虛擬仿真技術在糧食儲藏實踐教學中的應用與研究

李慧 王殿軒

[摘 要]培養(yǎng)高素質的糧食儲藏人才是維護國家糧食儲備安全的重要保障。傳統(tǒng)的糧食儲藏專業(yè)人才培養(yǎng)教學模式已遠遠不能滿足社會對于糧油保管專業(yè)人才的需求。由于專業(yè)的特殊性，糧食儲藏教學需要大量的實訓裝置設備和相關的實訓教學儀器，但由于教學規(guī)模、場地、資金等條件的制約，無論是在實驗室建設，還是在實訓設備的硬件準備方面，現(xiàn)有的培養(yǎng)模式與實際需要還存在較大差距。虛擬仿真技術綜合利用各項高新技術構建虛擬仿真的學習環(huán)境，為傳統(tǒng)教學提供了一種新的教學模式和教學手段。

[關鍵詞]虛擬仿真技術；糧食儲藏；實踐教學

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）07-0080-03

○、引言

糧食儲藏課程涉及如儲藏物害蟲防治、糧食通風干燥、氣調(diào)儲糧、環(huán)流熏蒸、糧油品質檢測、倉儲設備工藝等糧食儲藏的基本技術和手段，有著很強的實踐性[1]。該課程以糧食儲藏專業(yè)的學生為教授對象，除了理論知識的講解外，更注重實踐與實驗，學生可通過實驗和實踐來加深對理論的理解。傳統(tǒng)的教學模式缺乏直觀性和互動性，又受到師資力量、實驗儀器設備、教學經(jīng)費、教學場地等因素的制約，這些導致學生對理論知識的理解不透徹；由于實操訓練匱乏，學生的積極性難以被調(diào)動，這既不利于培養(yǎng)學生的實驗技能和創(chuàng)新能力，又不利于教學效果的提高[2]。隨著計算機網(wǎng)絡技術和多媒體技術的不斷發(fā)展，越來越多的信息化技術被應用到課堂教學當中。虛擬仿真教學技術不僅成本低、效率高、功能全，同時還具有沉浸性、交互性、逼真性等特點，通過開展人機交流互動，可幫助學生更好地掌握知識點，提高學生的實際操作技能[3][4][5]。目前，虛擬仿真學習系統(tǒng)在國內(nèi)外高校得到了廣泛的應用，如美國華盛頓大學開發(fā)的數(shù)字解剖學家系統(tǒng)，德國漢堡大學開發(fā)的Voxel-Man系統(tǒng)，霍華德休斯醫(yī)學研究院開發(fā)的轉基因實驗室，諾貝爾基金會創(chuàng)辦的虛擬生化實驗室；國內(nèi)清華大學、北京大學、中國農(nóng)業(yè)大學等高校也已陸續(xù)開展了虛擬實驗技術方面的研究，著手開發(fā)了虛擬生物實驗室、虛擬醫(yī)學實驗室等。如何讓虛擬仿真技術更好地融入實踐教學中，成為我國教育變革和發(fā)展的方向[6][7][8][9][10]。

一、儲藏物教學現(xiàn)狀分析

糧食儲藏教學主要包括兩大部分的內(nèi)容：以研究糧食本身的屬性及糧堆的特性為基礎，研究糧食儲存技術的理論、設備、應用為主要內(nèi)容的糧油儲藏學，以及以研究儲藏物昆蟲的形態(tài)、分類、生理、行為、生態(tài)及儲藏物害蟲的綜合防治原理與技術為主的儲藏物害蟲與防治。因此，儲藏物實踐教學在培養(yǎng)學生實際操作能力方面具有舉足輕重的作用，肩負著為我國糧食倉儲行業(yè)培養(yǎng)具備優(yōu)良工程素質、工程思維和工程實施能力的基礎型、應用型、創(chuàng)新型人才的重任。

糧食儲藏實踐教學的目的在于培養(yǎng)學生的實踐操作能力、專業(yè)技能和創(chuàng)新思維能力，以現(xiàn)階段的教學模式而言，儲藏物實踐教學主要面臨以下幾個方面的問題。第一，儲藏物實踐課堂教學主要以多媒體課件、板書的形式授課，表現(xiàn)形式單一，不利于學生知識的消化、理解和吸收。第二，糧食儲藏教學對于儲藏物昆蟲的教授主要是讓學生通過觀察各種類型的昆蟲標本（鐘罩式、展翅式、黏貼式、活頁式、表蓋式、指形管式、安培瓶式等）、蠟像模型來了解昆蟲分類及組織器官形態(tài)結構的差別，但由于儲藏物昆蟲標本大都體積較小，非常容易損毀，同時儲藏物昆蟲不像農(nóng)業(yè)昆蟲或其他昆蟲一樣具有鮮艷的色彩或美麗的外形，難以激發(fā)學生學習的興趣和熱情。第三，教學場地欠缺，現(xiàn)有儀器、裝備無法滿足實踐教學的需求。倉儲工序和倉儲設備等只有專業(yè)化糧庫或大型糧油加工企業(yè)才配備，由于有些設備需要較大的場地保障，實驗會產(chǎn)生費用等諸多客觀因素，許多實踐操作項目只能由教師或少部分學生執(zhí)行，大部分人在旁邊觀摩，這不利于高水平創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

由此可見，目前的傳統(tǒng)教學模式已不能完全適應當前學科發(fā)展和社會對糧食儲藏人才的要求，極大地阻礙了糧食儲藏專業(yè)人才的培養(yǎng)，需要尋求有效的方法和手段來改教學效果。

二、虛擬仿真技術在儲藏物教學中的應用及其優(yōu)勢

（一）儲藏物昆蟲三維實體教學

傳統(tǒng)的儲藏物昆蟲教學以多媒體課堂教學為主、通過圖片、Flash動畫、標本、教學模型等來向學生展示，并配以昆蟲學實驗等實踐操作來加深學生對儲藏物昆蟲的理解。但是隨著糧食生產(chǎn)、收獲方式的改變，各種新型儲糧技術的綜合應用，教學用的昆蟲標本資源除去常見的米象、玉米象、谷蠹等鞘翅目昆蟲，以及印度谷螟、麥蛾等鱗翅目昆蟲外，其他種類的昆蟲標本匱乏，這使得儲藏物昆蟲教學質量受到嚴重的影響。而虛擬仿真教學結合三維激光掃描（3D laser scanning）、計算機斷層掃描（Computed tomography，CT）和磁共振成像（Magnetic resonance imaging，MRI）等技術，以獲取昆蟲體壁、感覺器官、消化系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、排泄系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)等的高清晰、高分辨率的圖像數(shù)據(jù)和數(shù)字三維模型。如玉米象和米象，這是兩種重要的儲糧害蟲，在形態(tài)上極為相似，初學者很難區(qū)分。目前國內(nèi)外唯一可靠的區(qū)別特征是外生殖器，但要經(jīng)過一系列的解剖操作才能準確鑒別。通過三維仿真標本，二者的外生殖器結構所有部位可以被任意旋轉、剖切，學生對于感興趣的結構還可以進行放大、縮小顯示，并可利用其透視功能，將各個解剖結構透明而清晰地顯示，以獲得更加感性的認識，這能幫助學生提高學習效果。

（二）使用虛擬仿真軟件模擬實踐教學

糧食儲藏實踐教學期間，教師和學生需要在真實的實訓實驗室、糧庫、加工車間等進行模擬實踐。比如，磷化氫環(huán)流熏蒸殺蟲實驗，需要在糧倉內(nèi)外設置環(huán)流管道，通過環(huán)流管道把風機、風道、糧堆連接成一個閉合環(huán)流熏蒸回路，期間需要連續(xù)監(jiān)測磷化氫氣體濃度，要20天以上才能完成整個環(huán)節(jié)流程。整個實驗不僅需要很多配套的設備和較大的教學場地，而且需要多個不同類型的實驗室協(xié)同配合，正常學時內(nèi)無法完成。另外，還有一些實操訓練，如糧食通風干燥、氣調(diào)儲糧、環(huán)流熏蒸、倉儲設備工藝等知識，由于實驗室條件所限不能開設，或開展過程受時間、地點、人力、物力、財力等的約束，致使學生真正獨立動手操作的機會很少，這降低了學生主動學習的欲望。這些技術學生在今后的科研工作中很可能會用到，它們具有重要的代表意義，缺少這些環(huán)節(jié)會導致學生對整個糧食儲藏技術的認知缺乏系統(tǒng)性和全面性，會導致教學實踐嚴重脫離生產(chǎn)實際，不能滿足用人單位的需求。

而通過使用虛擬仿真技術，建立虛擬仿真實驗室，可有效突破傳統(tǒng)教學在時間、空間以及實驗條件上的限制，在有限的學時、經(jīng)費內(nèi)利用計算機和軟件為學生教授普通教學無法進行而又十分常用、重要的糧食儲藏實操訓練項目，達到增加學生知識量、延伸課時的作用[11]。指導教師可以根據(jù)教學或生產(chǎn)實際需要，針對糧食儲藏生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，專門設計虛擬實訓項目、虛擬場景，讓學生可以進入虛擬實驗室，理解機器設備運行的原理和運行過程，熟悉機器設備操作順序、步驟；掌握技術參數(shù)和要點，這既避免了實際操作中機器設備的損耗，又降低了真實環(huán)境下由于學生操作失誤而引發(fā)運行事故的幾率。指導教師還可以靈活安排實操時間和地點，對學生的實踐操作進行指導和控制，觀察學生的模擬操作技術，在線和學生進行溝通交流，學生也可以在線請教教師，這種方式可以激發(fā)學生主動學習的興趣，達到良好的互動教學效果。此外，虛擬仿真實驗室還可以起到讓學生在課前預實驗的效果，增強學生實際實驗學習的熟練程度，讓學生課后對實驗也能做到反復練習、反復再現(xiàn)實驗情景。

（三）使用虛擬仿真軟件方便實踐教學管理

虛擬仿真教學平臺不僅適用于虛擬仿真實踐教學領域，其還可延伸或擴展成為實驗教學與管理的綜合應用平臺，實現(xiàn)資源共享、實驗預約、在線交流、在線監(jiān)控、過程回放等功能，提高教學資源的利用效率，并且它可以讓學生隨時隨地實驗，甚至可以開放給校外用戶，并對實驗過程精確跟蹤指導。

學生進入虛擬仿真教學平臺后，可以查閱對應的實驗資料，通過預習關卡，方能進入實驗。針對實驗室教師巡視學生實驗指導的場景需求，可以為網(wǎng)上虛擬實驗室提供監(jiān)控和錄像功能。教師可在任何地點同時監(jiān)控多個屏幕，觀察學生的實操過程。同時，學生實操過程被錄制，在提交實驗報告時，錄像數(shù)據(jù)會自動上傳到服務器，一并提交給教師。指導教師通過回放實驗錄像，對學生的實操進行批閱。學生可以通過批閱后的視頻，更直觀地了解到實操過程中出現(xiàn)的問題。虛擬仿真教學平臺支持B/S結構的在線即時互動交流，且可利用圖片、文字、語音等多種方式，實現(xiàn)指導教師跟學生之間的互動答疑。

學生的進行實操訓練時，虛擬仿真教學平臺會自動計時并對操作的步驟進行評判，并建立多維數(shù)據(jù)模型（CUBE），從多種維度對實操數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，這樣能排除主觀因素，對學生考核的結果做到客觀公正，公信力更強。同時，平臺系統(tǒng)能靈活地設置關注的屬性，從而定制各種復雜的查詢場景得到預期的查詢報表。報表的形式按照不同的業(yè)務場景分別用列表、柱狀圖、餅狀圖、拆線圖等形式展示，這能讓報表更直觀、生動、形象，方便指導教師對學生實操成績進行分析、評價，為教師了解學生對實操內(nèi)容的掌握情況、制定個性化培養(yǎng)方案提供決策依據(jù)。

三、虛擬仿真技術在教學中存在的問題

（一）虛擬仿真平臺內(nèi)容較單一、封閉

內(nèi)容設計是虛擬仿真教學體系建設的主要內(nèi)容，現(xiàn)有的虛擬仿真教學平臺開發(fā)人員較少，缺乏內(nèi)容支持。目前各大高校已有的虛擬實驗系統(tǒng)，學生只能遵照設定的程序進行操作，這種模式在一定程度上限定了教學內(nèi)容與教師的教學表達方式，限制了學生的思維模式，不利于學生創(chuàng)造性和個性的發(fā)揮。因此，現(xiàn)階段虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)應該遵循以下幾個原則：按照一定的專業(yè)方向進行跨領域、交叉學科的協(xié)同資源整合，進行資源分類；建立動態(tài)的實操任務數(shù)據(jù)庫，按照實際生產(chǎn)需求進行分類整合；實現(xiàn)校內(nèi)外和本地區(qū)及更廣范圍的糧油工程類實驗教學資源的共享，積極與更多的國內(nèi)外著名的企業(yè)合作，建立可持續(xù)發(fā)展的虛擬仿真實驗教學支撐體系。

（二）進一步優(yōu)化整合資源，提升平臺的開放性

可以利用先進的大數(shù)據(jù)、云平臺技術整合分散、凌亂的實驗資源，實現(xiàn)現(xiàn)有資源的優(yōu)化合理設計；將虛擬仿真平臺的安全性和開放性有機結合起來，在保證系統(tǒng)資源和數(shù)據(jù)保密的前提下，可以將實驗室內(nèi)的資源提供給遠程的互聯(lián)網(wǎng)客戶，開放資源給兄弟院校，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。同時，開放部分權限給學生，調(diào)動學生的探索欲望，鼓勵引導學生利用平臺自由組隊，開展設計型、創(chuàng)新性實驗，建立有利于學生個性成長的自主式、合作式、研究式學習的實驗教學模式。

四、結束語

根據(jù)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》和《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》文件精神，國內(nèi)已于2013年啟動開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設戰(zhàn)略，虛擬仿真實驗教學依托網(wǎng)絡通信技術、人機交互技術、多媒體技術等，直觀、生動地展現(xiàn)各種實驗技術的基本原理和實驗流程，為學生的實訓學習提供更加完善的實訓場景。實踐證明，充分利用和發(fā)揮虛擬仿真技術在糧食儲藏教學中的優(yōu)勢，可以很好地豐富和補充傳統(tǒng)實驗教學手段，可激發(fā)學生的好奇心和求知欲，可增強學生的感性認識、培養(yǎng)學生的動手能力、提高學生的實訓操作效率，進一步提高學生的職業(yè)技能和綜合能力，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才打下堅實的基礎。

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[責任編輯：陳 明]