糧食工程專業數字化3D教學資源建設的探索與實踐

邵小龍 殷蕾 陳從雯 丁超

摘要：“人才興糧興儲”是中國保障糧食安全、大力發展糧食產業經濟的重要支撐。針對糧食行業培訓教學資源不足的實際困難，應用現代科技手段建設糧食工程專業數字化教學資源，在現有虛擬仿真教學平臺、第二課堂等建設基礎上，提出一種新型教學資源建設方法，通過資源建設積累和教學數字化轉型，逐步改進傳統教學模式，增強學生專業興趣，促進學生自主學習能力和實踐動手能力的培養。

關鍵詞：糧食工程專業；3D（三維）模型；資源建設；教學實踐

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20230416

基金項目：南京財經大學校級教學改革研究課題（JGY2001054）；食品科學與工程國家一流專業建設點項目；糧食工程江蘇省特色專業建設項目。

Exploration and practice of digital 3D teaching resource construction of grain engineering major

Shao Xiaolong， Yin Lei， Chen Congwen， Ding Chao

（ College of Food Science and Engineering/Nanjing University of Finance and Economics， Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety， Nanjing， Jiangsu 210023 ）

Abstract："Talents raise grain and storage" is an important support for China to ensure food security and vigorously develop the grain industry economy. In view of the practical difficulties of insufficient training and teaching resources in the grain industry， modern scientific and technological means are used to build digital teaching resources for grain engineering. Based on the construction of the existing virtual simulation teaching platform and the second classroom， a new teaching resource construction method has proposed. Through the accumulation of resources and the digital transformation of teaching， the traditional teaching mode will be gradually improved， and students professional interests should be trained， so as to promote the cultivation of students autonomous learning ability and practical ability.

Key words： grain engineering major， 3D model， resources construction， teaching practices

“倉稟實，天下安”。糧食安全是實現經濟發展、社會和諧、政治穩定的重要基礎。近兩年新冠疫情、自然災害、人類戰爭等風險挑戰層出不窮，糧食安全為應對國際威脅和維護我國社會穩定起到了壓艙石作用。糧食工程專業人才是支撐糧食行業發展的基礎，但我國糧食行業仍存在人力資源不充足、技術裝備不先進、創新能力不強等突出問題，阻礙了糧食產業鏈的升級和價值提升[1]。隨著人們對美好生活的需求增加，飲食健康產業的快速發展，對糧食儲藏和加工人才的專業水平、職業素質提出了越來越高的要求。

教學資源可以理解為一切可以利用于教育、教學的物質條件、自然條件、社會條件以及媒體條件，是教學材料與信息的來源。隨著電子設備和網絡科技進步，逐漸增加了線上的數字化電子資源，包括視頻、課件、習題、案例、實驗項目、數字教材、實訓項目、數據集等等。有效地利用數字化教學資源，可以激發學生的學習與發現的興趣，是培養自主學習能力和創業能力極佳的路徑[2]。基于傳統的教學方法要想使本科生獲得學習的頂峰體驗難度非常大，隨著信息技術的發展和教育理念變革，出現了MOOC（慕課）、Flipped Classroom（翻轉課堂）、微課程等教育和學習模式的新探索。信息化、數字化手段和教育之間的結合已經成為重要的趨勢，高校學生的自主性更強，建設數字化教學資源的價值更加突出。

本文針對糧食工程專業數字化教學起步晚、教學資源較少和推廣程度不足的問題，從目前糧食行業教學資源的現狀出發，以南京財經大學糧食工程專業為例，根據實際專業課程的培養方案課程安排，分析目前數字化教學資源的建設進展情況，并探索實踐一種新的數字化教學資源建設方法，擬為今后糧食工程類專業高質量和多樣化的教學資源建設方向提供參考。

1 糧食工程專業教學資源的現狀及存在問題

糧食工程專業主要培養符合國家糧食產業發展需求，具有較扎實的糧食工程方面的理論知識和實踐技能，能從事糧食工程及相關領域的復合型高級工程技術人才。南京財經大學本專業培養方案中的教學課程主要由公共基礎課、專業基礎課、專業主干課、專業限定選修和任意選修課組成[3]。

1.1 教材資源缺乏，且更新較慢

公共基礎課、專業基礎課與輕工類專業基本一致；專業主干課程中食品工程原理、食品化學、加工工藝、儲藏、工廠設計等與食品類專業教學課程也有較大比例的重合。因此，以上課程都可以共享食品或輕工類專業的教材資源，教學和實驗資源較為充足。但是作為專業限定選修的貯藏害蟲防治、糧食干燥技術、糧油儲藏學、油料加工等課，是糧食工程特色或獨有的課程。由于國內開設糧食工程專業的高校數量不多，因此，造成這些課程的教材資源較少，且更新較慢。

1.2 教學共享資源不多，交流活動少

由于缺乏教學交流互動的現實原因，即使使用同一本教材時，不同單位講述的側重點也可能不一樣。有時候教材中的部分章節由于缺乏相應的教學素材，講課時無法將該領域的歷史、發展現狀和前沿動態進行系統講解，學生很難全面掌握該領域知識。互聯網上也極少有本專業的精品課程、公開課、慕課、微課等網絡資源出現，各單位之間缺乏參考和借鑒，培養學生質量的高低非常依賴教學單位的歷史傳承。糧食工程專業教學交流活動少，公共資源的不夠豐富，各培養單位勢必會出現教學質量不一，學生能力參差不齊的現實問題。

1.3 課外教學實踐資源受局限較大，開展不充分

由于場所、資金等因素的限制，校內實踐資源的規模和層次相對較低；校外實踐資源雖相對較多，但受實踐地點、時間、崗位等諸多因素的影響，學生去校外實習不方便也不安全。學生的實踐教學大多成為走馬觀花的過程，學生無法獲得相應的專業技能訓練，達不到學以致用的目的[4]。例如，在進行倉儲害蟲知識點實踐教學時，受季節和場地影響，不便于實地采蟲。一般可在儲糧昆蟲實驗室或儲藏物昆蟲標本室進行，但是很多高校并沒有相應的資源。這導致實踐教學環節薄弱，學生只了解理論知識，而缺乏觀察辨別和動手操作能力，造成部分高校教學存在重理論、輕實踐的現象[4]。

2 糧食工程專業數字化教學資源建設的探索

2.1 數字化教學資源建設的必要性

數字化教學資源是指運用計算機、信息化等手段對傳統教學資源進行數字化改造，形成便于自學互動和傳播共享的多媒體資源。它能將難以理解的抽象內容通過通俗易懂的圖像、動畫展示出來，有利于學生加深印象，更好地理解和掌握課堂知識；學生還可以在課余利用網上教學資源進行學習，便于知識的查缺補漏和加強。充足的數字化教學資源能保障數字化教學順利轉型，滿足信息化教學需求，提高教學水平。像糧食工程專業這類全國開設數量較少的專業，更需要推進數字化教學資源建設進度。不僅有利于院校間的資源共享和資源整合，而且有利于縮短院校之間的教學差距，從而保障糧食工程專業人才的高水平培養，滿足行業需求。

當前糧食工程專業的數字化教學資源等存在嚴重缺口，疫情更加凸顯這一問題。疫情之下，校門廠門管控加強，部分學生被限制進入，學生也不能正常到糧庫和加工廠進行課外實踐。校內實驗室或標本室也是限制出入，實驗操作等課程教學受到諸多影響。例如糧油儲藏學、倉儲害蟲防治等配套實驗都被集中安排到某時段，造成實驗與課堂教學進度不一致。傳統教學方式和秩序因不可抗力量被打斷，而便于安排配置教學的數字化資源建設不足，嚴重影響學生的專業知識技能的培養效果。因此，基于以上客觀原因，糧食工程專業的數字化教學資源建設迫在眉睫。

2.2 數字化教學資源建設的現狀

南京財經大學在專業教學中設置糧食工程虛擬仿真綜合實訓，建設了虛擬仿真教學平臺的數字化資源[3]。該平臺內置糧食儲運加工技術主要知識點和教學視頻，將實踐理論、仿真操作、在線學習和在線考察于一體。通過仿真教學平臺教學，提高了教學的直觀性和趣味性，幫助學生深入透徹的理解專業知識，避免部分實踐教學環節的安全風險，解決教學過程中因時間、空間、教學資源等限制問題。例如，為解決磷化氫環流熏蒸實驗教學的安全性和時空限制等難題，運用3D場景呈現方式，建設了《糧食倉儲磷化氫環流熏蒸虛擬仿真實驗教學項目》。學生可以像真實環境中學習危險的實驗操作，填補了常規教學的空白。該項目面向全國數個高校開放，在全國同類高等專業教學中起到了顯著的示范作用，并入選了2018年度國家虛擬仿真實驗教學項目名單。該項目的成功建設，啟發教師在教學過程中要大膽運用前沿技術，結合課程建設和行業實際需求，設計出具有廣度和深度的教學項目[5]。

南京財經大學、河南工業大學等高校在糧食工程專業培養方案中設置了第二課堂活動。第二課堂是指學生在規定的教學計劃課程之外自愿參加的，培養獨立工作和創新能力的實踐活動。南京財經大學以智能化為導向構建“第二課堂”的糧食科技人才培養模式，基于虛擬仿真實訓室，構建“智能軟件+ 大數據應用”的智能化學習平臺，為學生開設糧食倉儲相關智能軟件的課程培訓。學生有機會學習糧食倉儲智能軟件管理與操控，然后開展模擬實驗，在校內糧食倉儲虛擬實驗平臺上熟悉整個糧食倉儲運行系統。另外，學校聯合企業協助開發糧食倉儲、糧情監測、智能出入庫系統等模擬測試訓練模塊，將理論教學、專業實踐與綜合體驗相融合[6]。既培養學生了解掌握現行實用的行業技術知識，又具備先進創新意識和動手實踐能力，為走出校園服務行業作好充分準備。

3 糧食工程專業3D數字化資源建設的具體實踐

盡管已經建設了一些數字化教學資源，但覆蓋的知識面不夠廣泛，還需要繼續探索和實踐。目前糧食工程專業課程教學主要使用書本和多媒體課件，而書本和多媒體中的素材大多平面化，缺乏立體感。盡管本專業實物樣品教具成本低、較易獲得，但教學效果卻差強人意。例如，糧油食品原料、制品或害蟲的真實實物形式單一，細節展示困難；與色彩鮮艷或外形漂亮的農業昆蟲相比，倉儲害蟲標本大都體積較小、外觀暗淡、識別度低，難以激發學生學習的興趣和熱情[7]。這些問題一定程度上限制教學效果。雖然建設方式、資源媒介形式具有多樣化特點，但是可以遵循教學性、科學性、開放性、通用性、層次性、經濟性等一般原則進行設計與開發數字化資源。在此原則的指導下，以下介紹糧食工程專業3D（三維）數字化教學資源建設過程，以及建設得到的初步成果。

3.1 3D數字化資源建設的實踐研究過程和方法

本資源的開發建設主要采用教學需求與資源開發相結合的方法，以需求為導向，針對性地運用現代先進手段制作出傳統手段無法得到的教學資源。對現有資源的補充和完善，增強了教學效果。

首先，進行教學需求調研。在教學資源建設前，與相關專業授課老師，特別是與有多年教學經驗的老師進行交流。調查目前課程教學中的難點和重點，全面收集教學過程中的問題，分析傳統教具的優勢和不足。然后，選取合適的資源建設方法。根據教學需求，特別是教材中的重難點部分，對食品原糧或成品、儲藏害蟲等進行3D掃描重建成像；選取合適的外觀圖和內部局部結構截面，并設計二維圖、三維圖、動畫等多種形式的多媒體素材。最后，根據使用評價效果，并進行資源優化。課后與任課教師進行面對面交流，探討圖像和教具的課堂使用效果和改進方向；制作調查問卷，收集上課學生的反饋意見，分別從教育性、科學性、創新性、新穎性和實用性對虛擬3D技術教學資源進行評價；根據問卷結果，優化資源細節和編寫資源使用指南，總結教學實踐經驗。

具體的研究與實踐教學體系構建思路如圖1所示。

3.2 糧食工程專業數字化資源建設實踐的初步成果

傳統教學主要使用課本教材、多媒體課件、圖冊或掛圖等進行知識點教學。由于這些都是平面圖像，提供的信息有限且不夠生動，難以調動學生學習積極性。實際常見的小麥、大米、綠豆等糧食顆粒只有數厘米長度，難以展示局部細節。因此開始嘗試使用糧食樣品進行三維成像和數字化處理，得到3D渲染圖像（圖2）。將糧食樣品三維數字化后，可以進行局部放大、旋轉等操作，以更好地展示知識點，其教學效果遠超平面素材。

經過調研得知，儲糧害蟲的外形尺寸僅有數毫米，實物或標本非常小，難以進行教學講解和演示，而昆蟲外部形態特征鑒定是進行儲糧害蟲防治和保障糧食安全的必備技能之一。綜合考慮后，選取以危害性較大、分布較廣的頭號儲糧害蟲——玉米象為例，利用三維掃描技術并運用渲染、紋理優化等技術，設計并制作出真實感的放大立體3D模型圖像（圖3）。由于是分別率很高的3D電子圖像，因此，可進行放大、旋轉、切面、透視等操作。如圖3所示，將圖像放大旋轉后可對蟲體的前胸背板、鞘翅、觸角、喙、口器的關鍵局部特征進行教學；進一步，還可以使用切面和透視功能展示馬氏管、氣管、骨骼肌等內部器官組織結構。

數字化的糧粒、害蟲等3D模型可進行等比例放大、旋轉、透視等操作，生動和全方位展示外部形態細節和內部組織結構。既保證素材的真實性、科學性，又具有一定的新穎性、趣味性。通過課堂教學試用發現，這類三維模型可顯著地改善教學課堂氣氛和提高學生興趣。因此，后續還會通過VR（虛擬現實）技術，實現優秀的人機交互體驗，強化學生實踐操作和創新能力。總之，使用3D教學資源改進專業教學過程，能提高學生專業學習興趣，豐富感性認識，幫助形成明確的概念，發展學生的觀察能力和思維能力。

4 糧食工程專業數字化教學資源建設的建議

4.1 科研反哺教學，改造傳統教學資源

一般來說，行業的研究成果領先于教材內容，而教師大多參與前沿的科技研究活動。本次教學改革思路來源于本專業的科研活動，在科研成果的基礎上建設教學資源，是產學研深度融合的產物。本次教改建設的教學資源是采用先進的三維高精度成像技術，結合前沿的最新專業研究成果來研發多媒體素材和教具，該資源為傳統途徑無法得到的教學資源，是現有教學資源的有益補充。如果老師能及時將科研進展和前沿成果反映在課堂教學中，特別是把科研成果與課堂教學活動結合起來，能夠極大地促進學生對于課堂知識的消化吸收。

4.2 提高資源質量，開放共享，持續改進

數字化資源作為一種新媒介，可以提升教學效果。然而，需要考慮教學的要求和教師接受程度，做好教學需求調研，提高資源質量，減少老師工作量[8]。數字化的教學資源有著可共享，容易傳播的優勢，然而許多學校的網絡教學資源普遍存在訪問量少、使用率過低的情況。高校間的課程資源得不到有效利用，造成教育資源的大量浪費和低層次的重復開發。因此，建議國內開設糧食工程專業的院校共建共享數字化教學資源，持續改進，以便更好地服務我國糧食行業。

參 考 文 獻

[1] 李蘇紅，張春紅，鄭煜焱，等.“雙創”引領下糧食工程專業建設研究與思考[J].農業科技與裝備，2017（12）：71-74.

[2] 于文秀.數字化教學資源的意義與挑戰[N].光明日報，2008-02-27（10）.

[3] 南京財經大學.南京財經大學2020版本科專業人才培養方案[EB/OL].（2021-10-05）[2022-08-30].https：//jwc.nufe.edu.cn/ info/1144/10103.htm.

[4] 沈飛，李琦.糧食倉儲工藝與設備課程線上線下混合式教學改革與實踐[J].糧食科技與經濟，2020，45（12）：130-133.

[5] 丁超，胡秋輝，劉琴.糧食工程虛擬仿真實驗教學的探索與實踐[J].教育現代化，2020，7（38）：1-5.

[6] 丁儉，楊家琦，徐潼，等.智能化導向的糧食工程專業科技創新人才培養模式[J].糧食科技與經濟，2021，46（4）：49-51+85.

[7] 李慧，王殿軒.虛擬仿真技術在糧食儲藏實踐教學中的應用與研究[J].大學教育，2018（7）：80-82.

[8] 趙健.技術時代的教師負擔：理解教育數字化轉型的一個新視角[J].教育研究，2021，42（11）：151-159.