青稞种植与加工虚拟仿真实验教学平台的建设及实践

摘  要：虚拟仿真实验教学是实践教学改革的方向之一。在新工科教育背景下，通过虚拟仿真实验教学助力食品科学与工程专业实验教学的改革，需要结合地方特色与食品科学学科的专业特点。该文论述青海大学农牧学院选择青藏高原地区极具特色和文化内涵的农作物青稞为原料，将虚拟仿真技术融合到食品科学与工程专业的专业实验课程，以能实不虚、虚为实用和虚实结合为原则，构建青稞从种植到加工虚实结合、多元一体的实验教学体系，丰富传统实验教学内容，拓展专业知识范围，从而更好地服务于培养实践能力强、具有创新能力的食品科学专业人才。

关键词：青稞种植与加工；虚拟仿真技术；实验教学平台；体系构建；教学实践

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）03-0116-04

Abstract： Virtual simulation experiment teaching is one of the directions of higher education reform in China. Under the background of new engineering education， the use of virtual simulation experiment teaching to help the reform of food science and engineering experimental teaching requires the combination of local characteristics and the professional characteristics of food science disciplines. This paper focuses on the food science and engineering major of the College of Agriculture and Animal Husbandry of Qinghai University that chooses the highland barley with unique characteristics and cultural connotation in the Qinghai-Tibet Plateau area as the material. The study integrates virtual simulation technology into professional experimental courses of food science and engineering major， constructsa comprehensive experimental teaching system that combines the virtual and the real from planting to processing of highland barley. This method has enriched the content of traditional experimental teaching and expanded the scope of knowledge， so as to better serve the cultivation of food science professionals with strong practical ability and innovative spirit.

Keywords： highland barley planting and processing; virtual simulation technology; experimental teaching platform; system building; teaching practice

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。