基于青藏高原生態(tài)背景牦牛肉生產(chǎn)及加工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索

韓麗娟，秦艷婷，院珍珍，焦迎春，葉 英，劉薈萃，宋洋波，王樹(shù)林

（青海大學(xué) 農(nóng)牧學(xué)院，青海 西寧 810016）

1 基于青藏高原生態(tài)背景牦牛肉生產(chǎn)及加工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索的背景

青藏高原區(qū)是中國(guó)一個(gè)獨(dú)特的自然生態(tài)環(huán)境區(qū)域，是聯(lián)合國(guó)教科文組織認(rèn)定的全球無(wú)公害超凈區(qū)之一，由于當(dāng)?shù)貧夂驉毫忧腋吆毖?，地理?xiàng)l件特殊。牦牛是一種能適應(yīng)青藏高原自然環(huán)境的重要生態(tài)種類(lèi)，堪稱(chēng)綠色動(dòng)物的草原之舟，也是終年自然生存于世界屋脊三江源頭的獨(dú)特動(dòng)物性食品資源[1]。因此，牦牛肉、牛奶就成為了中國(guó)天然生態(tài)有機(jī)產(chǎn)品的金牌冠軍。青海省“十三五”規(guī)劃指出，青海省要以生態(tài)保育型農(nóng)業(yè)為主攻方向，加快發(fā)展高原特色優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，積極開(kāi)發(fā)高原特色農(nóng)產(chǎn)品，適度發(fā)展農(nóng)畜產(chǎn)品加工業(yè)，將牦牛產(chǎn)業(yè)發(fā)展定位為青海省畜牧業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展的科技攻關(guān)計(jì)劃之一。因此，對(duì)于該種高原特色動(dòng)物性食品資源——牦牛的利用，其分級(jí)、加工、檢測(cè)等生態(tài)利用在學(xué)科實(shí)踐教學(xué)中顯得尤為重要。在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，由于實(shí)踐基地本身的限制及碎片化的實(shí)踐課程知識(shí)點(diǎn)等原因，本科生系統(tǒng)的、整體的實(shí)踐知識(shí)體系無(wú)法形成，也導(dǎo)致食品科學(xué)、生態(tài)學(xué)、動(dòng)物科學(xué)及生物技術(shù)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的本科生無(wú)法掌握系統(tǒng)的農(nóng)牧產(chǎn)品加工技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)等實(shí)踐操作技能，無(wú)法滿(mǎn)足青海省對(duì)于此類(lèi)綜合素質(zhì)高、實(shí)踐操作技能熟練的人才的需求。

2 食品科學(xué)與工程類(lèi)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的問(wèn)題

2.1 傳統(tǒng)教育方式難以將專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐操作

傳統(tǒng)教育方式難于將專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐操作。該學(xué)科的重點(diǎn)課程——“食物工藝學(xué)”“食品工程原理”的知識(shí)較多，但基本原理公式卻比較復(fù)雜，其課程任務(wù)主要是引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)和物理化學(xué)方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，去處理在食品工業(yè)中所面臨的具體課題，課程具備了很強(qiáng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、選型、布置與運(yùn)行等的系統(tǒng)工程性質(zhì)。學(xué)生對(duì)課堂中的概念、方法感到很抽象，學(xué)習(xí)時(shí)不能把握要點(diǎn)，常常只是掌握了幾個(gè)簡(jiǎn)單的片段，在研究和處理實(shí)際課題上感覺(jué)無(wú)從下手，無(wú)法將理論知識(shí)與實(shí)踐操作相關(guān)聯(lián)，理論-實(shí)踐知識(shí)體系無(wú)法統(tǒng)一構(gòu)建。

2.2 傳統(tǒng)教育方式限制了本科教育中學(xué)生的主觀能動(dòng)性及創(chuàng)新實(shí)踐的需求

當(dāng)前，食品實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程既無(wú)法培養(yǎng)高校畢業(yè)生的食品學(xué)科實(shí)際操作技能能力，也無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)代本科教學(xué)中對(duì)學(xué)習(xí)者主體能力和創(chuàng)新實(shí)踐的要求。傳統(tǒng)的教學(xué)中，食品實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要為教師講授示范，學(xué)生模擬實(shí)驗(yàn)。該教學(xué)模式?jīng)]有調(diào)動(dòng)學(xué)生探索認(rèn)知事物的能力，使得學(xué)生自我練習(xí)的積極性不強(qiáng)[2]。同時(shí)，此教學(xué)模式在一定程度上影響了學(xué)生主觀能動(dòng)性的培養(yǎng)和創(chuàng)造力的培養(yǎng)。

3 基于青藏高原生態(tài)背景牦牛肉生產(chǎn)及加工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式構(gòu)建

牦牛生產(chǎn)及加工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降慕ㄔO(shè)，必須貫徹“科學(xué)合理計(jì)劃、共用資源、突破關(guān)鍵點(diǎn)、提升效果、持續(xù)發(fā)展”的指導(dǎo)思想，以全面提高高校學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)際創(chuàng)新能力為主旨，以資源共享優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為核心，以構(gòu)建信息化發(fā)展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源體系為工作重點(diǎn)，并遵循“虛實(shí)結(jié)合”的原則[3]。經(jīng)典的實(shí)體實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)踐相輔相成，打破了傳統(tǒng)食品科學(xué)、動(dòng)物科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)的空間環(huán)境和對(duì)大型設(shè)備數(shù)量、實(shí)際操作過(guò)程的約束，使學(xué)習(xí)者能夠全面鍛煉實(shí)際操作技能，進(jìn)一步增強(qiáng)了基礎(chǔ)知識(shí)與技能運(yùn)用的能力?？傮w建設(shè)內(nèi)容涵蓋了牦牛生態(tài)利用加工虛擬仿真軟件建設(shè)及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的建設(shè)。

3.1 牦牛生態(tài)利用加工虛擬仿真軟件建設(shè)

充分挖掘虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)，使生產(chǎn)實(shí)際場(chǎng)景或儀器設(shè)備構(gòu)造形象呈現(xiàn)在學(xué)生面前，學(xué)生可以身臨其境地進(jìn)行反復(fù)操作演練，使學(xué)習(xí)更加深入而且生動(dòng)。授課教師利用空間實(shí)踐小組課程、項(xiàng)目課堂和虛擬現(xiàn)場(chǎng)課程等與學(xué)生交流互動(dòng)，做到自主學(xué)習(xí)、互助學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)的有機(jī)融合[4]。

牦牛養(yǎng)殖及屠宰虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件的開(kāi)發(fā)主要采用三維可視化技術(shù)，依據(jù)牦牛養(yǎng)殖環(huán)境實(shí)際布局搭建模型，按實(shí)際牦牛生產(chǎn)過(guò)程完成交互實(shí)驗(yàn)，完整再現(xiàn)牦牛養(yǎng)殖場(chǎng)操作過(guò)程及牧場(chǎng)的經(jīng)營(yíng)管理。將牦牛養(yǎng)殖的理論知識(shí)融合到實(shí)踐操作的各個(gè)環(huán)節(jié)，為畜牧專(zhuān)業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)草食家畜的養(yǎng)殖技術(shù)提供輔助手段，為食品專(zhuān)業(yè)拓展性學(xué)習(xí)肉品原料學(xué)提供自學(xué)的素材。同時(shí)，采用三維可視化技術(shù)，依據(jù)牦牛屠宰工廠實(shí)際布局搭建模型，按實(shí)際屠宰過(guò)程完成交互實(shí)驗(yàn)，完整再現(xiàn)了牦牛屠宰的操作過(guò)程。

牦牛屠宰虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件的開(kāi)發(fā)主要以牦牛肉加工為內(nèi)容，以三維形式展現(xiàn)牦牛肉加工環(huán)境和操作過(guò)程，學(xué)習(xí)動(dòng)物性食品加工的實(shí)驗(yàn)操作。學(xué)生通過(guò)虛擬仿真實(shí)踐，直觀地了解各種加工及檢測(cè)設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用，并在線利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)操，虛實(shí)互補(bǔ)，兩者相輔相成，進(jìn)一步完善了動(dòng)物性食品加工綜合實(shí)踐訓(xùn)練教學(xué)體系[5]。

3.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的建設(shè)

該教學(xué)體系將通過(guò)牦牛肉生產(chǎn)與加工的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，破解中國(guó)特色動(dòng)物性肉制品生態(tài)利用加工在課程與教學(xué)中出現(xiàn)的技術(shù)難點(diǎn)，并利用課堂講授、虛擬操作、自主訓(xùn)練、真實(shí)實(shí)驗(yàn)/參與/學(xué)習(xí)、自主復(fù)習(xí)完成整個(gè)課程的學(xué)習(xí)流程，充分體現(xiàn)了虛實(shí)融合的優(yōu)點(diǎn)，有效提升了學(xué)習(xí)者的實(shí)際水平、教學(xué)成果，以及課堂滿(mǎn)意度。首先，針對(duì)本科生實(shí)際操作能力的訓(xùn)練，制定牦牛肉生產(chǎn)及加工虛擬仿真軟件的操作手冊(cè)、教學(xué)大綱、教學(xué)講義等指導(dǎo)書(shū)；其次，通過(guò)在研究工作人員職責(zé)、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)容、儀器設(shè)備的質(zhì)量管理、實(shí)驗(yàn)室安全、設(shè)備管理和權(quán)限控制等方面，建立更完整、更規(guī)范的質(zhì)量管理體系和規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案，以提高研究中心工作的高效性和穩(wěn)定性[6]；最后，虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)系統(tǒng)能夠追蹤并記錄學(xué)生在整個(gè)研究項(xiàng)目中的學(xué)習(xí)狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)在線測(cè)驗(yàn)與及時(shí)評(píng)價(jià)反饋。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程列入相應(yīng)學(xué)科人才培養(yǎng)計(jì)劃，制定相應(yīng)教學(xué)效果考核方案。積極探索大學(xué)與專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)果互相認(rèn)可、學(xué)分轉(zhuǎn)換機(jī)制。

4 牦牛肉生產(chǎn)及加工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式實(shí)施的意義

4.1 滿(mǎn)足西部地區(qū)農(nóng)牧產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)食品類(lèi)人才的需求

西部地區(qū)食品及農(nóng)牧業(yè)相關(guān)專(zhuān)業(yè)高水平學(xué)術(shù)型和應(yīng)用型人才短缺，現(xiàn)有從業(yè)人員中專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員比例非常低，高素質(zhì)人才匱乏，農(nóng)畜產(chǎn)品精深加工發(fā)展動(dòng)力不足，嚴(yán)重制約了青藏高原現(xiàn)代農(nóng)牧業(yè)及生物產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，多渠道培養(yǎng)食品專(zhuān)業(yè)高級(jí)技術(shù)人才已迫在眉睫[7]。青海大學(xué)是青海省唯一具有完整的食品科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)本科及研究生教育、科研團(tuán)隊(duì)及研究條件的高等學(xué)校。食品科學(xué)與工程學(xué)科擔(dān)負(fù)著為青海省特色食品資源開(kāi)發(fā)及促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供智力和技術(shù)支持的責(zé)任。只有在食品科學(xué)等專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)中堅(jiān)持突出青藏高原地理特點(diǎn)，充分考慮課程發(fā)展的完備性，健全實(shí)踐性課程體系——虛擬仿真課程系統(tǒng)，才能夠建立富有青藏高原特點(diǎn)的課程系統(tǒng)及教學(xué)方法，為青海省及地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)創(chuàng)造有力的智慧及支持。

4.2 滿(mǎn)足現(xiàn)代教育多學(xué)科交叉融合發(fā)展的需求

該項(xiàng)目的建設(shè)對(duì)于推動(dòng)食品、生物學(xué)及交叉學(xué)科領(lǐng)域科學(xué)研究，加強(qiáng)各類(lèi)學(xué)科融合，提高優(yōu)勢(shì)學(xué)科資源整合，更好地適應(yīng)青藏高原區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和特色農(nóng)牧經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，具有十分重要的意義。項(xiàng)目的建設(shè)可充分發(fā)揮青藏高原獨(dú)特的資源優(yōu)勢(shì)——牦牛肉，突出高原學(xué)科特色，使食品科學(xué)與工程、農(nóng)學(xué)、生物技術(shù)、生態(tài)學(xué)等學(xué)科建設(shè)取得突出成績(jī)，使其成為全國(guó)具有重要影響力的學(xué)科點(diǎn)。以虛擬仿真軟件開(kāi)發(fā)及實(shí)踐應(yīng)用為手段，以培養(yǎng)高素質(zhì)專(zhuān)業(yè)本科人才為目標(biāo)，逐漸形成在國(guó)內(nèi)外具有一定影響的特有生物資源生態(tài)利用的虛擬仿真教學(xué)團(tuán)隊(duì)，成為我國(guó)特色鮮明的國(guó)家級(jí)虛擬仿真教學(xué)中心，使其成為特色生物學(xué)人才培養(yǎng)的“搖籃”及特色生物資源生態(tài)利用研究的“熱土”。

牦牛生產(chǎn)及加工虛擬操作仿真教學(xué)模式，能夠真實(shí)地模仿學(xué)生完成實(shí)體牦牛肉生產(chǎn)加工中的所有實(shí)際作業(yè)的全部流程，包括啟動(dòng)設(shè)備裝置通電、控制機(jī)械設(shè)備和進(jìn)行垂直變形等的各種動(dòng)作，是按照實(shí)物食品生產(chǎn)工藝原理進(jìn)行設(shè)置，把學(xué)生曾經(jīng)的手工作業(yè)轉(zhuǎn)化為鼠標(biāo)的觸摸屏作業(yè)，既增加了實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能，也加強(qiáng)了對(duì)學(xué)生實(shí)踐操作技能能力和創(chuàng)造力的訓(xùn)練，相比較于傳統(tǒng)的實(shí)體實(shí)驗(yàn)室，有著特殊的教學(xué)功能與價(jià)值。