各种加工及检测设备的实际应用，并在线利用虚拟仿真实验进行实操，虚实互补，两者相辅相成，进一步完善了动物性食品加工综合实践训练教学体系[5]。

3.2 虚拟仿真实验教学体系的建设

该教学体系将通过牦牛肉生产与加工的虚拟仿真实验，破解中国特色动物性肉制品生态利用加工在课程与教学中出现的技术难点，并利用课堂讲授、虚拟操作、自主训练、真实实验/参与/学习、自主复习完成整个课程的学习流程，充分体现了虚实融合的优点，有效提升了学习者的实际水平、教学成果，以及课堂满意度。首先，针对本科生实际操作能力的训练，制定牦牛肉生产及加工虚拟仿真软件的操作手册、教学大纲、教学讲义等指导书；其次，通过在研究工作人员职责、实验室内容、仪器设备的质量管理、实验室安全、设备管理和权限控制等方面，建立更完整、更规范的质量管理体系和规程标准及虚拟仿真实验教学改革方案，以提高研究中心工作的高效性和稳定性[6]；最后，虚拟仿真的实验学习系统能够追踪并记录学生在整个研究项目中的学习状态，并实现在线测验与及时评价反馈。将虚拟仿真实验教学课程列入相应学科人才培养计划，制定相应教学效果考核方案。积极探索大学与专业实验教学的结果互相认可、学分转换机制。

4 牦牛肉生产及加工虚拟仿真实验教学模式实施的意义

4.1 满足西部地区农牧产业经济发展对食品类人才的需求

西部地区食品及农牧业相关专业高水平学术型和应用型人才短缺，现有从业人员中专业技术人员比例非常低，高素质人才匮乏，农畜产品精深加工发展动力不足，严重制约了青藏高原现代农牧业及生物产业的可持续发展，多渠道培养食品专业高级技术人才已迫在眉睫[7]。青海大学是青海省唯一具有完整的食品科学与工程专业本科及研究生教育、科研团队及研究条件的高等学校。食品科学与工程学科担负着为青海省特色食品资源开发及促进地区经济发展提供智力和技术支持的责任。只有在食品科学等专业人才培养中坚持突出青藏高原地理特点，充分考虑课程发展的完备性，健全实践性课程体系——虚拟仿真课程系统，才能够建立富有青藏高原特点的课程系统及教学方法，为青海省及地区经济社会建设创造有力的智慧及支持。

4.2 满足现代教育多学科交叉融合发展的需求

该项目的建设对于推动食品、生物学及交叉学科领域科学研究，加强各类学科融合，提高优势学科资源整合，更好地适应青藏高原区域经济发展和特色农牧经济建设的需要，具有十分重要的意义。项目的建设可充分发挥青藏高原独特的资源优势——牦牛肉，突出高原学科特色，使食品科学与工程、农学、生物技术、生态学等学科建设取得突出成绩，使其成为全国具有重要影响力的学科点。以虚拟仿真软件开发及实践应用为手段，以培养高素质专业本科人才为目标，逐渐形成在国内外具有一定影响的特有生物资源生态利用的虚拟仿真教学团队，成为我国特色鲜明的国家级虚拟仿真教学中心，使其成为特色生物学人才培养的“摇篮”及特色生物资源生态利用研究的“热土”。

牦牛生产及加工虚拟操作仿真教学模式，能够真实地模仿学生完成实体牦牛肉生产加工中的所有实际作业的全部流程，包括启动设备装置通电、控制机械设备和进行垂直变形等的各种动作，是按照实物食品生产工艺原理进行设置，把学生曾经的手工作业转化为鼠标的触摸屏作业，既增加了实验教学功能，也加强了对学生实践操作技能能力和创造力的训练，相比较于传统的实体实验室，有着特殊的教学功能与价值。