食用菌栽培課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索

陶永新，朱堅(jiān)，邱棟梁

（福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院，福建福州350002）

食用菌是一類可食用的大型真菌，種類繁多，目前可以人工栽培的食用菌達(dá)60 多種，其中有10 多種已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工廠化周年栽培，如金針菇、雙孢蘑菇、真姬菇等。我國(guó)是食用菌大國(guó)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速、產(chǎn)值巨大，在我國(guó)農(nóng)業(yè)中是繼糧食、蔬菜、果樹、油料之后的第五大產(chǎn)業(yè)。我國(guó)食用菌產(chǎn)量和消費(fèi)量在全世界均排第一，食用菌也是我國(guó)出口的主要農(nóng)業(yè)產(chǎn)品之一。近十幾年來(lái)，我國(guó)食用菌轉(zhuǎn)向現(xiàn)代化的工廠式生產(chǎn)模式發(fā)展，工廠化企業(yè)急需掌握高科技及食用菌知識(shí)的復(fù)合型人才。目前，我國(guó)高校食用菌相關(guān)專業(yè)尚不具備培養(yǎng)復(fù)合人才的硬件條件，因此，建設(shè)食用菌工廠化生產(chǎn)的虛擬仿真教學(xué)課程勢(shì)在必行。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)也逐步走向成熟。虛擬仿真技術(shù)是由計(jì)算機(jī)硬件、軟件及各種傳感器構(gòu)成的人工三維信息虛擬環(huán)境，可以逼真地模擬現(xiàn)實(shí)世界存在的事物及事物發(fā)生的動(dòng)態(tài)過(guò)程，還可以模擬出現(xiàn)實(shí)不能發(fā)生的事情及場(chǎng)景。虛擬仿真技術(shù)非常適合解決因硬件條件不足而無(wú)法開展食用菌工廠化教學(xué)的問(wèn)題，對(duì)于提高食用菌現(xiàn)代化生產(chǎn)教學(xué)及相關(guān)人才培養(yǎng)具有重要作用。

1 食用菌栽培課程實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀及虛擬仿真教學(xué)的背景

食用菌傳統(tǒng)栽培主要以手工為主，輔以一些簡(jiǎn)單的機(jī)械，絕大多數(shù)高校的《食用菌栽培》課程實(shí)驗(yàn)基本以開展一些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作或手工制作菌包為內(nèi)容。手工制作菌包是采用塑料袋為容器，而工廠化生產(chǎn)主要采用塑料瓶為容器，二者的設(shè)計(jì)、操作及后期管理有很大不同。還有目前食用菌栽培實(shí)驗(yàn)教學(xué)只能采用固體接種，而工廠化生產(chǎn)則采用液體菌種，這2 種接種方式及菌種培養(yǎng)方式截然不同。因此，傳統(tǒng)食用菌教學(xué)內(nèi)容無(wú)法以接近現(xiàn)代工廠化生產(chǎn)的模式來(lái)培養(yǎng)相應(yīng)人才。

其次，在線下實(shí)驗(yàn)中，由于時(shí)間和栽培條件的限制，同一學(xué)年只允許栽培一種食用菌，或選擇與上課季節(jié)相符的食用菌品種，以便在自然氣候條件下可以進(jìn)行出菇實(shí)驗(yàn)。而一些需要在特殊氣溫條件下出菇且又是工廠化生產(chǎn)的主要菇類（如金針菇），則無(wú)法在線下給學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)課。同時(shí)，由于線下實(shí)驗(yàn)課時(shí)的限制，學(xué)生無(wú)法在菌菇整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程均參與實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致許多知識(shí)點(diǎn)無(wú)法有直觀的認(rèn)識(shí)，很難完整開展課堂教學(xué)和保證每個(gè)學(xué)生的親自動(dòng)手操作，難以提高學(xué)生實(shí)踐技能、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，不利于食用菌工廠化生產(chǎn)高精尖人才的培養(yǎng)。因此，也凸顯了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性。

第三，食用菌現(xiàn)代工廠化的發(fā)展對(duì)相關(guān)人才提出了更高的要求，現(xiàn)有條件無(wú)法滿足人才培養(yǎng)的需要。當(dāng)前，多數(shù)高校的食用菌教材普遍陳舊，許多章節(jié)內(nèi)容還停留在較為原始和落后的傳統(tǒng)食用菌手工式栽培方式，隨著食用菌工廠化的迅猛發(fā)展，部分課程雖然開始講授相關(guān)內(nèi)容，但由于硬件條件無(wú)法跟上，許多先進(jìn)的知識(shí)體系只能采用文字或口頭講授，效果不佳。食用菌工廠化設(shè)備投資巨大，而且系統(tǒng)性很強(qiáng)，目前沒(méi)有小型化設(shè)備，比如一個(gè)金針菇工廠化成套設(shè)備至少需要成百上千萬(wàn)資金。加上食用菌工廠化模式有多種，幾乎每種食用菌都有其特定的模式，所采用的配套設(shè)備不同，而與生產(chǎn)相似的工廠化硬件設(shè)施在高校建設(shè)成本太高，幾乎不可能。此外，觀看視頻錄像、去企業(yè)實(shí)習(xí)等方式也存在諸多不方便因素。只有以當(dāng)前工廠化生產(chǎn)實(shí)例為藍(lán)本，深入掌握現(xiàn)代食用菌工廠化生產(chǎn)中的機(jī)械設(shè)計(jì)理念、自動(dòng)化操作原理和智能化管理體系，并與食用菌本身的生物學(xué)特性有機(jī)結(jié)合，才能培養(yǎng)出勝任現(xiàn)代食用菌企業(yè)所需的復(fù)合型新型人才。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為實(shí)體實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充，突破時(shí)空局限、成本高、周期長(zhǎng)等限制，學(xué)生可以隨時(shí)隨地在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力。利用虛擬仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)食用菌工廠化生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是解決當(dāng)前難題的重要方法和有力手段。

2 食用菌栽培虛擬仿真教學(xué)模式的理念設(shè)計(jì)

2.1 緊跟產(chǎn)業(yè)發(fā)展前沿需求，培養(yǎng)社會(huì)急需人才

虛擬仿真教學(xué)模式針對(duì)食用菌行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，選取幾種栽培技術(shù)先進(jìn)成熟且產(chǎn)量較大的食用菌為典型代表，凝練成幾個(gè)有代表性的工廠化栽培模式，包括以金針菇為代表的熟料瓶栽模式、以雙孢蘑菇為代表的發(fā)酵料床栽模式、以銀耳為代表的混合菌種模式等，進(jìn)行虛擬仿真教學(xué)。這樣僅用少量虛擬仿真教學(xué)課時(shí)，可以讓學(xué)生熟悉多數(shù)食用菌的工廠化生產(chǎn)模式，進(jìn)而達(dá)到培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)急需人才的目的。

2.2 能實(shí)不虛，虛實(shí)結(jié)合，相互補(bǔ)充

食用菌虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)是只針對(duì)在現(xiàn)實(shí)教學(xué)條件無(wú)法達(dá)到又是工廠化生產(chǎn)的重要模塊進(jìn)行虛擬仿真，而前期一些簡(jiǎn)單通用的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如培養(yǎng)基配制、母種擴(kuò)繁、高壓滅菌等部分，可在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。可設(shè)計(jì)為虛擬仿真的內(nèi)容主要有液體菌種發(fā)酵、液體接種、子實(shí)體出菇前處理（機(jī)械搔菌等）、子實(shí)體階段調(diào)控管理、不同環(huán)境因子及影響效果等。同時(shí)考慮虛實(shí)結(jié)合，線上線下互為補(bǔ)充的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

2.3 與科研成果相結(jié)合，深化課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠建立交互性能良好的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并且能夠讓學(xué)生不受時(shí)間和空間的限制對(duì)平臺(tái)內(nèi)各虛擬實(shí)驗(yàn)室中的設(shè)備及對(duì)象進(jìn)行操作，達(dá)到拓展課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。尤其重要的是，將教學(xué)中相關(guān)方向進(jìn)行拓展和延伸，如將環(huán)境因子調(diào)控的教學(xué)內(nèi)容與其對(duì)食用菌子實(shí)體形態(tài)建成及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)影響的科研成果相結(jié)合，設(shè)計(jì)拓展實(shí)驗(yàn)?zāi)K，豐富并深化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

2.4 注重引導(dǎo)和探索，完善考核體系

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)_本設(shè)計(jì)注重對(duì)學(xué)習(xí)的引導(dǎo)和探索，而非簡(jiǎn)單的驗(yàn)證或觀看。同時(shí)根據(jù)學(xué)生在虛擬場(chǎng)景畫面上的互動(dòng)，系統(tǒng)可以對(duì)仿真操作進(jìn)程進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄與評(píng)價(jià)，準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)學(xué)生每一步進(jìn)行的深度及所犯的錯(cuò)誤，老師可查看學(xué)生對(duì)某些知識(shí)點(diǎn)的掌握程度和熟練度，并據(jù)此科學(xué)地給出成績(jī)。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的構(gòu)建

3.1 食用菌栽培虛擬仿真教學(xué)模塊的設(shè)計(jì)

食用菌栽培虛擬仿真教學(xué)共設(shè)計(jì)4 個(gè)模塊：（A）工廠化栽培工藝流程與原理、（B）液體菌種發(fā)酵及接種、（C）子實(shí)體形成誘導(dǎo)及管理、（D）環(huán)境調(diào)控及影響評(píng)價(jià)（圖1）。模塊A 主要介紹食用菌的基本生物學(xué)特性，讓學(xué)生了解各個(gè)生長(zhǎng)階段的營(yíng)養(yǎng)及環(huán)境條件需求，后面所有的栽培設(shè)施及工藝條件都是圍繞其生物學(xué)特性設(shè)計(jì)運(yùn)行，介紹整個(gè)食用菌工廠化栽培的工藝流程及其中關(guān)鍵步驟的原理，還有一些重要設(shè)備的提前操作演示，學(xué)生了解并掌握這部分內(nèi)容后對(duì)后面實(shí)驗(yàn)流程有總體概括和認(rèn)識(shí)；模塊B 主要是菌種發(fā)酵制備，具體又分4 個(gè)流程：母種制備、液體菌種發(fā)酵及品質(zhì)檢測(cè)、配料及裝瓶工藝、液體接種，該模塊以液體菌種發(fā)酵為主，將液體菌種接入菌瓶完成這個(gè)模塊，其中工程方面的知識(shí)點(diǎn)包括發(fā)酵步驟及發(fā)酵罐的使用、裝瓶步驟及裝瓶機(jī)、接種要點(diǎn)及接種機(jī)等，讓學(xué)生掌握從母種到液體菌種到接種的菌種知識(shí)鏈；模塊C 主要是由菌絲階段到子實(shí)體階段的流程，具體又分走菌檢測(cè)及評(píng)價(jià)、子實(shí)體形成前的菌瓶處理、對(duì)子實(shí)體誘導(dǎo)處理及誘導(dǎo)效果檢測(cè)及評(píng)價(jià)，這一模塊有2 步工藝處理環(huán)節(jié)涉及到前處理的搔菌機(jī)和誘導(dǎo)的溫濕光調(diào)控系統(tǒng)，同時(shí)還有2 步涉及到檢測(cè)及評(píng)價(jià)，通過(guò)設(shè)定不同檢測(cè)結(jié)果及評(píng)價(jià)體系，讓學(xué)生探索不同處理方式的影響結(jié)果，虛擬真實(shí)生產(chǎn)中遇到的各種情況；模塊D 主要是食用菌子實(shí)體階段的管理及出菇過(guò)程，包括了出菇前和環(huán)境調(diào)控2 步工藝處理以及2 個(gè)指標(biāo)檢測(cè)：一是針對(duì)食用菌子實(shí)體在不同環(huán)境因子處理下的表觀特征檢測(cè)，即不同環(huán)境因子處理對(duì)子實(shí)體的形態(tài)特征產(chǎn)生不同效果；二是針對(duì)不同環(huán)境因子處理對(duì)食用菌內(nèi)在的營(yíng)養(yǎng)及功能指標(biāo)的檢測(cè)。具體模塊中還設(shè)計(jì)不同環(huán)境因子交互作用下食用菌子實(shí)體的綜合影響，同時(shí)結(jié)合最前沿的科研成果，使學(xué)生在虛擬出菇過(guò)程中探索各種不同環(huán)境因子處理的影響。

3.2 虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的運(yùn)行

食用菌栽培虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)仿真真實(shí)食用菌工廠化車間的完整生產(chǎn)線，設(shè)置逼真的場(chǎng)景，讓學(xué)生更好地體驗(yàn)在真實(shí)工廠中的情景。一方面通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握整個(gè)食用菌栽培過(guò)程中從菌種制備、發(fā)酵管理、原料配制、裝瓶、滅菌、冷卻、接種、誘導(dǎo)催蕾、出菇管理及環(huán)境調(diào)控等工藝流程，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的練習(xí)，學(xué)生能夠掌握食用菌栽培的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)過(guò)程，熟悉操作要領(lǐng)。該仿真系統(tǒng)中各模塊具有非常鮮活的模擬現(xiàn)場(chǎng)，學(xué)生可親自動(dòng)手操作，并可對(duì)相關(guān)設(shè)備和參數(shù)進(jìn)行不同設(shè)置，并能及時(shí)看到相應(yīng)的效果，同時(shí)還有多個(gè)重要步驟添加指標(biāo)檢測(cè)及評(píng)價(jià)體系，如不同環(huán)境調(diào)控因子對(duì)食用菌子實(shí)體形態(tài)（菌蓋大小、菌柄長(zhǎng)短）、子實(shí)體色澤、子實(shí)體營(yíng)養(yǎng)成分、子實(shí)體重要代謝產(chǎn)物等指標(biāo)設(shè)置檢測(cè)環(huán)節(jié)，有利于讓學(xué)生深層次地理解和探索環(huán)境調(diào)控的影響。此外，還針對(duì)操作過(guò)程重要步驟和知識(shí)點(diǎn)設(shè)置了考核，通過(guò)對(duì)學(xué)生在系統(tǒng)中的操作答題及互動(dòng)，給出成績(jī)。

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

食用菌栽培虛擬仿真系統(tǒng)以理論與實(shí)際相結(jié)合、技術(shù)與應(yīng)用相呼應(yīng)為導(dǎo)向，使學(xué)生置身于現(xiàn)代工廠的“真實(shí)”場(chǎng)景，利用手機(jī)、平板或電腦學(xué)習(xí)相應(yīng)理論知識(shí)在實(shí)際當(dāng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)所學(xué)即所用，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率和教學(xué)效果。該虛擬仿真系統(tǒng)通過(guò)動(dòng)畫模擬真實(shí)場(chǎng)景，具有內(nèi)容豐富、圖文并茂、動(dòng)靜結(jié)合的學(xué)習(xí)環(huán)境及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并以聲音、圖像等豐富的表現(xiàn)力幫助學(xué)生進(jìn)行多感官的學(xué)習(xí)，生動(dòng)形象的教學(xué)方法增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)與科研相結(jié)合，探索式設(shè)計(jì)模塊充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，顯著地提高了學(xué)生的思維能力、創(chuàng)新能力、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰涂蒲心芰Α?/p>

5 總結(jié)與啟示

食用菌栽培虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是高等教育信息化環(huán)境下的必然產(chǎn)物，利用電腦創(chuàng)造虛擬環(huán)境來(lái)模擬各種真實(shí)環(huán)境，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行操作、驗(yàn)證、設(shè)計(jì)、運(yùn)行，把仿真技術(shù)和食用菌生物工程教學(xué)完美結(jié)合起來(lái)，突破了傳統(tǒng)教學(xué)手段，在有限的條件下提高了教學(xué)質(zhì)量，取得了良好的教學(xué)效果。未來(lái)食用菌栽培虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程可形成系列：木腐菌工廠化栽培、草腐菌工廠化栽培，形成食用菌工廠化生產(chǎn)的完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程體系。該課程體系緊貼當(dāng)前食用菌行業(yè)需求，以最前沿的生物工廠化技術(shù)為設(shè)計(jì)核心，以全面提高學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為宗旨，本著虛實(shí)結(jié)合、虛實(shí)互補(bǔ)的原則，同時(shí)將該課程體系在全國(guó)范圍內(nèi)共享優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，可以極大地提高食用菌及相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，對(duì)于培養(yǎng)食用菌專業(yè)高等人才具有重要意義。