基于虛擬仿真的烤房工作原理實驗課程設(shè)計改革與探索

任天寶 ，遆晉松 ，賈宏昉 ，賀帆 ，宋朝鵬

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院，河南鄭州 450002；2.河南省生物炭研究工程技術(shù)中心/生物炭技術(shù)河南省工程實驗室，河南鄭州 450002）

在新時代背景下，加強農(nóng)業(yè)綜合創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是涉農(nóng)高等教育的根本任務(wù)和發(fā)展方向。為適應(yīng)和滿足創(chuàng)新人才培養(yǎng)的根本任務(wù)，有必要探索新型的學(xué)習(xí)體驗和教學(xué)方式。根據(jù)教育部對虛擬仿真實驗教學(xué)項目堅持“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進”的培養(yǎng)原則和要求，突出應(yīng)用驅(qū)動、資源共享，將實驗教學(xué)信息化作為高等教育系統(tǒng)性變革的內(nèi)生變量的要求[1-2]。因此，構(gòu)建虛擬仿真教學(xué)是實現(xiàn)數(shù)字化和信息化教學(xué)的重要途徑。

煙草調(diào)制學(xué)作為煙草學(xué)特色專業(yè)核心課。實驗課程教學(xué)時間與煙葉烘烤季節(jié)不同步，導(dǎo)致難以進行現(xiàn)場教學(xué)；其次，烤房結(jié)構(gòu)和工作原理復(fù)雜、體積龐大等一直是制約該實驗課程實踐教學(xué)的重要因素。虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality Technology，簡稱VR、虛擬現(xiàn)實），是一種能創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)。它能模擬現(xiàn)實沉浸式環(huán)境，為用戶提供多種感官刺激，營造一種身臨其境的沉浸式體驗[3-4]。近年來，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)嵌入課程實驗教學(xué)過程的創(chuàng)新型教學(xué)模式，在國內(nèi)外教學(xué)實驗中得到了很大發(fā)展，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于課程實驗教學(xué)過程，據(jù)此設(shè)計實驗教學(xué)資源并形成一種創(chuàng)新型的實驗教學(xué)模式和教學(xué)方法，不僅是未來教育發(fā)展的方向，也是當(dāng)下推進教育教學(xué)改革所面臨的重要課題[5]。

當(dāng)前，隨著我國教育信息化技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用日益廣泛并發(fā)揮著越來越重要的作用[6-8]，其具有打破時空界限、操作便捷安全、效率高等突出特點[9-11]。因此，探索針對煙草調(diào)制學(xué)實驗教學(xué)的改革與創(chuàng)新對改善和提升傳統(tǒng)實驗教學(xué)質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實意義，尤其是對促進產(chǎn)教融合和科教融合新型創(chuàng)新人才培養(yǎng)有很大價值。本文以“密集烤房工作原理虛擬仿真”實驗教學(xué)為例，將交互式教學(xué)模式融入虛擬仿真教學(xué)，為提高煙草行業(yè)專業(yè)人才的綜合素質(zhì)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

1 密集烤房工作原理虛擬仿真實驗教學(xué)項目的構(gòu)建

1.1 密集烤房工作原理虛擬仿真實驗教學(xué)設(shè)計

煙草調(diào)制學(xué)課程為河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)和煙草科學(xué)與工程專業(yè)的必修課程，是一門實踐性、經(jīng)驗性很強的課程。本課程每年面向煙草學(xué)和煙草工程學(xué)兩個專業(yè)240人左右開設(shè)，總共72學(xué)時，實驗24學(xué)時，占總課時量的33%，體現(xiàn)了實驗教學(xué)的重要性。因此，在虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計方面，課題組將24學(xué)時的實驗課程作為一個有機整體，按照虛擬仿真課程群的架構(gòu)進行設(shè)計開發(fā)，有利于未來更好地發(fā)揮信息化實驗教學(xué)的示范引領(lǐng)作用。

密集烤房工作原理實驗教學(xué)部分安排4學(xué)時，為了使學(xué)生在虛擬實驗教學(xué)環(huán)境中能獨立完成所有的實驗操作流程，將班級學(xué)生劃分為多個學(xué)習(xí)小組，借助線上教學(xué)數(shù)據(jù)源進行學(xué)習(xí)資源共享和實驗操作過程數(shù)據(jù)的交互，完成虛擬場景中的實驗任務(wù)。主要包括烘烤工作原理、煙葉調(diào)制的基本知識、驗證煙葉烘烤的有關(guān)理論，培養(yǎng)學(xué)生觀察和分析煙葉烘烤各種現(xiàn)象的能力，鞏固和加深對密集烤房結(jié)構(gòu)、工作原理、烘烤設(shè)備、成熟采收和烘烤工藝的理解。

虛擬實驗仿真實訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計過程，體現(xiàn)出教學(xué)演示功能和交互性操作兩大功能[12-13]。本教學(xué)實驗仿真虛擬系統(tǒng)包括密集烤房結(jié)構(gòu)、工作原理、供熱設(shè)備、散熱裝置、烤煙智能控制儀、排濕系統(tǒng)。開展烘烤工作原理及應(yīng)用虛擬仿真實驗教學(xué)，使學(xué)生從密集烤房工作演示至烘烤實際操作兩個層面深入領(lǐng)會密集烤房工作原理、結(jié)構(gòu)和模擬實驗操作核心要義，達到以下教學(xué)目標(biāo)：（1）以密集烤房結(jié)構(gòu)導(dǎo)入基礎(chǔ)知識點，引出密集烤房的工作原理；（2）掌握密集烤房供熱設(shè)備和操作相關(guān)知識點；（3）熟悉并掌握密集烤房溫濕度調(diào)控操作要求，鍛煉學(xué)生獨立思考和實際操作的能力，提升實踐操作能力。

1.2 密集烤房工作原理虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容及目標(biāo)

密集烤房工作原理虛擬仿真實驗教學(xué)目標(biāo)主要包含：知識掌握能力、實踐操作能力和結(jié)果分析與創(chuàng)新能力，4個實驗?zāi)K9個知識點和12個交互步驟，如圖1所示。在教學(xué)內(nèi)容組成方面，主要由四大板塊構(gòu)成：（1）密集烤房場景導(dǎo)入模塊，用于引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)密集烤房相關(guān)知識背景，通過與學(xué)生互動的方式，提出本教學(xué)實驗?zāi)康模唬?）密集烤房工作原理演示模塊，主要讓學(xué)生深入了解烤房結(jié)構(gòu)、供熱設(shè)備等操作，并聯(lián)系理論教學(xué)內(nèi)容；（3）密集烤房實驗操作，通過模擬操作實驗，掌握相關(guān)知識點并靈活應(yīng)用；（4）實驗操作反饋結(jié)果評價，基于實驗的具體評分標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)生成該實驗報告，教師可以通過系統(tǒng)記錄和評價結(jié)果掌握班級中每名學(xué)生對相關(guān)知識點的學(xué)習(xí)情況，對教學(xué)內(nèi)容及方法進行持續(xù)改進。另外，創(chuàng)新能力培養(yǎng)可以激發(fā)學(xué)生興趣的進一步提升，激發(fā)創(chuàng)新性思維，有助于后期開展創(chuàng)新性實驗。

圖1 密集烤房虛擬仿真實驗的教學(xué)內(nèi)容模塊構(gòu)成

1.3 密集烤房工作原理虛擬仿真實驗教學(xué)目標(biāo)

掌握密集烤房工作原理，理解密集烤房供熱設(shè)備、烤房結(jié)構(gòu)、烤煙自控儀等知識點和實踐操作步驟，如圖2所示，系統(tǒng)培養(yǎng)面對復(fù)雜問題的綜合分析與統(tǒng)籌解決能力，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考，分析科學(xué)問題的意識，引導(dǎo)學(xué)生綜合運用不同學(xué)科理論知識、實驗技術(shù)和手段解決實際問題的能力，進一步加強對學(xué)生創(chuàng)新思維、實踐能力和團隊協(xié)作能力的培養(yǎng)。

圖2 密集烤房虛擬仿真實驗的教學(xué)內(nèi)容演示

教師一般需要提前1-2周發(fā)布課程任務(wù)，要求每組學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)通過查閱文獻資料，初步確定密集烤房工作原理實驗方案。教師對學(xué)生提交實驗操作結(jié)果的科學(xué)性和可行性與學(xué)生進行探討，互動式教學(xué)方式探索有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2 密集烤房虛擬仿真實驗教學(xué)特色與效果評價

2.1 密集烤房虛擬仿真實驗教學(xué)特色

基于密集烤房工作原理教學(xué)實驗等內(nèi)容，通過虛擬仿真實驗教學(xué)讓學(xué)生實現(xiàn)了多維度沉浸式參與，實驗教學(xué)可培養(yǎng)學(xué)生興趣和激發(fā)學(xué)生思考，顯著提高學(xué)生的內(nèi)在學(xué)習(xí)動力，有利于更好地掌握相關(guān)知識點，形成對密集烤房知識的自主構(gòu)建，加深了對密集烤房工作原理知識內(nèi)容的理解和運用，強化了實踐操作和創(chuàng)新能力，增強了學(xué)生專業(yè)技能。

2.2 密集烤房虛擬仿真實驗教學(xué)效果評價

基于密集烤房工作原理的知識點，在虛擬仿真平臺里面設(shè)置了12個交互步驟，以及相應(yīng)的評價標(biāo)準(zhǔn)，注重實驗教學(xué)過程性評價。在學(xué)生實驗效果評價方面，分別從基本理論、實驗設(shè)計、烤房工藝操作、實驗報告撰寫等方面進行綜合評測。另外，虛擬仿真烤房工作原理系統(tǒng)可云錄制學(xué)生實驗操作步驟，學(xué)生后期可以回放觀看自己的實驗操作，有利于強化學(xué)習(xí)效果。

為了優(yōu)化烤房工作原理虛擬仿真實驗系統(tǒng)，課題組根據(jù)學(xué)生的反饋結(jié)果進行了多次討論，以學(xué)生為中心逐漸完善系統(tǒng)和交互步驟設(shè)置，逐漸提高教學(xué)效果，并為下一階段的虛擬仿真課程開發(fā)積累了寶貴的經(jīng)驗。

3 總結(jié)與展望

煙草調(diào)制學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)模式的探索充分落實立德樹人任務(wù)，構(gòu)建了以學(xué)生為主體的虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容體系，建設(shè)了具有先進性、前瞻性和時代性的煙草調(diào)制學(xué)虛擬仿真課程內(nèi)容體系，切實提高了課程質(zhì)量，解決了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的難題[14]，使學(xué)生不僅可實現(xiàn)專業(yè)知識的學(xué)習(xí)和技能的提升，而且還可與生產(chǎn)實際和煙草行業(yè)發(fā)展相融合，該模式為煙草專業(yè)復(fù)合型專業(yè)人才培養(yǎng)奠定良好的基礎(chǔ)。