虛擬仿真技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏專業(yè)教育和實(shí)踐中的應(yīng)用研究

楊舒涵，雒滿虹，張 焱

（天津科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457）

信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展帶來(lái)了一批又一批的互聯(lián)網(wǎng)用戶，且互聯(lián)網(wǎng)用戶畫(huà)像范圍更加年輕化。為了使互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更加便捷，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)順勢(shì)而生。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將移動(dòng)通訊與互聯(lián)網(wǎng)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，使互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方便各種互聯(lián)網(wǎng)用戶的需求。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，該技術(shù)輻射到生活中的各個(gè)產(chǎn)業(yè)，其中就包括了教育產(chǎn)業(yè)。傳統(tǒng)教育模式正在被移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)悄然改變，改變的契機(jī)就在2012 年移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)之后。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)教育充分發(fā)揮了其高效性、實(shí)時(shí)性、共享性，將知識(shí)打破時(shí)間與空間的桎梏，分享到互聯(lián)網(wǎng)這個(gè)共通的平臺(tái)，十分便捷地在平臺(tái)上傳播，提高了互聯(lián)網(wǎng)用戶獲取知識(shí)的效率。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)教育技術(shù)的進(jìn)步，深刻影響了傳統(tǒng)教育模式。越來(lái)越多的教師選擇線上授課方式，不但使之成為各高校的輔助授課方式之一，更普及于高校教學(xué)中，而且使線上教育迅速發(fā)展成一個(gè)產(chǎn)業(yè)，多種線上教育資源的匯聚，為獲取不同知識(shí)需求的人們鋪了一條通往知識(shí)寶庫(kù)的康莊大路。

1 虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真技術(shù)是信息技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，虛擬仿真技術(shù)是一種用計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建的可以更改和體驗(yàn)的虛擬世界系統(tǒng)。虛擬仿真技術(shù)是由計(jì)算機(jī)技術(shù)視覺(jué)心理學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感與測(cè)量技術(shù)等多種高新技術(shù)交織成的成果。系統(tǒng)仿真技術(shù)最出色的點(diǎn)在于其逼真性和實(shí)時(shí)交互性。自2017 年，教育部辦公廳統(tǒng)籌規(guī)劃到2020 年認(rèn)定1 000 項(xiàng)左右示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。2020 年教育部職成司正式發(fā)布《關(guān)于開(kāi)展職業(yè)教育示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)工作的通知》，明確提出建設(shè)100 個(gè)示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地。近年來(lái)，虛擬仿真技術(shù)已在高校初見(jiàn)成果，但是仍未全面普及在各高校系統(tǒng)中。虛擬仿真技術(shù)在高校中既可用來(lái)建設(shè)現(xiàn)代化數(shù)字校園，便于整理相應(yīng)圖書(shū)館藏，進(jìn)行數(shù)字化管理校園，又可以模擬校園真實(shí)場(chǎng)景，在校園未開(kāi)學(xué)或封閉的情況下，為想要了解該高校校園環(huán)境和館藏圖書(shū)的學(xué)生和社會(huì)面人士打開(kāi)了數(shù)字化校園。對(duì)于教師來(lái)說(shuō)實(shí)施虛擬仿真教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的教學(xué)觀念同時(shí)可以豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。將虛擬仿真技術(shù)加入線上課程，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)的可視化且與現(xiàn)實(shí)企業(yè)行業(yè)相結(jié)合能夠更加直觀參加到企業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，更好地使知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，進(jìn)一步達(dá)到“知行合一”的地步。

高校對(duì)虛擬仿真進(jìn)行實(shí)踐課程進(jìn)行大力支持和推行，對(duì)高校教育主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：①對(duì)于學(xué)生無(wú)法進(jìn)行實(shí)踐課程提出了有效的解決方案，也解決了實(shí)地實(shí)踐教學(xué)的一些難題，如人員聚集、安全隱患、實(shí)習(xí)學(xué)生和教師出行費(fèi)用等。探索實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)等實(shí)踐課程教學(xué)新途徑、以確保實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量、切實(shí)提升人才培養(yǎng)質(zhì)量成為工科專業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。②緊跟新時(shí)代潮流，與時(shí)俱進(jìn)?？蓢@當(dāng)下最先進(jìn)、最頂尖的工藝、技術(shù)、設(shè)備等，將其融入虛擬仿真的實(shí)踐教學(xué)中，激發(fā)學(xué)生的好奇心，促使學(xué)生可主動(dòng)地去了解這些前沿的知識(shí)。另外，還可將這些知識(shí)點(diǎn)生成二維碼，學(xué)生可隨時(shí)隨地去了解，可最大程度地幫助其鞏固所學(xué)的知識(shí)。③對(duì)于新時(shí)代的高校學(xué)生，相較于書(shū)本、報(bào)紙等紙質(zhì)性的東西，可能會(huì)更大程度地接受、學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，虛擬仿真可滿足學(xué)生對(duì)這方面的需求。一方面虛實(shí)結(jié)合，多方面的教學(xué)可給學(xué)生更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)；另一方面也能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，學(xué)生走出校園就會(huì)有明顯的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

從教育擁抱科技的趨勢(shì)及現(xiàn)有的發(fā)展情況看，虛擬仿真技術(shù)與線上教育課堂的建設(shè)將會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)高校教育教學(xué)的改革，也將成為未來(lái)教學(xué)中的重要一環(huán)。

2 虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用

2.1 高校

實(shí)踐課程是高等教育中工科類專業(yè)培養(yǎng)方案中的重要的部分，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、工程素養(yǎng)、完善學(xué)生專業(yè)知識(shí)體系具有至關(guān)重要的作用。相較于理論課程，實(shí)踐課程最大的特點(diǎn)就是將所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通，學(xué)生可通過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)理論課程中所學(xué)到的知識(shí)點(diǎn)，也可捕捉到一些理論課程上涉及不到的盲區(qū)；同時(shí)，實(shí)踐課程是需要特定的環(huán)境和專業(yè)的教學(xué)條件，才能讓學(xué)生身臨其境，最大程度感受實(shí)踐課的魅力所在。

2.2 教師

師者，傳道授業(yè)解惑也。教師是學(xué)生接受、學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)唯一的窗口。新時(shí)代背景下，知識(shí)的不斷更迭也在促使教師不斷學(xué)習(xí)新的知識(shí)，接受最先進(jìn)的教育理念[2]。在推進(jìn)虛擬仿真實(shí)踐課程之前，教師要制定詳細(xì)的教學(xué)計(jì)劃，提前發(fā)給學(xué)生，明確學(xué)生在開(kāi)始課程之前應(yīng)做的準(zhǔn)備。

教師在進(jìn)行實(shí)踐課程時(shí)采取引導(dǎo)式教學(xué)，循序漸進(jìn)地開(kāi)展課程，激發(fā)學(xué)生的求知欲，才能讓學(xué)生更加主動(dòng)地參與課程并完成相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)。由于虛擬仿真技術(shù)剛開(kāi)始出現(xiàn)在學(xué)生的認(rèn)知范圍內(nèi)，對(duì)此肯定有很多疑問(wèn)，所以教師在線下要積極與學(xué)生溝通，一起與學(xué)生進(jìn)行仿真技術(shù)的學(xué)習(xí)。便于教師管理和答疑，可以將工程師與學(xué)生建立微信答疑群，每個(gè)學(xué)生在群里可提出自己的疑問(wèn)，教師和工程師可以在線答疑。

以葵花籽油加工為例，教師借助虛擬仿真平臺(tái)指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行葵花子油的加工實(shí)踐。通過(guò)虛擬仿真平臺(tái)加載的烘干機(jī)、脫殼機(jī)、滾筒炒籽機(jī)、螺旋榨油機(jī)等機(jī)械設(shè)備對(duì)原料葵花籽進(jìn)行篩選清洗、烘干、脫殼、炒籽、壓榨等初步處理。為了保持葵花籽油的香味，對(duì)壓榨過(guò)后的葵花籽毛油進(jìn)行精煉。通過(guò)虛擬仿真平臺(tái)加載的自動(dòng)排渣過(guò)濾機(jī)、冷卻鍋、結(jié)晶鍋、阿瑪濾機(jī)、布袋過(guò)濾機(jī)進(jìn)行最終的精煉處理。學(xué)生通過(guò)虛擬仿真平臺(tái)熟悉葵花籽油的加工過(guò)程及相關(guān)機(jī)械設(shè)備，加深食品加工機(jī)械工作原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)在實(shí)際生產(chǎn)線中的應(yīng)用，也可比較同類設(shè)備的異同。

進(jìn)行虛擬仿真實(shí)踐課程考核時(shí)，教師不能僅限于實(shí)踐知識(shí)的考核，還要將理論加入考核范圍，理論結(jié)合實(shí)踐，才能更好地考核學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)能力。歸根結(jié)底，虛擬仿真還是不同于傳統(tǒng)的實(shí)習(xí)，學(xué)生只能在虛擬仿真課程中想象自己對(duì)于工廠的大概布局，無(wú)法精準(zhǔn)地認(rèn)識(shí)到糧油加工工廠每一個(gè)設(shè)備布局的原因。因此，教師在完成課程以后要進(jìn)行教學(xué)反思，回憶課程從開(kāi)始到結(jié)束每一環(huán)節(jié)中有沒(méi)有出現(xiàn)紕漏，如果存在要及時(shí)提出解決方案，如果沒(méi)有，教師還可多想一些如何更好地推進(jìn)虛擬仿真實(shí)踐課程進(jìn)行的好方法，最重要的是要讓學(xué)生更加主動(dòng)地了解虛擬仿真，并產(chǎn)生濃厚的興趣，甚至可對(duì)虛擬仿真有自己獨(dú)到的見(jiàn)解。

2.3 學(xué)生

對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏大學(xué)生來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)必不可少的專業(yè)技能，在大學(xué)期間一定會(huì)動(dòng)手操作幾種儀器或者試劑。由于各種原因的限制，如課堂時(shí)間有限、儀器較為貴重、試劑較為危險(xiǎn)，課堂上并不是每一個(gè)學(xué)生都能親手操作[3]。虛擬仿真平臺(tái)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏專業(yè)的學(xué)生有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。

2.3.1 降低實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的成本

在實(shí)驗(yàn)課堂上，因?yàn)椴糠謱?shí)驗(yàn)器材較為昂貴，操作復(fù)雜，且較易損壞，導(dǎo)致在課堂上并不能普遍使用；或者有些儀器使用受制于課堂時(shí)間長(zhǎng)度并不能在課堂上完整地運(yùn)行儀器。此時(shí)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搬進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生便可如身臨其境，切身實(shí)地地操作虛擬實(shí)驗(yàn)儀器，擺脫實(shí)驗(yàn)成本困擾[4]。并且，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行操作，操作結(jié)果可實(shí)時(shí)反饋至教師終端，便于教師仔細(xì)觀察每一位學(xué)生的操作細(xì)節(jié)，教師可通過(guò)系統(tǒng)終端，將學(xué)生的操作情況反饋回到學(xué)生手中，學(xué)生也可以根據(jù)教師的反饋結(jié)果及時(shí)判斷自己操作的正誤。在這種情況下，假使學(xué)生操作出現(xiàn)一些紕漏疏忽，也不會(huì)對(duì)真正的實(shí)驗(yàn)儀器造成損壞。在虛擬實(shí)仿真驗(yàn)室，可不受空間的限制，接上終端便是實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)流程不用固守流程，隨時(shí)可終止、跳過(guò)、重復(fù)，直到操作出成功案例。改變了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)由教師演示或者視頻解說(shuō)這一模式，高效解決了實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)效果之間的矛盾。

2.3.2 規(guī)避一些由危險(xiǎn)化學(xué)品帶來(lái)的傷害

在化學(xué)、生物實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常會(huì)用到一些危險(xiǎn)化學(xué)品，這些產(chǎn)品有著易爆、易燃、易制毒、感染、腐蝕、放射性和危險(xiǎn)性等其他危險(xiǎn)特性。在實(shí)驗(yàn)操作中，可能會(huì)因?yàn)橥L(fēng)、操作失誤、防護(hù)不到位造成一些試驗(yàn)失誤或者事故發(fā)生，從而危害到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)師生的人身健康安全。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中則完全可以規(guī)避這些危險(xiǎn)發(fā)生，不會(huì)因?yàn)椴僮魇д`或是其他原因?qū)е氯松硎鹿拾l(fā)生。

2.3.3 幫助學(xué)生完成課前預(yù)習(xí)以及課后復(fù)習(xí)

在課前，學(xué)生通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室接觸所做實(shí)驗(yàn)相應(yīng)的儀器和試劑，更加直觀高效[5]。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，可給學(xué)生真實(shí)的體驗(yàn)感，構(gòu)建整體實(shí)驗(yàn)框架，規(guī)避預(yù)實(shí)驗(yàn)所犯錯(cuò)誤，節(jié)省實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間。對(duì)于一些在實(shí)際操作中犯的錯(cuò)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果不太理想的狀況下，學(xué)生仍舊可在課后通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行糾錯(cuò)并反復(fù)練習(xí)一些操作或者借助實(shí)驗(yàn)室終端反推試驗(yàn)錯(cuò)誤，認(rèn)清錯(cuò)誤以便避免下次再犯。同樣，可加深學(xué)生對(duì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)的操作理解，更加深刻理解實(shí)驗(yàn)原理和部分實(shí)驗(yàn)步驟。

2.3.4 提升學(xué)生學(xué)習(xí)深度和廣度

鑒于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)上的知識(shí)呈現(xiàn)實(shí)時(shí)性及共享性，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室不再受制于時(shí)間及空間的限制，所有虛擬實(shí)驗(yàn)室都可進(jìn)入且進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，不受學(xué)科的限制、不受時(shí)間的限制。學(xué)生在完成基礎(chǔ)的學(xué)業(yè)學(xué)習(xí)后，可自發(fā)對(duì)感興趣的試驗(yàn)方向進(jìn)行學(xué)習(xí)。未來(lái)，大型的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室所搭載的終端可容納越來(lái)越多有學(xué)習(xí)需求的人，在學(xué)習(xí)的同時(shí)可在線上實(shí)時(shí)與其他學(xué)習(xí)者進(jìn)行交流解答疑惑。

2.3.5 增加試驗(yàn)趣味性

一部分學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)過(guò)于小心翼翼，并不能享受到實(shí)驗(yàn)的樂(lè)趣與魅力。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生可大膽試錯(cuò)，勇于進(jìn)行嘗試，在終端上也可設(shè)置相應(yīng)的知識(shí)彩蛋，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，還可設(shè)置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室全平臺(tái)大型競(jìng)賽、演講匯報(bào)等活動(dòng)，大大提升學(xué)生學(xué)習(xí)樂(lè)趣。

2.3.6 多終端登錄學(xué)習(xí)

高校開(kāi)展線上教學(xué)。學(xué)生在家里參加線上學(xué)習(xí)的同時(shí)，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程可能會(huì)被壓縮或者減少。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)上，學(xué)生可在家通過(guò)相應(yīng)的端口進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行學(xué)習(xí)，在家也可進(jìn)行模擬式操作，學(xué)習(xí)進(jìn)度不落人后。

3 結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)堅(jiān)持“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的原則，以優(yōu)化共享優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源、服務(wù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為目標(biāo)，以提高學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神為核心，依托學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的建設(shè)，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與課程教學(xué)、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目深度融合，使其成為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育體系的有機(jī)組成部分，在同類專業(yè)課程中有重要的示范作用和推廣價(jià)值[6]。高校針對(duì)農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)引入虛擬仿真技術(shù)，與理論知識(shí)相結(jié)合，讓學(xué)生有了一些全新的體驗(yàn)，提升了實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量，為農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏方向的人才培養(yǎng)提供有力支撐。