虛擬仿真實驗平臺助力白酒釀造工藝實踐教學

楊旭，胡曉龍，宋麗麗，栗俊廣，望運滔，白艷紅,3 *

1(鄭州輕工業大學 食品與生物工程學院，河南 鄭州，450002)2(河南省冷鏈食品質量安全控制重點實驗室，河南 鄭州，450002)3(鄭州市代謝工程和系統生物學重點實驗室，河南 鄭州，450002)

白酒作為我國優勢固態發酵食品，其獨特的釀造工藝作為典型固態發酵方式的代表被列入全國多所高校生物類專業的理論或實踐教學環節中，在生物工程專業課程體系中占有十分重要的地位。目前我國白酒釀造工藝實踐教學環節存在不足，影響了專業人才的工程實踐能力和創新能力的培養，主要原因包括：

(1)傳統教學課程目標不夠清晰合理，導致學生不清楚應該具體掌握哪些知識和能力；

(2)傳統教學實施中，教師處于教學主體地位，學生積極性差，接受度低，教學效果欠佳；

(3)實踐教學環節課時制約及工廠實習安全等問題，導致學生在實驗室及實習基地均很難完成白酒釀造工藝的系統學習和動手操作等；

(4)考核方式較為單一傳統，欠缺對知識理解、分析和應用等深層次能力考核。

在這種教學模式下，學生不僅很難掌握一個完整的白酒釀造工藝操作過程，而且對核心環節的發酵過程控制也缺乏有效的實踐，進而缺乏對發酵工程應用探究的主動性[1]。以新工科建設為契機，在推進工程教育“以學生為中心、產出導向、持續改進”核心理念全面改革過程中[2]，課程是人才培養的核心要素，課程質量直接決定人才培養質量[3-4]。

針對上述問題，本課題組集中了學科內多位具有豐富工程實踐、實驗實習指導經驗的教師與企業導師，借助虛擬現實技術的可視化、直觀性等特點，開發出了白酒釀造工藝虛擬仿真實驗教學平臺(virtual simulation experiment teaching platform-liquor brewing process,VSETP-LBP)。白酒釀造本科教學特別是實驗課程注重培養學生實踐動手能力，其線上授課難度遠大于理論課程。2020年疫情期間，“停課不停學”加速了虛擬仿真實驗教學從過去的新嘗試走到現在的新常態，破解了當下實驗教學“做不到”、“做不了”、“做不上”等難題。師生在不受時間、空間以及設備臺套數限制的情況下，通過三維可視化效果及實操、評分等環節，提升教學效果和實驗能力，為實驗教學質量保障提供了新的技術手段和強力支撐。這一教學改革實踐不僅大大提升了實踐場所的安全系數，培養了學生的操作規范性，消除了他們對操控中大型設備的陌生感；而且使其對發酵過程控制有了更為直觀的認識，取得了良好的教學效果。為此，我們總結了教學改革中的經驗供同行參考，以期形成有推廣意義的實踐教學平臺，為強化學生的工程能力探索一條可行之路。

1 虛擬仿真實驗教學平臺特點與目標

為適應知識獲取和教學方法發生重大變化，加強信息技術與教育深度融合的要求，中國教育部贊助開發國家VSETP[5]。國家VSETP項目堅持“以學生為中心，以產出為導向，持續改進”的原則，突出實驗教學的應用驅動、資源共享和信息化，以優質實驗教學促進高等教育建設[6-7]。目前，該項目還在持續建設中。VSETP主要有以下特點：突出以學生為中心的實驗教學理念，準確恰當的實驗教學內容，創新多樣的教學方法，先進可靠的實驗研發技術，穩定安全的開放式操作模式和不斷完善的實驗評價體系。

國家VSETP的主要目標是“培養基礎廣泛、靈活的畢業生，能夠互動思考，解決問題，并成為終身學習者”[8]。建立虛擬實驗環境和仿真實驗對象，構建網上共享虛擬仿真實驗教學資源,通過“虛實結合”的教學方法，有效地改進了實驗教學，使學生直觀地體驗整個工作流程，增強對理論知識的理解。

2 白酒固態釀造工藝虛擬仿真實驗平臺

2.1 建設目標

虛擬仿真教學模式通過“虛擬數據采集、虛擬現實、實驗數據交叉整合”的方法，將虛擬仿真實驗教學與傳統的實踐性實驗和課堂理論相結合，有助于培養學生的綜合實踐能力和創新能力。

VSETP-LBP平臺建設目標如下：

(1) 理論知識構建：熟悉和掌握固態發酵的生物學本質和了解其代謝物形成機理；

(2) 模擬仿真操作：了解和掌握固態白酒實際釀造過程、原理、生產操作要點；

(3) 綜合能力培養：提高學生綜合運用理論知識和操作技能解決工程問題的能力；

(4) 分析技能提升：綜合分析實驗結果,有條理、有邏輯的表達和完成實驗報告。

對于教師來說，VSETP-LBP有具體的目標并可實時評估，而教師只需要提供明確的教學目標。從學生的角度來看，VSETP-LBP可激發學生相互協作與合作學習的能力(如解決問題能力)。同時，在不斷的教學過程中，根據教學應用反饋可深入對其各種功能進行改進和完善。

2.2 系統架構與功能

VSETP-LBP平臺軟件的總體系統架構如圖1所示，顯示了各個模塊(學生實驗、教師教學)與數據庫中存儲的內容之間的關系。為保證VSETP的運行，VSETP-LBP采用云數據計算管理技術，依托高性能服務器和強大的校園網，可滿足數千個并發訪問(即學生在線學習)。

圖1 VSETP-LBP平臺系統架構和功能框架Fig.1 VSETP-LBP structure and functional framework

教師通過仿真程序教師端(CS架構)管理學員和試題，對仿真系統進行部署和維護。教師端通過網絡通訊程序與運行在學生電腦的仿真程序學員端進行通訊，實現學員端仿真程序的啟動和控制。教師和學生可以訪問管理平臺(BS架構)，進行基礎信息(應用統計、訪問統計、考試成績等)的數據訪問。管理平臺也具備仿真程序教師端的功能，通過網絡通訊層與運行在學生電腦的仿真程序學員端進行通訊，實現學員端仿真程序的啟動和控制。仿真程序學員端部署在學生所在電腦，學員端的應用管理程序負責提供智能評分、工況管理、仿真程序生命周期管理等服務，并提供這些服務對仿真運行平臺的訪問功能。仿真運行平臺創建仿真數據和計算單元，實現和維護仿真算法邏輯的運行。運行平臺向應用管理程序提供仿真運算的實時結果。開發者通過仿真開發端提供的工具集進行建模，實現算法、圖元和工藝的組態，對仿真程序中的工況和評分進行配置。所有建模數據保存在數據庫中，并可以獨立導出文件。

實驗教學活動通過VSTEP-LBP校內、校外門戶網站，通過教師和學生賬號進行統一。教師和學生需要使用自己的個人賬戶，通過點擊“登錄”按鈕進入教學管理課程學習系統進行驗證。實驗和管理這2個功能在不同的模塊中進行教學：

(1)VSETP-LBP實驗模塊

VSETP-LBP實驗模塊涵蓋了白酒釀造工藝實驗訓練的全過程。整個教學活動通過在線實驗和實時評價相結合的方式完成。實驗過程中用戶的信息可以通過服務器實時記錄到數據庫中。該平臺涵蓋了“開窖起糟”、“上甑蒸餾”、“攤晾下曲”和“入窖管理”等白酒釀造工藝流程的各個方面，使學生能夠理解和掌握表1所述的每個操作步驟中的知識點(“n”表示VSETP-LBP平臺的知識點數量)。

表1 VSETP-LBP平臺知識點Table 1 Knowledge point of VSETP-LBP platform

(2)VSETP-LBP管理模塊

VSETP-LBP為不同的用戶提供仿真實驗的web界面和信息管理功能。每個學生或老師都有一個單獨的賬戶。用戶登錄后，在服務器的引導下進入實驗功能模塊。其次，VSETP-LBP系統將實驗教學過程的各個環節的信息記錄到數據庫(MySQL)中并進行統計分析。通過數據庫實時記錄功能，將VSETP-LBP平臺上的所有(行為)數據和一些統計分析(如學生學習能力、學習效果和教學效果分析)存儲在服務器上。最后，將這些統計分析結果反饋給學生和教師，幫助他們調整學習重心，改進教學方法。表2列出了VSETP-LBP平臺設備和軟件要求。

表2 VSETP-LBP平臺設備和軟件要求Table 2 Equipment and software requirements for VSETP-LBP platform

2.3 實踐教學模式

教學方法、形式和資源是向學生傳遞教學內容的有效載體[9]。教學實施是達成課程目標的執行環節。針對白酒釀造工藝教學內容中理論知識和工程實踐難點，需要合理選擇和設計教學模式，才能達成相應課程目標。VSETP-LBP平臺采用“理、虛、實”一體化的實踐教學模式(圖2)。

圖2 “理、虛、實”一體化的實踐教學模式Fig.2 Practical teaching mode of integration of reason,virtual and reality

理：在學生進行虛擬仿真實訓及進入白酒企業生產實習前，指導教師將實訓講義、文獻、相關視頻等數字化教學資料提前下發至學生。學生課前預習，教師采用多媒體教學方式講授白酒固態發酵理論知識、企業生產要求規范、釀造工藝及操作要點等。

虛：學生通過登錄軟件系統進入白酒固態發酵實訓。虛擬仿真軟件能夠提供真實的實驗環境、實驗流程及實驗任務等。該虛擬仿真實訓平臺涵蓋白酒釀造工藝的4個環節、60步操作和考核相關參數設置。學生以第一視角體驗與交互模式模擬白酒真實生產過程，依靠引出線、工藝提示等掌握白酒的生產過程。學生通過虛擬仿真軟件完成實驗任務并在線生成實驗報告及實驗成績，基于步驟規范、行為規范、安全評價等項目內容對學生操作進行考核。

實：在虛擬仿真實驗學習的基礎上，學生帶著問題去白酒企業進行生產實習。在工廠實習階段，針對企業的生產與管理、釀造工藝與原理、白酒勾調與品評等方面，尤其是釀造工藝方面，設計了10余項綜合性問題。學生根據實際生產環節進行輪崗實習，全面了解白酒固態發酵工藝。

通過“理、虛、實”一體化教學方式，大幅度提高理論與實驗教學的效果，提高學生對白酒生產工藝理論認知及相關操作水平，在理論教學和實物實驗實訓之間搭建“橋梁”，實現實踐和理論教學的融合。通過線上線下混合教學，即線上設計綜合訓練題目及工藝參數模擬操作，線下對釀造工藝各環節實際操作，學生能牢記白酒固態發酵的復雜步驟，保證操作正確、規范，大幅度提高實驗正確性與效率，彌補實驗在教學資源、設備、流程方面的不足，同時克服了學生對實際釀造環境陌生造成的迷茫及對現場操作無從下手的畏懼感。

2.4 實驗步驟

VSETP-LBP是相對開放的自主設計實驗平臺，涵蓋白酒釀造工藝完整過程。學生通過場景再現虛擬操作白酒固態發酵步驟，熟悉掌握白酒釀造工藝流程。在進行實驗之前，學生需要進入VSETP-LBP平臺網頁，使用學號和注冊密碼登錄實驗平臺，根據需要進行實驗。學生用鼠標控制VSETP-LBP平臺，在工作區域進行虛擬仿真實驗，完成平臺登錄、新手上路環節、在線模擬生產環節和考核復習環節實驗內容(圖3)。學生操作步驟如下：

A.網絡平臺登錄：學生進入系統顯示實驗選擇界面，自主選擇“培訓模式”或“考核模式”，顯示實驗界面，進入界面彈框顯示實驗的工藝順序。

B.新手上路環節：學生選擇“培訓模式”，通過3D場景內角色扮演，根據“操作指引”中的內容自主選擇要學習的實驗環節，涵蓋完整釀造工藝中開窖起糟、上甑蒸餾、攤晾下曲、入窖管理4個環節，不設時間限制，學生可針對自己的情況反復學習，達到熟練掌握的目的。

C.在線模擬生產環節：學生選擇“考核模式”，在無操作指引的前提下對上述釀造工藝中的4個環節、60個步驟進行操作，根據各環節相應知識點及操作要點，設計相應工藝參數設置考核。

D.考核復習環節：虛擬仿真系統根據學生的操作動態反應過程參數，參照工藝標準對各環節操作步驟自動評分，最終生成實驗報告及實驗成績。教師綜合學生的理論學習程度、仿真實驗成績、現場實習表現等，找出學生知識的薄弱點并反饋于學生，進行因材施教，形成教學閉環，提高實踐教學質量。

圖3 VSETP-LBP平臺登錄操作步驟示例Fig.3 Examples of VSETP-LBP platform logon operations

綜上所述，VSETP-LBP平臺實現了虛擬仿真實驗教學與傳統實踐性實驗教學、課堂理論教學的深度融合，引導學生在數字化環境下自主學習、自主設計實驗，全面培養學生的綜合實踐能力和創新能力。VSETP-LBP平臺在教學的時間和空間限制方面進行了創新。VSETP-LBP構建了在線協同教學模式，實現了教與學的雙向互動。豐富了學生學習內容和學習風格的選擇，增強了學生的個性化和自主學習能力。最后，通過VSETP-LBP平臺中實驗信息的跟蹤、統計、分析等智能管理功能，可以對學生進行的實驗信息進行實時跟蹤、統計和提示，掌握每個學生的知識點，并對學生學習過程和結果進行分析和評價。從整體上分析了實驗的總體情況，實現了傳統教學過程中無法實現的精細化教學質量控制。VSETP-LBP拓展了傳統課程實驗的實踐內容和訓練方法，開創了教學科研、生產訓練一體化的高水平結合，為新興工程教育培養具有國際競爭力的高素質復合型人才提供了平臺。

2.5 實踐成果

VSETP-LBP平臺已應用于課堂教學、學生自學交流、評估和技能競賽。目前，該虛擬仿真實驗平臺已應用于“釀酒工藝學”、“發酵工藝原理”和“生產實習”等課程教學過程中。課程和考試的數量約為1 300人，自學學生的數量超過2 200人。廣泛應用于二年級學生開放式獨立實驗、技能競賽培訓和創新實踐項目。針對線上教學的特點，課題組建立了學習交流QQ群，邀請軟件開發人員加入和指導教師一起為學生全天24 h進行答疑。學生如遇到實驗過程操作或網絡技術問題都可以得到及時的解答。在學生剛開始使用虛擬仿真平臺進行實踐時，可能由于對整個系統的運行過程不熟悉，會出現不知道如何進行下一步操作的主要問題，基于此系統中設置了專業老師“周師傅”，按照語音提示，可以完成整個操作過程。學生在系統中通過預設的工藝過程進行實操學習和訓練，這種相對開放的方式豐富了課程的內容，也提升了學生參與實訓的主動性和積極性，并激發了學生鉆研的興趣，每個學生分配一臺電腦進行相關操作，可以有效改善學生實驗課“打醬油”的情況。目前，項目運行穩定，師生之間的交流互動比較熱烈，提前完成實驗過程操作的學生還可主動為其他同學提供幫助，進行交流探討，學習氛圍濃厚。

課程教學是否實現了既定的課程目標、完成了課程承擔的產出任務，需要通過課程目標效果達成情況予以判定[10]。VSETP-LBP平臺主要實踐效果體現在以下幾個方面：虛擬課程教學效果，學生對課程的評價，學生的實踐能力和創新能力。

首先，教學效果表明虛擬仿真實驗模式可應用于實驗課程教學。從教師和學生的角度來看，實驗教學推廣的效果和質量更為顯著，特別是學生實踐技能的培養和實驗細致程度的提高最為明顯。除了教學過程的改進外，我們還在培養學生的創新實踐能力方面取得了良好的成果。在虛擬仿真課程建設過程中，教師指導學生做大量的設計和測試工作，并進行獨立實驗和創新實驗。這些結果反映了VSETP-LBP平臺應用對學生創新實踐能力的培養和提升。

其次，參加虛擬仿真實驗實踐后，學生對實驗實踐教學方法和課程形式評價的總體滿意度較高，大多數學生認為課程效果超出了預期。學生指出：(1)VSETP-LBP實驗設計全面、詳細，思維清晰；(2)更加生動，非常有趣，同時運用個人思維能力和動手能力；(3)相對于傳統實驗教學來說，虛擬仿真實驗更具有可操作性和便利性。

此外，VSETP-LBP平臺還為本科生和研究生提供學習資源，幫助學生進行實驗技能培訓，有助于學生參加各種科技競賽。例如：在2018首屆全國大學生食品工程虛擬仿真大賽中，本專業學生獲得了特等獎(證書編號：NDC18A110004312)；在2017年全國大學生生命科學競賽中，本專業學生參賽項目“濃香型白酒窖泥中增己降乳原核微生物群落多樣性解析”獲得一等獎(證書編號：CULSC201701045)。

3 結論

VSETP-LBP教學平臺基于“虛擬實驗與真實實驗相結合”的原則。通過建立開窖起糟、上甑蒸餾、攤晾下曲和入窖管理等4個實驗環節，實現白酒釀造工藝虛擬仿真實驗，適用于生物工程及相關專業的實驗和綜合實習。該項目突破了傳統實驗教學的時空限制，這使得實驗者可以沉浸在白酒釀造全過程中，有利于準確理解和充分掌握相關知識點。平臺實現了傳統實驗教學過程中無法進行的精細化教學，有效地提高了實驗教學效果。

VSETP-LBP平臺涵蓋了白酒釀造工藝實驗訓練的全過程,在現代生物工程及相關專業高等教育中發揮了重要作用。教學活動通過在線實驗和實時評價相結合的方式完成，拓展了傳統實驗的實踐內容和訓練方法，形成了教、學、練、考、管、評等教學過程的閉環控制和教學效果的形成性評價。實驗中用戶的信息可以通過服務器實時記錄到數據庫中，實施效果主要體現在虛擬課程教學、學生對課程的評價、學生實踐能力和創新能力的獲得等方面，說明VSETP-LBP平臺有助于培養生物工程及相關領域高素質、國際化、創新型的優秀工程師，特別是培養學生動手能力強、一絲不茍的實踐技能。虛擬仿真實驗教學平臺是一種新型的教學媒體，與實驗環境和基于互聯網的網上共享相結合，為現代本科教育提供了一種新的教學手段。與傳統的教學方法相比，VSETP-LBP平臺更有利于促進人才培養質量的不斷提高，對培養“高素質、國際化、創新型”生物工程及相關專業人才具有很大的價值。我們還將根據項目教學應用反饋，在數據處理和結果分析方面不斷提高實驗互動體驗。