中西部涉農高校虛擬仿真實驗教學探索
——以“飼料加工工藝及設備虛擬仿真實驗”課程為例

劉 娜，安曉萍，齊景偉

（1.內蒙古農業大學 動物科學學院，內蒙古 呼和浩特 010018；2.智慧畜牧自治區高等學校重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010018）

涉農高校在新農科建設的背景下，以培養能夠適應和引領新時代農業發展需要的創新型復合型人才為目標，對學生創新實踐能力的培養提出了更高的要求。2018年4月，教育部印發的《教育信息化2.0行動計劃》提出了要“堅持信息技術與教育教學深度融合”［1］。伴隨著新一輪的涉農高校教育改革，“互聯網+”教學模式更加多樣化及系統化［2］。實驗教學在創新人才培養中具有極其重要的地位［3-4］。中西部涉農高校作為地方發展及鄉村振興應用型人才培養的“搖籃”，也將實驗教學改革提上了重要日程。隨著信息技術的高速發展，虛擬仿真技術日臻成熟，并在實驗教學中廣泛應用［5-6］。虛擬仿真實驗教學探索是實現新農科高校教學改革和人才培養目標的重要舉措。

依托云畜牧創新平臺，利用三維仿真及虛擬現實技術創建的“飼料加工工藝及設備虛擬仿真實驗”課程，堅持“以學生為中心”的教育理念，更新仿真實驗內容，創新教學手段方法，改革考核評價方式，積極探索信息化時代下中西部涉農高校實驗教學的改革模式和架構，以期為中西部涉農高校其他學科實驗課程群的教學改革提供一定參考。

一、傳統實驗教學存在的問題

實驗教學是農學教育不可或缺的組成部分。傳統的實驗教學多以教師講授為主，學生按部就班地進行單一、相同的實驗操作，難以提高學生的實驗技能。實驗教學內容的模式化，無法跟上時代的步伐，學生無法在學時內全面了解農業現代化的相關知識。在既有的實驗教學資源和條件下，學生難以學習教師演示以外的其他知識內容，缺少知識拓展和教學資源的共享。

“飼料加工工藝及設備”課程是高等農林院校動物科學專業一門重要的專業課，要求學生掌握飼料加工設備及工作原理、飼料加工工藝等內容，涉及多學科交叉內容，實踐性較強［7］。現代化飼料企業從原料進入到成品打包都是全封閉過程，實踐教學基地遠，學生出入不方便，傳統的實驗教學并不能使學生理解抽象的機械知識和飼料廠的全業務流程。

引入虛擬仿真技術進行實驗教學改革，不僅能將現代化飼料廠的規劃布局、工藝流程、加工技術直觀地融入教學過程，推動線上實踐教學基地的建立，而且模擬演練的方式更能夠鍛煉學生的思考分析能力、判斷決策能力，從而達到提升學生綜合實踐能力的目的。

二、“飼料加工工藝及設備虛擬仿真實驗”課程設計

（一）仿真實驗內容設計

“飼料加工工藝及設備虛擬仿真實驗”課程以世界500強企業飼料加工廠為設計藍本，將現代化的飼料廠場景、生產設備和先進的加工工藝虛擬化，更新了仿真實驗內容，實現教學內容與現代飼料生產技術同步。將虛擬仿真技術與實驗教學內容相結合，可以有效提高課程的趣味性。課程知識體系如圖1所示。

圖1 “飼料加工工藝及設備虛擬仿真實驗”課程知識體系

（二）教學過程組織

新形勢下，為保障教學工作的順利開展，創建的“飼料加工工藝及設備虛擬仿真實驗”課程在教學組織過程中，提供了沉浸式大屏、沉浸式VR小組協同交互和VR瀏覽器三種學習方式。教學過程中發揮學生主體的作用，采用沉浸式體驗、角色扮演的方式，以更加生動、形象的形式激發學生的學習興趣，豐富課堂教學環境，強化學生的綜合實踐能力。課程面向全國涉農高校開放共享，以實現實驗教學資源的時間、空間、對象、過程和內容的五維共享。

（三）教學模式與考核評價

“飼料加工工藝及設備虛擬仿真實驗”課程創新了線上線下、異地協同虛擬仿真教學模式，打破了時間、空間和教育群體的限制，使學生可以隨時隨地進行飼料加工過程模擬演練，有效解決實踐基地遠、實踐教學難的問題。

課程改革評價方法，采取師生雙向教學過程和學習效果評價，開展基于數據的準確評價，及時反饋教學效果，推動教學質量的提升。

三、“飼料加工工藝及設備虛擬仿真實驗”課程實踐

（一）仿真實驗內容

仿真實驗內容主要包括以下幾個應用模塊。

1.飼料生產加工過程認知模塊。學生在該模塊內漫游虛擬化的飼料生產基地，了解飼料廠區整體布局和車間內部構造。進入飼料加工車間后，學生根據流程圖學習飼料加工內容。具體操作為點擊某一項工作流程，即動態展示加工過程、顯示工作原理工藝參數、操作方法和注意事項等，使學生更為直觀地認識飼料加工工藝流程。

2.飼料加工設備認知模塊。飼料加工設備認知模塊展示生產線上主要設備的三維結構圖、工作原理、主要部件的工作原理和三維結構，實現關鍵工藝設備可拆除、安裝、旋轉等操作，同時提供設備日常運行注意事項等文字輔助屬性描述。

在該模塊內，學生利用VR技術的可互動性和交互性特點，可對重要設備（如錘片式粉碎機、回轉分級篩、槳式混合機、環模制粒機）進行深度拆解和組裝，同時配合相關知識點考核，對學生進行實操考核。

3.顆粒飼料加工工藝設計模塊。顆粒飼料加工工藝設計模塊虛擬了飼料原料，如玉米、麩皮、豆粕等，并預設了工藝參數，如粉碎粒度參數、調制參數、制粒參數等。在該模塊內，人機交互操作涵蓋原料入庫、除雜、粉碎、配料、混合、制粒、打包等生產環節。通過教師的講解與引導，學生可沉浸式地進入飼料生產基地，以角色扮演的方式完成生產任務，以此來全面了解現代化飼料企業，實現學生與企業生產實踐的無縫對接。

4.顆粒飼料品質檢測模塊。顆粒飼料品質檢測模塊包括顆粒飼料水分測定、硬度測定、粉化率測定和耐水性測定內容。在該模塊內，學生可以在仿真環境中對顆粒飼料的粒度相關指標進行評價。在監測過程中，學生可分組討論、互動交流，具有“開放性、交互性和易操作性”。

（二）教學過程組織

1.課前預習。學生課前通過VR瀏覽器方式進入“飼料加工工藝及設備虛擬仿真實驗”課程，預習PPT，沉浸式地參觀虛擬仿真飼料廠，了解廠區布局、體驗飼料加工工藝過程。在課前預習過程中，學生還可以與教師進行交流互動，教師也可以根據學生的問題進行課堂內容的調整。

2.線上線下、異地協同虛擬仿真教學。課堂設計思路見圖2。課程采用線上線下、異地協同的教學模式組織教學。學生可通過佩戴3D眼鏡，進入沉浸式VR大屏模式，跟隨教師的VR視角進入飼料廠虛擬仿真場景中，學習從飼料原料進庫到飼料產品出庫的生產過程，包括設備維護、顆粒飼料加工工藝及產品檢測等內容，并進行隨堂測試，使學生掌握完整的飼料加工知識體系。學生完成知識點的學習任務后，可進入沉浸式VR小組協同交互模式進行虛擬仿真模擬演練。學生通過扮演不同的角色完成相應的工作任務，來全面了解飼料廠全業務流程，對重點、難點內容進行反復學習和操作演練，不僅節約了實驗教學成本，還身臨其境地參與到企業生產實踐中。模擬演練過程中，每一步操作失誤或疏漏則無法進入下一環節，直至故障解除。這樣的課堂設計提高了學生的主觀能動性，鍛煉了學生的思考分析能力、判斷決策能力、團隊協作能力，從而提升了學生的綜合實踐能力。

圖2 課堂設計思路

3.課后復習。課后復習以小組（5～6人為一組）分組討論、課后模擬演練、課后習題等方式進行沉浸式復習。小組討論以交流學習內容、分享模擬演練遇到的問題以及如何解決生產實際問題為主要內容。

（三）考核評價

傳統的課程多通過試卷考試或實驗報告的形式進行考核，考核評價單一，只重視文字材料而忽視了學生實踐操作能力的考核［8］。“飼料加工工藝及設備虛擬仿真實驗”課程采用師生雙向教學過程和學習效果評價，基于線上線下教學過程數據、學習過程數據、師生互動數據等，開展基于數據的準確評價，及時反饋教學效果。

為全面考核知識、能力等目標的達成情況，對學生進行綜合考核。考核主要包括自主學習時長，虛擬仿真模擬演練、參與互動情況、考勤情況、隨堂提問、課后習題、實驗報告。課程組教師圍繞教學過程及教學效果進行研究與討論，總結教學方法與教學經驗，保障課堂教學質量。

在疫情防控時期，該課程在配合教師理論教學和完善飼料廠生產實踐環節上發揮了重要作用，受到了教師和學生的一致好評，課后習題及格率達97.5%，課堂教學效果良好。

結語

“飼料加工工藝及設備虛擬仿真實驗”課程以培養新農科背景下“一懂兩愛”的應用型人才為目標，更新了仿真實驗內容，創新了教學手段，改革了評價方式，實現了線上線下、異地協同虛擬仿真教學，教學效果良好，對中西部涉農高校虛擬仿真實驗教學探索具有一定的啟示意義。