小麥加工技術(shù)虛擬仿真教學平臺的構(gòu)建與應用

蘭曉光，王旭峰，劉麗婭

（1.德州職業(yè)技術(shù)學院 糧食工程系，山東 德州 253034；2.中國農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，北京 100193）

虛擬仿真實踐教學是高等教育信息化建設和職業(yè)教育現(xiàn)代化的重要舉措［1-4］。《國家職業(yè)教育改革實施方案》和《職業(yè)教育提質(zhì)培優(yōu)行動計劃（2020—2023年）》均指出了信息技術(shù)對職業(yè)教育發(fā)展的重要作用。運用現(xiàn)代信息技術(shù)改進教學方式方法，有助于推動信息技術(shù)與教育教學深度融合，促進虛擬仿真與專業(yè)實踐密切結(jié)合，推進虛擬工廠等網(wǎng)絡學習空間建設和應用。

小麥加工是開展糧食生產(chǎn)、保障糧食安全和節(jié)糧減損的關鍵技術(shù)，涉及清理、配麥、調(diào)質(zhì)、研磨、篩理、清理、配粉、后處理等多個環(huán)節(jié)，不僅工藝流程復雜，而且設備要求較高。“小麥加工技術(shù)”是高職糧食工程技術(shù)與管理專業(yè)的必修課程，其實踐教學占比在50%以上，是一門強調(diào)學生實訓的專業(yè)課程。傳統(tǒng)的小麥加工實訓中心具有投資大、建設周期長、占用場地較大等問題，無法為糧食加工技術(shù)專業(yè)學生提供實際和完善的實踐現(xiàn)場［5-7］，導致學生無法完成相應的實訓項目，課程理論知識不能聯(lián)系實際、理解不深入、技能訓練不到位。

本研究利用前期已建成的糧油食品虛擬仿真實訓中心，聯(lián)合校企合作單位共同開發(fā)“小麥加工技術(shù)”課程虛擬仿真資源，實現(xiàn)工廠漫游、設備拆解組裝、工藝流程認知等多類型的虛擬仿真。

實訓教學資源主要包括原糧清理、研磨、篩理、清粉等操作任務，旨在通過設計典型的虛擬仿真實訓項目或任務，與傳統(tǒng)的實訓環(huán)節(jié)相互補充，形成完整的實訓體系和實訓流程；對接最新的“1+X”糧農(nóng)食品安全評價職業(yè)技能標準和制粉工崗位規(guī)范，結(jié)合學習者的技能素養(yǎng)要求，形成虛擬仿真實訓考核評價體系。

一、虛實互補的多模態(tài)教學環(huán)境和多類型教學資源設計

根據(jù)小麥加工廠實際工作場景及制粉工崗位需求，構(gòu)建小麥加工技術(shù)虛擬仿真教學平臺，主要涵蓋工廠漫游、設備拆解組裝和工藝流程認知三大模塊，具體如圖1所示。工廠漫游模塊創(chuàng)設了小麥加工企業(yè)從外部環(huán)境、麥倉粉倉到清理、制粉、配粉、打包等生產(chǎn)車間內(nèi)部的場景，使學生可以在虛擬場景中身臨其境地漫游、自由穿行；設備拆解組裝模塊可以立體呈現(xiàn)輥式磨粉機、高方平篩、清粉機、振動篩、比重分級去石機等10臺核心制粉、清理單機設備及設備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使學生真實模擬練習設備拆解和組裝過程，具有沉浸感和臨場感，且可以開展考核工作；工藝流程認知模塊1∶1高度還原小麥加工生產(chǎn)線、加工設備及加工過程，將小麥加工工藝流程立體化，通過VR虛擬現(xiàn)實手段真實、具體地呈現(xiàn)給學生，并增加工藝流程設計考核環(huán)節(jié)。

圖1 小麥加工技術(shù)虛擬仿真教學平臺的框架

在此基礎上，利用VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)和實際加工設備，運用3D、實物等模式，構(gòu)建虛實結(jié)合的多模態(tài)教學環(huán)境，營造小麥加工實踐的教學氛圍，并配合沉浸式+實物的設備拆裝項目、立體式+模型的工藝流程設計、實訓過程中“彈出”的近百道練習試題、知識點動畫或視頻演示講解等多類型教學資源，讓學生在加工原理、加工設備、加工工藝的知識構(gòu)建，以及設備操作、流程設計的有效輸出等方面，達到良好的學習效果。

二、虛實一體化教學模式構(gòu)建

虛擬仿真實訓過程改變了傳統(tǒng)的學生被動接受的教學模式。通過扮演制粉工角色，學生需要經(jīng)過初級制粉工（強化小麥加工工藝流程和設備的認知）、中級制粉工（強化設備工藝參數(shù)調(diào)節(jié)和維護技能）和高級制粉工（強化生產(chǎn)能力及故障檢修能力）3個階段的技能學習；通過3D模型、視頻動畫及文字全方位立體化講解，讓學生理解課程的理論知識，并在虛擬現(xiàn)實場景中完成實訓項目，即通過設備設施的“接觸”來真實呈現(xiàn)設備整體及關鍵組件的構(gòu)成、工藝參數(shù)調(diào)節(jié)、流程設計等內(nèi)容。充分利用現(xiàn)有實訓設備，要求學生實際動手操作、反復練習，掌握制粉工的各項技能，創(chuàng)建“理實一體、虛實結(jié)合”的教學模式［8］。

設備拆解組裝和工藝流程認知是平臺的核心模塊，以教學模式、練習模式和考核模式3個部分開展加工設備及工藝流程實訓過程。以工藝流程教學為例，學生可以自主瀏覽各個工序，了解流程相關知識和設備操作注意事項，包括小麥初清、毛麥清理、二次潤麥、凈麥清理、制粉、配粉等6個工藝流程。

練習模式是最重要、耗時最長、需反復學習和練習的環(huán)節(jié)［9］。練習步驟覆蓋了小麥原糧篩選、風選、去石、精選、磁選、打麥、配麥、潤麥、研磨、篩理、清粉、入粉倉、配粉、打包等完整的工藝流程。學生首先需要標識小麥加工的整體工藝流程，然后沉浸式360°觀察生產(chǎn)車間內(nèi)清理、制粉、配粉、打包、麥倉粉倉等5個區(qū)域內(nèi)的仿真場景。在各區(qū)域進行虛擬仿真實訓的同時，平臺會同步給出加工設備的相關介紹以及選擇、問答和計算題練習，讓學生掌握設備技術(shù)參數(shù)、工藝效果評定等知識，結(jié)合實訓室現(xiàn)有的磨粉機、比重分級去石機、平篩、著水機、打麩機、配麥器等加工設備實際動手調(diào)節(jié)參數(shù)、計算評定工藝效果等。

考核模式主要考查學生對整個小麥加工工藝流程設計、核心設備的結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求的掌握情況，以“填空”“排序”和“拆裝”的形式進行考核，平臺自動判斷解答內(nèi)容，并給出正確答案與解析。為了鞏固學習效果，平臺內(nèi)置了包括工藝流程的組合原則、加工設備的工作原理、技術(shù)參數(shù)和操作注意事項等內(nèi)容的百道題目，學生可以反復測試，直至完全掌握相關專業(yè)知識，教師可以分析學生的測試情況，了解學生的學習效果。

三、虛實結(jié)合的多元化考核評價體系構(gòu)建

在“小麥加工技術(shù)”課程教學過程中，結(jié)合小麥加工技術(shù)虛擬仿真教學平臺、課程平臺以及實訓設備，教師應在每個教學環(huán)節(jié)按評分標準對學生進行評測，完成理論知識和職業(yè)技能過程性考核，最終匯總得到學生的實訓總成績。“小麥加工技術(shù)”課程虛實結(jié)合的多元化考核評價體系如表1所示。

以“小麥加工技術(shù)”課程中比重分選設備操作為例，采用任務驅(qū)動、實驗探究方法進行理論教學。課前，教師通過課程平臺對學生進行分組并布置小組作業(yè)，要求各組學生查閱比重分選設備的相關資料，并自學比重分選設備的類型、工作原理、結(jié)構(gòu)及操作調(diào)試方法等相關信息。課上，各小組分析討論比重分選設備操作任務的知識要點并形成思維導圖，提高對整個知識體系的掌握［10］；教師引導學生從多方面考慮任務實施過程中可能遇到的問題，并結(jié)合思維導圖制訂任務實施方案，培養(yǎng)學生的發(fā)散思維以及全面分析問題、解決問題等創(chuàng)新素養(yǎng)。本部分通過課程平臺系統(tǒng)評價和教師評價進行過程性考核，占課程實訓總成績的30%。

實訓教學采用虛實結(jié)合的教學模式。教師指導學生利用課程虛擬仿真系統(tǒng)的設備拆解組裝模塊開展比重分級去石機核心部件的拆裝和繪制結(jié)構(gòu)示意圖。通過工廠漫游模塊及糧油加工仿真系統(tǒng)開展比重分級去石機的仿真操作和技術(shù)參數(shù)調(diào)試，直觀探究比重分級去石機的開停機及風量、進料量等技術(shù)參數(shù)調(diào)試，幫助學生更深入地理解比重分選設備的結(jié)構(gòu)及操作調(diào)試方法。學生扮演制粉工角色在虛擬環(huán)境中嘗試比重分級去石機的拆裝及其操作調(diào)試，教師要觀察學生的虛擬仿真學習及操作過程，并對其實訓過程綜合評分，該部分占課程實訓總成績的25%。

在虛擬仿真實訓完成后，學生要參照比重分級去石機的結(jié)構(gòu)示意圖及操作規(guī)程，針對分級篩及去石篩面拆裝、篩面料層及風量控制、振動方向角讀取等問題進行現(xiàn)場實訓。各小組應利用比重分級去石機開展設備拆裝及操作調(diào)試的實踐練習，多角度探究問題答案并反復論證，形成實訓報告。本部分針對小組協(xié)作分工、任務實踐探究、設備操作規(guī)范等實訓情況，采用學生自評、組內(nèi)互評和教師評價的綜合評測方式，占課程實訓總成績的30%。

教學拓展活動需要學生再次開展比重分選設備的虛擬仿真練習，體會分析影響設備工藝效果的因素并將其整理提交至課程平臺，進一步鞏固和提升已掌握的知識和技能，完善整個知識體系。教師根據(jù)學生的拓展成果進行本部分考核評價，占課程實訓總成績的15%。

結(jié)語

本研究構(gòu)建的基于虛實結(jié)合的小麥加工技術(shù)虛擬仿真教學平臺，可實現(xiàn)身臨其境、情景互動、任務模擬、成果反饋等場景教學，與傳統(tǒng)的實訓環(huán)節(jié)相互補充，形成完整的實訓體系和實訓流程。利用該平臺的虛擬仿真實訓教學資源和考核評價標準，能夠使學生在整個小麥加工廠區(qū)的虛擬場景中自主開展人機交互，在營造的制粉工崗位職業(yè)場景中，參與企業(yè)的生產(chǎn)控制和設備操作，充分認知和掌握相關工藝原理及技術(shù)要求，調(diào)動參與課堂的積極性和主動性，加強對理論知識的理解和實操技能的掌握，增強學習效果［11-12］。

目前，小麥加工技術(shù)虛擬仿真教學平臺已應用于“小麥加工技術(shù)”課程的實訓教學。通過教師以及學生對平臺的反復使用，發(fā)現(xiàn)其在教學應用方面還存在一些不足，仍需在后期的更新和實踐中進一步完善。一是虛擬仿真實訓教學資源根據(jù)“小麥加工技術(shù)”課程的部分項目和任務，已經(jīng)內(nèi)置了設備拆裝及其技術(shù)參數(shù)認知、流程設計及其工藝要求認知等內(nèi)容，但缺少設備工藝效果調(diào)試的教學內(nèi)容，后期仍需結(jié)合真實的工作任務進一步補充和完善。二是虛擬仿真教學平臺目前只能在糧油食品虛擬仿真實訓中心使用，課程教師唯有在課堂上利用此平臺開展虛擬仿真實訓，無法拓展到學生課外學習和在線課程的職業(yè)技能培訓。后期將通過瀏覽器或局域網(wǎng)，實現(xiàn)快捷訪問虛擬仿真教學平臺，便于學生在互聯(lián)網(wǎng)隨時隨地學習，打破實體教學時間空間的限制，將學習有效延伸到課堂之外［13］。