工夫紅茶初制工序虛擬仿真實驗教學系統構建與應用

許禎毅，馮 花，張 渤

（武夷學院茶與食品學院，福建 武夷山 354300)

實踐教學是高校人才培養過程的重要環節，是地方性本科高校應用型人才培養的關鍵支撐[1]。通過實踐教學，不僅可提高學生的觀察能力、實驗操作能力、實驗分析能力及綜合應用能力，還可以拓寬學生的創新思維、增強學生的創新意識以及提高學生的創新技能[2]。虛擬仿真實驗教學是實踐教學與現代信息技術深度融合的產物，它以虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等現代信息技術為依托，以完整的實驗教學項目為基礎，以知識點為紐帶，積極推動高校探索線上線下教學相結合的個性化、智能化、泛在化實驗教學新模式，拓展實驗教學內容的廣度和深度，延伸實驗教學的時間和空間，特別適應于現代高等教育的發展趨勢[3,4]。尤其針對操作難度大、實驗周期長、高成本、高消耗的大型綜合性實驗內容，虛擬仿真實驗教學可有效實現教學目的。

茶葉加工制作是一項系統性強及繁雜的程序[5]，由茶青篩選、萎凋、發酵等一系列環節組成，具有周期長、工序復雜、操作難度大、原材料季節性強、材料成本高等特點，對于全國任何一個茶學專業的本科生而言，都難以利用有限的資源內完成我國六大茶類加工制作的實踐內容。本項目選取工夫紅茶的加工制作技藝進行虛擬仿真實驗，因為紅茶是我國的第二大茶葉種類，出口量占我國茶葉總產量的50%左右[6]。紅茶的產區分布于我國的華南、江南、江北、西南等地區的14個省（市、自治區），其中又以滇紅、祁紅、閩紅、宜紅、川紅、寧紅、桂紅等最具代表性，涉及人員達2億多人，其中大部分是農民，因此發展紅茶經濟不僅可以繁榮農村經濟還可以促進農民增產增收，助力鄉村振興。

1 系統的構建

1.1 系統的設計思路

虛擬仿真實驗的本質上是具體實踐教學項目的延伸和補充，必須在嚴格遵循“技術設計為教學設計服務”的原則[7,8]。本實驗項目通過虛擬仿真技術對茶青采摘機、萎凋機、揉捻機、鏈板式干燥機、發酵間等關鍵儀器設備進行3D建模，真實還原工夫紅茶生產加工的場景，構建高度仿真的虛擬實驗操作環節和數據處理，重點展現了茶青采摘、萎凋、揉捻、發酵和干燥的操作全過程和重點環節。讓學生通過教學系統的指示在虛擬交互程序中開展實驗，完成對相關知識點和技術方法的學習，全面理解和掌握工夫紅茶的生產工藝，進而促使實驗教學效率和學術綜合素質與創新實踐能力的有效提升。

1.2 系統的功能架構

為了彌補周期長、工序復雜、操作難度大、原材料季節性強、材料成本高等不足之處，構建了工夫紅茶初制工序虛擬仿真實驗教學（圖1），將虛擬仿真技術應用于工夫紅茶加工與制作的實踐教學。系統根據工夫紅茶制作教學的需要，開發了萎凋槽、發酵間系統和交互式虛擬仿真實驗平臺。使學生在虛擬環境中感受茶青在各個工序中的變化過程，掌握工夫紅茶制作加工技術參數。

圖1 工夫紅茶加工制作虛擬仿真實驗界面

本虛擬仿真實驗項目在仿真平臺上共制定了4個模塊，包括實驗原理、項目背景、實驗操作和注意事項。其中，實驗原理模塊主要介紹工夫紅茶的制作工藝及相關原理，學生可通過該模塊加深對知識點的學習和掌握。實驗操作模塊包含采摘、萎凋、揉捻、發酵、干燥等工序（圖2），每個工序中包含5-10個交互知識點，操作者可在文字、圖像和聲音等信息的指導下利用人機交互，按設定的實驗流程逐步完成整個實驗過程。

圖2 工夫紅茶加工制作虛擬仿真實驗操作界面

1.3 應用操作

點擊進入“實驗操作模塊”，出現茶廠總覽圖。通過點擊“開始實驗”按鈕，學生開始實驗環節的操作。屏幕頂部顯示虛擬日期、氣候、溫度、濕度等信息，并顯示包括“采摘”“萎凋”、“揉捻”、“發酵”、“干燥”等一系列操作按鈕。操作者在實驗過程中按照系統提示通過人機互動操作及選擇，選擇以判斷題、單選題及多選題的形式出現（圖3），操作者根據自己所掌握的知識要點做出選擇。該系統自動判定選擇的正確與否，并將操作結果匯總至實驗報告中，給出相應的分值。

圖3 工夫紅茶加工制作工序操作流程

2 虛擬實驗平臺的特色及應用效果

2.1 重現“真實”實驗場景，激發學習興趣

基于計算機和網絡的虛擬仿真實驗平臺，將工夫紅茶的加工設備、制作工序和原理通過軟件運行于純硬件組成的網絡多媒體教學系統之上，保證了網絡教學方式的特色，既貫穿于虛擬實驗教學的全過程，又落實到了每步具體操作中。此外，虛擬仿真實驗可以提供形象直觀、內容豐富的學習環境，圖文并茂、動靜結合、節奏有序的實驗內容，并以聲音、圖像等豐富的表現力幫助學生進行多感官學習[9]，不僅可以增加學生的興趣，調動他們學習的積極性，還可以促進學生對工夫紅茶加工制作工序的熟悉和實驗過程的理解。任課教師在教學過程中輔助講解實驗原理、方法與步驟，并對整個實驗全過程加以引導，啟發學生創新意識，激發學生學習積極性，培養學生發現、分析及解決問題的能力，從而提高學習效率。

2.2 重復實驗，提高實踐動手能力

本虛擬仿真實驗教學系統結合多項現代信息技術，真實再現工夫紅茶加工制作的場景，將翻轉課堂的引導式教學與學生自主學習相結合，向學生開放學習資源和學習空間，學生通過虛擬仿真實驗系統中各模塊的綜合運用，能夠重復學習工夫紅茶加工制作的原理與步驟，提高學生的相關實驗和實習技能。經過虛擬仿真實驗的練習，真正操作起來既輕松又胸有成竹，從而提高教學效率，同時，還可以降低實驗失敗的機率。

2.3 傳統教學的補充和延伸

本虛擬仿真實驗教學系統擺脫了傳統實踐課堂中教師講解、演示的束縛，是對傳統課堂教學的有效補充和延伸，通過3D建模與人機交互，可使學生在虛擬仿真環境下學習和掌握相關知識，彌補了某些難以完成實習環節的缺陷，從而有效提高了教學質量，保障了人才培養的效果。

3 結語

工夫紅茶加工制作虛擬仿真實驗平臺的建立，不僅能滿足茶學專業《茶葉綜合實驗》和《制茶實習》課程的需要，還能兼顧到相關專業的使用，乃至延伸到茶企對于新生代制茶師、茶農的培養應用中，有著良好的通用性和龐大的覆蓋面。另一方面，通過現代化科學技術，將工夫紅茶加工制作工藝通過信息化手段進行展示和宣傳，讓更多愛茶人士了解茶葉的生產加工過程，弘揚中國傳統茶文化。

本虛擬仿真教學實驗雖解決了工夫紅茶加工制作實踐教學過程中的諸多限制因素，有效地延伸課堂實驗教學及實驗空間，顯著提高學生學習和教師教學的效率，但由于制茶學實踐課程更為注重應用性和實踐性，因此應秉持虛實結合、能實不虛、相輔相成的原則，將虛擬仿真與傳統教學有機地整合起來，以便更好地為提高制茶學理論與實踐教學質量提供有力保障。