食用菌工廠化生產虛擬仿真教學平臺的構建及應用

盧亞萍， 魯燕舞， 崔 瑾， 包浩然， 陳 軍， 成 丹

（南京農業大學農業生物學國家級虛擬仿真實驗教學中心；生命科學學院，南京210095）

0 引 言

食用菌富含蛋白質、氨基酸等營養元素，是一種優質的保健食品，在保障我國居民基本食品需求、改善飲食結構、增強國民體質方面起到了重要作用。我國是世界上最大的食用菌栽培、加工與消費的國家，2018年我國食用菌的總產量高達4 129萬t，生產總值超過3 500億元［1］。食用菌還是國家財政撥款扶持的一個項目，具有廣闊的發展前景。食用菌巨大的需求潛力，對食用菌栽培技術的發展提出了更高要求，這就需要更多的食用菌專業人才進入此領域［2］。在農業高校中開設食用菌生產技術課程，可有效提高大學生的實踐能力以及從業的業務水平，從而促進產學研結合、推動大學生就業創業、為行業提供高素養人才。

1 食用菌栽培課程現狀

目前，在大多數農業院校或綜合性院校的生命科學學院都開設食用菌生產技術或相關課程［1-3］，課程內容主要包括食用菌的鑒別、形態、功能、生理和栽培技術。食用菌生產技術理論課的開設一般都比較成熟，而實踐課卻存在一些比較難以解決的問題：

（1）課時的局限。食用菌生產過程主要包括培養料配制、裝袋、滅菌、接種、發菌管理、出菇管理等環節，需要數月時間。這些環節之間相互銜接，而由于受實驗教學學時計劃的限制，實驗課只能是在某些技術環節間斷性、局部性地安排一些實驗內容，很難連續開展完整的實驗［4］。這樣學生只能操作部分實踐技術環節，實驗效果難以保證。

（2）教學內容的局限。食用菌栽培種類多，栽培方式又各不相同，同時一些新的食用菌種類不斷出現，栽培技術也不斷創新，甚至一些菇類的栽培模式和栽培工藝待學生畢業后在生產上就很少使用了。如果不及時更新教學內容和方法，學生難以適應技術發展和社會要求，難以實現高層次技術人才的培養目標。

（3）場地的限制。很多高等院校沒有食用菌栽培的實驗場地、缺乏相關的現代化設備，開設栽培技術實踐課存在很大困難，因而很難開設實踐課程。而食用菌生產基地或企業對環境要求非常高，往往無法接納大量學生長時間的參觀學習。這些影響了課程體系的完整性和培養目標的實現。

2 虛擬仿真教學平臺的設計理念

隨著信息技術的高速發展，現代化的教學手段和形式可以拓展實驗教學領域、豐富實驗教學內容、提高實驗教學水平。虛擬仿真教學綜合運用虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫、網絡通信等多種技術，通過構建逼真的可視化環境和對象，使學生在開放、自主、交互的虛擬環境中開展高效、安全、經濟、便捷的學習活動，達到實體實驗不具備或難以實現的教學效果［5-7］。

同時，虛擬仿真教學內容活潑、生動，可以在電腦和手機等終端呈現，對新時代的大學生具有很大的吸引力，可以促進他們在課內外反復學習和鞏固［8］。食用菌生產虛擬仿真實驗的設計要以教學目標和人才培養為導向，以教學效果為標準，密切結合實踐教學的需要。

2.1 結合實體教學，虛實互補

目前，受實驗條件的限制，食用菌生產技術主要側重理論課的學習，以及微生物接種、培養等基礎微生物實驗，學生在校期間很少學習發菌過程、出菇管理等實驗，更沒有了解過現代工廠化生產食用菌的過程。所以本虛擬仿真平臺以學生的實踐教學需求為中心，內容涵蓋基礎知識、實驗理論、實驗過程、模擬操作、參數設置和相關考核，使得學習者可以在身臨其境的環境中，反復學習和訓練，在實踐應用中鞏固課堂所學知識，并最大程度上彌補課堂教學中的短板。

2.2 與科研成果相結合，緊跟產業發展前沿

食用菌虛擬仿真平臺的設計團隊既包括農業生物學國家級虛擬仿真實驗教學中心的專職老師，也包括進行食用菌研究和教學的老師，他們對整個軟件的專業知識部分進行嚴格把關、并在后續的平臺維護中不斷更新學科最新的科學研究和應用成果進展［9］。

平臺參照的原型是蘇州的一家食用菌有限公司，該企業具備10 000 m2的自動化控制生產廠房，是一家具有自主知識產權的國內一流的菌類生產企業。平臺開發得到該企業的大力支持和幫助，開發團隊成員多次到企業參觀、溝通和拍攝，從整體到細節都真實、嚴謹地再現了現代食用菌工廠生產的完整工藝流程、關鍵技術、核心參數及設備操作，使得平臺的設計和應用立足現實、放眼未來。

2.3 增加校企合作，擴大就業，引導創業

食用菌生產技術是一門側重實踐和應用的學科，也是就業和創業的一個方向。我校食用菌研究團隊與食用菌企業有著長期的合作，在學生的培養和就業中起到了良好的橋梁作用。食用菌虛擬仿真平臺的制作更進一步深化了校企合作，并拓展了教學平臺的應用范圍，不僅可以應用于高校的教學實踐，還可以作為企業崗前培訓的輔助手段。

食用菌現代工廠化的發展對相關人才提出了更高的要求，學校教學的內容和形式都需要與時俱進，培養高素養實用型人才［10］。相關專業的學生通過課堂學習結合虛擬平臺，將系統掌握食用菌栽培的基礎知識和工廠化生產的整個流程，顯著提高綜合實踐能力，在未來的就業中具備更高的素質和更強的競爭力。同時通過對真實場景的了解和學習，學生可以確定自己的興趣，為以后的創業方向提供參考。

3 食用菌工廠化生產虛擬仿真教學平臺的構建及內容

食用菌工廠化生產虛擬仿真實驗平臺的開發基于校園網建立B/S網絡構架，并通過Internet/Intranet模式下應用數據庫，易于把握、成本也比較低。利用Visual Studio、Unity 3D等軟件工具建立模型、制作多媒體資源、構建基于ASP.NET的交互式網絡平臺［11-12］；采用Window Server、Internet Information Service及SQL Server數據庫作為網站服務器端軟件；采用Dell Power Edge R720服務器作為硬件支持。實驗場景、設備、器具和操作過程是在實驗專業技術人員和平臺設計人員反復研討和改進后設計和制作出來的，兼顧了科學性、觀賞性和用戶友好性。

食用菌工廠化生產虛擬仿真平臺包括基礎知識、工廠360°實景圖、實驗流程和課后鞏固幾個模塊（見圖1）。基礎知識部分主要以文字和圖片的形式呈現了食用菌的形態、生理特性、營養價值、生長發育條件，該部分內容對接課堂教學部分，讓學生在實驗前復習鞏固相關背景和理論知識。工廠360°實景圖真實地展示了食用菌生產工廠從外環境、精料庫到每一個生產車間內的場景，為學習者提供在線參觀訪問的機會。

圖1 食用菌工廠化生產虛擬仿真教學平臺的框架

實驗流程是平臺的核心模塊，以教學模式、練習模式和考核模式3個部分呈現完整的工藝流程和人機交互式實驗過程。在教學模式中，學習者可以快速瀏覽各個實驗步驟、了解相關知識和注意事項，包括食用菌菌種制作與保存、培養基制作與滅菌、接種、發菌過程及管理、出菇及管理、采收及加工處理6個流程（見圖2）。練習模式是最重要、花費時間最長、需要反復學習和練習的部分。學習者首先需要為食用菌工廠選址、然后可以透視工廠每一個區域內3D仿真場景，包括原料堆場、無菌區、培養區、栽培和包裝區、裝袋和滅菌區5個區域。在每個區域按順序進行實驗時，平臺同步給出必要的步驟提醒和知識介紹，實驗過程中有一些選擇和計算題，讓學習者鍛煉并掌握培養基配比、環境條件參數等知識（見圖3）。練習步驟覆蓋了培養基配制、拌料、檢測、裝袋、上蓋封口、滅菌、冷卻、無菌接種、上架、發菌培養、轉出菇室、拉袋、舒蕾、出菇、檢驗、分級清理、包裝、貯存等完整的工藝流程，該過程相當于企業兩個多月的生產時間。考核模式下平臺檢測學習者是否掌握了整個實驗的流程，以及每一個區域內進行的實驗步驟和注意事項，以“問號”的形式讓學習者一一解答（見圖4），系統對解答內容進行打分并給出正確的答案和解析。

圖2 食用菌工廠化生產虛擬仿真實驗主要流程

圖3 練習模式中的培養基配制環節

圖4 考核模式中的車間管理

在課后鞏固部分，平臺預設了幾十道食用菌栽培相關的原理知識、實驗細節和注意事項方面的題目，學習者可以反復測試，直至完全掌握相關知識。老師可以得到學生登錄次數、練習次數和測試情況等信息，從而了解學生自主學習的態度和效果。

4 虛擬仿真實驗教學效果和應用前景

虛擬仿真實驗教學具有開放性、廣域性、交互性和實時性的特點，是信息化時代教學改革的重要創新［13］。食用菌工廠化生產虛擬仿真教學平臺是我校虛擬仿真實驗中心自主開發的又一項專業實驗教學平臺，已申請了軟件著作權。客戶可以通過瀏覽器或APP，高效、快捷地訪問我中心虛擬仿真教學系統，在互聯網上隨時隨地訪問和學習。

仿真實驗與課堂實驗功能互補、虛實結合，打破了實體教學時間空間的限制，將學習有效延伸到課堂之外。課前，學生通過虛擬仿真平臺進行預習，了解實驗項目中的基本內容；課中，教師在虛擬仿真平臺上完成原理和方法的教學，開展實體實驗操作演示，學生根據實驗目的和學習任務，進行實驗操作；課后，學生可以自主開展虛擬實驗操作與復習鞏固，并通過在線測試進行考核，提交實驗報告。仿真實驗作為一個強有力的教學輔助手段，彌補了食用菌生產實驗教學中缺乏場地、學時不足的局限，學生可以在仿真課件的幫助下自主、反復學習，還可以在互動平臺上提問和相互交流。總之，虛擬仿真平臺在教學中的應用顯著激發了學生的興趣，提升了學習效果。

食用菌工廠化生產虛擬仿真教學平臺已在我校生命科學學院的本科生中試點運行，應用于食用菌生產技術和微生物學實驗兩門課程中。虛擬仿真課件有效補充了目前課堂實驗無法開設的部分，內容生動新穎，學生們在老師的指導下學習應用仿真課件，然后借助仿真課件自主學習實驗相關知識、練習操作過程。學生對此平臺給予了高度評價，同時也提出了中肯的建議。將不斷完善此教學軟件，并將其應用到我校其他院系的本科生相關實驗課程中。

實驗教學中心在建設優質仿真資源的同時，深入研究虛擬仿真資源的管理及共享應用機制，有力促進高校間優質實驗資源的整合共享，先后與浙江大學、南京師范大學、蘭州大學、西藏農牧學院、新疆農業大學等院校簽訂了共建共享協議。和其他的虛擬仿真資源一樣，我校的食用菌工廠化生產虛擬仿真教學平臺也將和其他院校相關專業進行合作共享［14-15］。

另外，該項目還免費對社會公眾開放，以期獲得更為廣泛的科普教育意義。目前已經接洽了江浦農場、蘇州食用菌公司等生產一線單位，免費提供實訓資源，從而使本項目的實施范圍最大化。

5 虛擬仿真實驗教學系統存在的問題與軟件更新

食用菌工廠化生產仿真實驗平臺自開發以來，已試運行100余次。通過虛擬仿真中心團隊、課程教學老師以及學生對軟件的反復使用，發現在軟件開發和運行方面還存在一些問題，將在后續的更新中進行完善。主要包括：①平臺內容需要進一步補充和完善，該平臺主要以杏鮑菇為例，詳細制作了其生長培養的整個過程，在后續項目中將逐漸加入草菇、金針菇、雙孢蘑菇等菌種；②操作步驟可以分為幾個子模塊，分別運行。該實驗是個綜合性大實驗，實驗步驟煩瑣，花費的時間較長，因而可以將全部實驗步驟分為幾個部分（比如培養基配制、發菌、出菇），學生根據自身需要選擇其中一部分或幾部分進行操練。③進一步增強網絡運行的流暢性和操作的便捷性，改善用戶體驗。④緊跟科學發展的前沿，在課件里鏈接一些最新的研究進展和應用實例。

6 結 語

食用菌生產技術虛擬仿真實驗教學模式是高等教育信息化環境下的必然產物。本教學平臺構建了從食用菌基礎知識到工廠化生產的完整流程，彌補了食用菌生產技術教學實踐中的局限，使學生在仿真的環境中學習知識、掌握技能。以學生為中心的虛實結合的互動教學，有利于培養學生自主學習、提高探究和解決科學問題的能力，達到提高教學質量和培養實用型人才的目的。軟件將在使用中不斷維護和更新，并與更多院校和社會機構開放共享，以達到資源最大化利用，切實體現虛擬仿真教學手段的必要性和優越性。