《飼料加工工藝學(xué)》虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)

楊 欣,楊小軍,郭 超,蔡傳江,段玉蘭,姚軍虎,龍芳羽

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2西北農(nóng)林科技大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，社會(huì)對(duì)人才需求呈現(xiàn)出多樣化的特點(diǎn)，這就需要高校傳統(tǒng)教學(xué)體系加快變革以適應(yīng)時(shí)代發(fā)展?！笆濉逼陂g，教育部印發(fā)了《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》[1]及《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》[2]，要求將高等教育與信息技術(shù)進(jìn)行深度融合，對(duì)人才培養(yǎng)模式進(jìn)行創(chuàng)新。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)響應(yīng)信息時(shí)代高等教育開放辦學(xué)、資源共享的變革要求，為學(xué)生開展探究性學(xué)習(xí)、自主實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐提供了先進(jìn)手段、開放平臺(tái)和優(yōu)質(zhì)資源，在提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的同時(shí)，也為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)增添了活力和動(dòng)力[3]。

1 虛擬仿真教學(xué)建設(shè)的必要性

飼料加工工藝學(xué)是農(nóng)林高校動(dòng)物科學(xué)專業(yè)重要的專業(yè)課程之一，主要任務(wù)和目的是使學(xué)生系統(tǒng)掌握飼料原料加工成各種飼料產(chǎn)品的過程及工藝原理，包括各作業(yè)單元、工序和各種飼料加工工藝的類型、特點(diǎn)與組合方法，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，為滿足現(xiàn)代企業(yè)所需求的飼料工程技術(shù)人才奠定必要的素質(zhì)基礎(chǔ)[4]。由于課程專業(yè)實(shí)踐性較強(qiáng)，需要到飼料生產(chǎn)一線進(jìn)行操作訓(xùn)練，但是傳統(tǒng)課程實(shí)訓(xùn)具有以下局限性：受實(shí)習(xí)地點(diǎn)的限制，需要協(xié)調(diào)本地飼料廠，在不影響正常生產(chǎn)前提下進(jìn)行短期參觀學(xué)習(xí)，設(shè)備噪音大，現(xiàn)場講解效果不佳；避開設(shè)備工作時(shí)間實(shí)習(xí)，則只能觀察設(shè)備外部特征，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況難以觀察；一個(gè)飼料廠的設(shè)備和工藝有限，需要去多家飼料廠實(shí)習(xí)才能滿足教學(xué)需要，相應(yīng)增加了經(jīng)費(fèi)和時(shí)間成本；安全措施配置齊全的實(shí)習(xí)基地依然會(huì)有實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，隨著社會(huì)進(jìn)步和科技發(fā)展，學(xué)?，F(xiàn)有的教學(xué)實(shí)驗(yàn)基地設(shè)備和條件日趨老化和落后，難以滿足創(chuàng)新性高水平人才培養(yǎng)的需要。為改善教學(xué)條件，提高教學(xué)效果，適應(yīng)國家和社會(huì)對(duì)復(fù)合應(yīng)用型卓越動(dòng)物科學(xué)和水產(chǎn)專業(yè)人才的需求，飼料加工工藝學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)勢在必行。與傳統(tǒng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有仿真性、參與性、安全性、重復(fù)性、無時(shí)間和地域限制等特點(diǎn)，能降低動(dòng)物性疾病尤其是人獸共患病傳播等安全風(fēng)險(xiǎn)，減少實(shí)驗(yàn)動(dòng)物采購、飼養(yǎng)及使用管理的成本，使學(xué)生獲得更加全面系統(tǒng)的訓(xùn)練，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物營養(yǎng)與環(huán)境衛(wèi)生系利用現(xiàn)代信息技術(shù)開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，利用3D虛擬仿真軟件構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，并借助人機(jī)交互手段實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，并可低成本進(jìn)行探索性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，可以有效地解決以上問題，顯著提高教學(xué)質(zhì)量、提升實(shí)踐教學(xué)效果，對(duì)完成動(dòng)物科學(xué)專業(yè)本科教學(xué)目標(biāo)具有重要意義。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)的特色

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是動(dòng)物科學(xué)專業(yè)本科生教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，在課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)過程中，對(duì)已有的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源和成果進(jìn)行了整合，在實(shí)驗(yàn)對(duì)象、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等方面形成了鮮明的特色與創(chuàng)新。

2.1 以動(dòng)物科學(xué)人才培養(yǎng)課程體系為主線

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置以卓越動(dòng)物科學(xué)課程人才培養(yǎng)計(jì)劃與教學(xué)大綱為依據(jù)，全鏈條綜合設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目立足學(xué)生的全面發(fā)展，充分挖掘虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源，以動(dòng)物科學(xué)人才培養(yǎng)課程體系為主線，提高現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)表象的過程機(jī)理，補(bǔ)充不足，提高實(shí)踐教學(xué)水平，提升實(shí)踐教學(xué)效果。

2.2 突出重實(shí)踐的人才培養(yǎng)理念

牢固樹立“厚基礎(chǔ)，強(qiáng)能力，重實(shí)踐”的人才培養(yǎng)理念，緊緊圍繞著學(xué)校提出的“突出產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合辦學(xué)特色，創(chuàng)辦世界一流農(nóng)業(yè)大學(xué)”的長遠(yuǎn)辦學(xué)目標(biāo)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)與管理，積極構(gòu)建起立體型實(shí)踐教學(xué)體系[5]。飼料加工工藝學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)將先進(jìn)的軟件模擬與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)抽象理論知識(shí)的理解，為掌握專業(yè)知識(shí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.3 突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)空制約

傳統(tǒng)的飼料加工工藝學(xué)實(shí)踐教學(xué)因條件限制，存在部分實(shí)踐項(xiàng)目無法開展或開展效果不佳等問題。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目即針對(duì)該問題而設(shè)置，緊緊圍繞本科教學(xué)大綱，以提高本科教學(xué)質(zhì)量為目標(biāo)，從“可視化”、“動(dòng)態(tài)化”的角度，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)和仿真軟件、虛擬現(xiàn)實(shí)、仿真教具、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通訊等現(xiàn)代化信息技術(shù)手段[6]，使傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法開展或開展效果不佳的實(shí)驗(yàn)得以實(shí)現(xiàn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的缺陷，擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提高了教學(xué)效果，開辟了動(dòng)物科學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新途徑。

2.4 實(shí)現(xiàn)科研成果與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效銜接

實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)方案引用最新的飼料加工設(shè)備和工藝?yán)砟睿ＷC項(xiàng)目所選用的圖片、視頻、參數(shù)、模型等素材的科學(xué)性、創(chuàng)新性和前瞻性，在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、開闊學(xué)生視野、拓寬知識(shí)結(jié)構(gòu)、提升綜合能力方面效果顯著，同時(shí)把講學(xué)內(nèi)容推向?qū)W科前沿，對(duì)于促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容更新具有重要作用。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)

西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院發(fā)揮本校學(xué)科專業(yè)特色，積極利用楊凌飼料產(chǎn)業(yè)集中優(yōu)勢，充分整合學(xué)校信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，以培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)、創(chuàng)新能力為出發(fā)點(diǎn)，在前期建設(shè)和持續(xù)投入的基礎(chǔ)上，通過自主研發(fā)、委托研發(fā)、聯(lián)合攻關(guān)等形式，不斷積累、利用先進(jìn)工程軟件和虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體交互、Web 3D等信息化技術(shù)結(jié)合，針對(duì)飼料加工工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，已建成集學(xué)習(xí)性、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性等為一體的綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開設(shè)飼料接收設(shè)備及工藝流程、飼料儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備及工藝流程、飼料清理設(shè)備及工藝流程、飼料粉碎設(shè)備及工藝流程、飼料混合設(shè)備及工藝流程、飼料質(zhì)粒設(shè)備及工藝流程等6套虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊(詳見圖1)，提高教學(xué)能力，拓展實(shí)踐領(lǐng)域，豐富教學(xué)內(nèi)容，降低教學(xué)成本和風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 飼料加工設(shè)備及工藝虛擬仿真模塊Fig. 1 Virtual simulation module for feed processing equipment and process

飼料加工工藝學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用開放是自主學(xué)習(xí)與實(shí)踐相結(jié)合的方式，可隨時(shí)查詢實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，利于提高學(xué)習(xí)的目的性。學(xué)生通過電腦或手機(jī)APP登錄飼料加工工藝學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在教學(xué)資料中獲取不同設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)、工作方式、主要參數(shù)、工藝流程組成等資料進(jìn)行學(xué)習(xí)(見圖2)完成測試題，由系統(tǒng)評(píng)分，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，獲得總成績。

圖2 飼料加工工藝學(xué)各工段虛擬仿真模塊A. 原料清理；B. 飼料粉碎；C. 飼料混合；D. 飼料制粒Fig. 2 Virtual simulation module of feed processingequipment and processA. Raw material handling; B. Feed grinding;C. Feed mixing; D. Feed pelleting

3.1 飼料原料接收設(shè)備及工藝流程模塊

飼料原料的接收是飼料廠物流管理的第一個(gè)重要環(huán)節(jié)，原料在接收環(huán)節(jié)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率直接影響飼料生產(chǎn)全過程的物流運(yùn)轉(zhuǎn)。進(jìn)行虛擬操作是要考慮下列因素：①接收飼料原料的種類；②飼料原料的類型和特性；③每天進(jìn)廠并接收飼料原料的數(shù)量；④飼料原料的運(yùn)輸方式和運(yùn)輸規(guī)模等。

3.2 飼料儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備及工藝流程模塊

飼料廠常用輸送設(shè)備有螺旋輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)、斗式提升機(jī)、氣力輸送設(shè)備及各種閥門、管路和分配器等。虛擬操作要求學(xué)生根據(jù)原料種類、生產(chǎn)目的及設(shè)備特點(diǎn)正確選擇和使用輸送設(shè)備。

3.3 飼料清理設(shè)備及工藝流程模塊

飼料原料接收系統(tǒng)中安裝磁選裝置對(duì)保證設(shè)備安全運(yùn)行至關(guān)重要。飼料廠接收原料時(shí)可用的磁選裝置類型繁多，其中主要的磁選器,包括永磁板、駝峰式和圓筒式永磁鐵、柵格式永磁鐵，電磁鐵和永磁滾筒。

3.4 飼料粉碎設(shè)備及工藝流程模塊

飼料粉碎對(duì)飼料的消化和動(dòng)物的生產(chǎn)性能有明顯影響,對(duì)飼料的加工過程與產(chǎn)品質(zhì)量也有重要影響。粉碎工段虛擬操作要注意如何合理選用先進(jìn)的粉碎設(shè)備、設(shè)計(jì)最佳工藝參數(shù)。

3.5 飼料混合設(shè)備及工藝流程模塊

飼料混合的主要目的是將按配方的比例要求配制的各種飼料原料組分混合均勻，是確保配合飼料質(zhì)量和提高飼料報(bào)酬的重要環(huán)節(jié)?；旌瞎ざ翁摂M操作要學(xué)習(xí)混合設(shè)備、混合方式及如何合理選用混合設(shè)備等。

3.6 飼料制粒設(shè)備及工藝流程模塊

飼料制粒虛擬仿真項(xiàng)目，是將粉狀配合飼料或單一原料(米糠、牧草等)經(jīng)擠壓作用而成型為粒狀飼料的過程，制粒工段虛擬操作主要包括制粒設(shè)備選擇、制粒過程觀察、冷卻、破碎和顆粒分級(jí)等，學(xué)習(xí)設(shè)備工作原理，觀察設(shè)備工作過程。

4 小 結(jié)

通過近些年的教學(xué)建設(shè)，西北農(nóng)林科技大學(xué)飼料加工工藝學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)成為由省級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)規(guī)劃和建設(shè)，面向動(dòng)物科學(xué)、草業(yè)科學(xué)及水產(chǎn)科學(xué)3個(gè)國家級(jí)高等教育特色專業(yè)和其他相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)課程，為“動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)”、“動(dòng)物營養(yǎng)與低碳健康養(yǎng)殖”等5門國家及省部級(jí)精品課程和其他相關(guān)課程開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，同時(shí)，向國內(nèi)其他農(nóng)林高校和企業(yè)推廣和共享。