現代化技術輔助糧食倉儲與加工虛擬仿真實驗教學特色平臺建設

摘" 要：為響應國家糧食安全戰略需求，順應國家糧食行業發展的趨勢，以糧食倉儲與加工虛擬仿真實驗教學特色平臺為切入點，從項目建設意義、建設目標、建設方案和項目效果等方面，探討如虛擬現實、人機交互等現代化信息技術和虛擬仿真技術在日常實驗教學中的應用和開發技術等。通過現代化信息技術輔助的虛擬仿真的實驗教學，不僅充分將專業理論學習和實踐技能充分融合，也是當前實驗教學改革的重要發展趨勢。

關鍵詞：糧食倉儲與加工；信息技術；虛擬仿真；實驗教學；平臺建設

中圖分類號：G434" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2023）07-0122-04

Abstract： In order to respond to the strategic demand of national food security and comply with the development trend of national food industry， this paper takes the characteristic teaching platform of virtual simulation experiment of food warehousing and processing as the starting point and， from the aspects of project construction significance， construction goal， construction plan， project effect and so on， discusses the application and development technology of modern information technology and virtual simulation technology in daily experiment teaching， such as virtual reality， human-computer interaction and so on. The experimental teaching of virtual simulation assisted by modern information technology not only fully integrates professional theoretical learning and practical skills， but also an important development trend of the current experimental teaching reform.

Keywords： food warehousing and processing; information technology; virtual simulation; experimental teaching; platform construction

實驗教學是專業教學中重要的組成部分，也是培養學生實際操作能力和專業素質的有效手段之一。傳統的實驗教學是專業教師對理論和實驗指導書的講解，學生依據對實驗項目理解，按課堂的實驗要求完成實驗。雖然傳統的實驗教學便于學生理解實驗宏觀結果，但是傳統實驗教學的“輕過程，重結果”在一定程度上也會導致學生主動學習的興趣減弱和實驗問題的分析思維固化。

近年來，隨著人工智能、虛擬現實等現代化信息技術的升級和應用，虛擬仿真技術得以迅速發展，虛擬仿真實驗教學也更多地應用到日常的實驗教學當中。虛擬仿真實驗平臺為日常實驗教學提供完整信息化模式、詳細的實驗模塊和沉浸式的實驗環境，同時也激發了學生的專業學習興趣，增進了實際工程問題的解決能力。

綜上所述，對于傳統教學過程中出現的問題，虛擬仿真技術可作為新工具解決上述問題并提升實驗教學效果。

1" 建設意義

1.1" 應對國家糧食安全戰略需求，順應糧食產業發展趨勢

當前，國際形勢盤根錯節，多邊主義與西方單邊主義交鋒碰撞，地區沖突及生物災害沖擊全球糧食供應，國際糧食市場的脆弱性明顯上升。只有充足的糧食儲備和庫存，強大的應急加工能力，才能扛起糧食安全的重任。作為高校要積極響應國家糧食安全戰略，以黨中央“以我為主、立足國內、確保產能、適度進口、科技支撐”為指引，將糧食倉儲及加工作為糧食安全保障工作的重要一環，工作重點也需從數量型向質量型和能力型轉變[1]。只有提高國家糧食儲備科技含量，才能為糧食倉儲的高效管理提供更有力的技術保障。

1.2" 主動融合學校發展需要，培養高質量人才

糧食學院（以下簡稱“我院”）作為江蘇科技大學的“三源”之一，秉承理論與實踐緊密結合的辦學理念，以國家糧食安全戰略為導向，以糧食倉儲與加工為自身特色，服務于糧食倉儲與加工行業，與周邊眾多開設食品科學專業的高校展開錯位競爭。為了提高專業教學水平，滿足糧食行業人才培養新需求，糧食倉儲與加工虛擬仿真實驗教學特色平臺的建設，將進一步發揮學院在糧食倉儲與加工領域的教學與科研優勢，確立糧食學院在全國高校和糧食行業中的地位。

在此基礎上，根據 《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》文件中關于“建立數字圖書館和虛擬實驗室”的精神[2]，結合國家級虛擬仿真實驗教學中心建設的總體要求和我院的辦學基礎，堅持“學生中心、產出導向、持續改進”原則，依托現代化先進技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境以達到所要求的認知與實踐教學效果。

本平臺突出虛實結合、資源共享，推動專業課程的教學技術變革，提高實驗教學水平，保證糧食行業高素質應用型人才的培養質量。

1.3" 以現代化技術為輔助，推動課程改革與創新

糧食倉儲與加工的發展離不開先進的技術作支撐。現代化技術與糧食產業的融合，能有效提升糧食產業的技術水平，實現糧食產業現代化、智能化的發展目標，有效確保了糧食的品質與健康[3]。新興技術必將使糧食倉儲信息的收集、處理和交換效率大幅提高，持續不斷推動糧食倉儲產業結構優化和技術升級，使國家糧食安全的保障能力大幅增強。充分發揮信息化、智能化優勢，建設高效實時的遠程視頻監控、糧情測控、可視化管理等系統，使儲備糧管理信息化、科學化和智能化，為糧食儲藏安全和高效管理提供更強有力的技術保障。

對于高校來說，人才培養必須熟悉糧庫的信息化建設。根據學院的糧食工程專業的工程教育認證要求，糧食工程專業培養方向涉及糧食儲藏技術和加工技術，需要學生具有解決工程問題的能力。所面臨的場景都是以復雜的大型設備、高大的廠房、高度密集聯合體及高危的熏蒸劑等，還有在面粉工廠會面臨易燃易爆及疫情等不確定因素，這些使實體模擬生產過程的實驗教學存在著巨大的困難和風險。因此，結合學院現階段發展情況，建立糧食倉儲與加工虛擬仿真實驗教學平臺為提高人才培養質量、滿足工程教育認證需要、推動課程改革和創新提供了有效手段和必要條件。

2" 建設目標

為了更好地實現教學平臺建設，圍繞糧食進出倉可視化模塊與糧食倉儲、糧食加工、食品工程原理、專業實訓4個虛擬仿真實驗教學模塊開展建設，如圖1所示。

糧食進出倉是糧食工程專業學生必須掌握的基本技能，依據糧食運輸方式不同可分為房式倉進出倉工藝、淺圓倉進出倉工藝、輪船來糧進出倉工藝和散裝火車來糧進出倉工藝。以前，傳統的理論教學和生產實習時間周期較長，學生難以從孤立的知識點向實踐能力有效轉化，以達到實踐創新能力培養的目的[4]。糧食進出倉可視化實驗教學平臺通過現場實物模型演示，從視覺的角度展現出不同糧食運輸方式下進出倉工藝流程，加強學生對糧油倉儲工藝知識的掌握。在此基礎上，建設糧食倉儲、加工虛擬仿真實驗教學模塊，集合糧油儲藏基礎、害蟲防治基礎、供電自動化控制原理、通風除塵與物料輸送、糧油加工與檢測技術和監控組態軟件等知識為一體。通過一系列的實踐性環節，讓學生了解糧油儲藏和加工的原理、工藝流程及操作方法，將專業學習的碎片化知識整合起來用于專業實踐中。學生學習工程原理理論知識，自己動手完成各個工序的動作控制流程，學生理論聯系實際、綜合應用知識的能力得到加強。同時采用先進的設計理念和教育技術，研究開發開放式虛擬仿真實驗教學平臺，將傳統教學環境升級為數字化網上實驗教學環境，為后續的理論學習夯實了基礎。

食品工程原理及專業實訓虛擬仿真實驗模塊，以“儲糧基地和糧食工廠生產”為主線目標，全面模擬倉儲、工業裝置的完整運行過程，在課程實踐過程中以在崗人員的職業規范標準要求學生。其運行完全模擬實際工業裝置生產運行秩序和狀態，學生的行為也必須完全遵循企業的員工崗位要求和操作規范。與此同時，進一步設置教師站和學員站，配備智能操作、智能評分及專家診斷系統等實現實習數據收集、信息發布、課堂實時互動和成績評定等功能，達到顯著示范的實驗教學效果。

此外，在各虛擬仿真模塊中融入具有不可重復性、偶發性和不確定性因素的特定事件，使學生能夠通過專業綜合知識解決實際突發問題，從而培養學生的創新能力。

3" 建設方案

3.1" 糧食進出倉可視化模塊

糧食進出倉可視化實驗模塊建設涵蓋糧食進出倉常見的4個工藝流程，即：房式倉進出倉工藝、淺圓倉進出倉工藝、輪船來糧進出倉工藝和散裝火車來糧進出倉工藝。通過采用可視化剖面、光電、動態和程序控制演示等技術真實再現完整的糧食進出倉工藝流程，加深學生對糧油倉儲工藝學知識的掌握。

3.2" 糧食倉儲虛擬仿真模塊

糧食倉儲虛擬仿真模塊以相對應專業課程理論知識為基礎，融合虛擬仿真技術，將其應用到日常理論課和實驗課的專業教學活動中。模塊分為認知、技術和實踐3個方面，涵蓋11個主題的實驗教學體系[5]，如圖2所示。

模塊里包含儲糧生態系統中的生物數字切片系統。通過利用數字顯微鏡，結合配套掃描軟件建立數字化儲糧生態系統的生物成分切片庫，可以具體展現糧食籽粒結構、微生物及害蟲的形態。通過模擬糧食籽粒的萌芽與后熟現象，可以全面地展現儲糧生態系統中生物的種類及其形態特征。

系統采用GIS地理信息系統技術，模擬糧庫場景內的各個倉室位置，根據糧食堆放方式不同的實際倉儲設施，利用三維立體建模軟件進行建模，構建完全相同的糧庫三維可視化場景，可在實際虛擬仿真教學中查看糧食倉儲信息及運行情況、相關業務信息等，提高日常科研教學活動情景化。結合糧食產業相關領域取得的先進技術和科研成果，建立糧食儲藏技術虛擬仿真實驗平臺，通過模擬實際儲糧過程中的干燥、通風、密閉、低溫儲藏和氣調儲藏等具體環節來增強課程實驗效果的直觀性。

在此基礎上再針對不同儲藏環境中的儲糧生態系統的變化，進行人工調節，學生可以設定實驗條件，如溫度、濕度和氣體種類等，觀察整個儲糧生態系統的變化，自主尋找糧情變化的原因結合糧食儲藏技術制定控制措施[5]。通過模擬設備運行過程，設定每次模擬特定種類的設備和實際運行環境，包括糧情、倉窗、風機、空調和氣象站等；模擬發生糧食安全事故的應急處理操作，可有效降低工廠實踐過程中的安全風險。通過系列課程學習可以增強學生在日常安全生產中的應急防范能力和自我保護意識。

3.3" 糧食加工虛擬仿真模塊

糧食加工虛擬仿真模塊依托小麥制粉工藝、油料浸出工藝等具體實踐教學項目，根據實際生產設備與環境設施搭建虛擬仿真實驗環境。學生在VR虛擬現實環境中通過人機交互設備觀察環形浸出器內部結構與工作原理，通過調節入浸料坯水分含量、調節溶劑預熱溫度改變浸出溫度、調節拖鏈輸送帶的轉速改變浸出時間及調節溶劑泵流量改變溶劑比，觀察系統反饋的粕殘油、混合油濃度等反映浸出效果的數值，判定各種浸出條件對油料浸出效果的影響，并優化出最佳的浸出工藝條件。

在虛擬工廠環境，學生可通過人機交互設備觀察各設備的結構與工作原理，了解不同設備在小麥制粉工藝中的實際作用，如原糧清理設備的類型和工藝順序，小麥著水方式和潤麥時間，磨粉機的磨輥類型和軸距等。通過觀察系統模擬得到的凈麥水分含量、面粉粒度、白度和灰分等產品指標值，學生能夠判斷各種制粉工藝參數對制粉效果的影響，從而優化得到最佳的制粉工藝和參數。

在虛擬環境中，學生可以通過自行設計實驗方案，調節虛擬儀器參數，模擬真實的有關單元操作實驗過程，并對實驗現象進行觀察。

3.4" 食品工程原理虛擬仿真模塊

建立良好的人機交互系統界面及形象生動的教學軟件系統。系統包括以下內容：流體流動阻力測定、換熱器傳熱系數測定、干燥曲線測定虛擬仿真系統、恒壓過濾常數測定、數字化篩板精餾實驗系統和數字化填料吸收塔實驗虛擬仿真系統。

3.5" 專業實訓虛擬仿真模塊

基于中科怡海的智慧糧倉軟件開發基礎上（圖3），利用三維可視化、VR虛擬現實體驗式教學實驗、智慧糧庫系統，依據糧食工程專業課程體系和工程實訓的特點，構建實驗系統，分為3個系統和7個虛擬仿真模塊。在此基礎上，并對該模塊的功能進行細分與建設，設置虛擬糧倉。依據儲糧基地和糧食工廠生產相關場景，建立以下實訓虛擬仿真部分：系統用戶管理、實驗管理、實驗演示、實驗指導、實驗操作、實驗測評和幫助指南等。

3.5.1" 儲糧基地糧情監測與管理系統

糧情實時監測是倉庫保管員日常工作的主要內容，同時也是倉儲企業確保糧食儲藏品質的重要手段。該平臺可使學生能對每日糧情變化進行掌控，在情境中設置溫度、濕度異常時應如何進行處理，以及怎樣操作規范等問題，通過操作使學生掌握倉儲過程中常規性問題的處理方法。

3.5.2" 糧倉害蟲預警與防治管理實驗項目系統

糧倉儲糧害蟲是危害糧食安全的重要風險因子，蟲害防治也是糧庫生產過程中重要的一環。該平臺將導入害蟲提前預警模塊、環流熏蒸模塊，在情境中設置害蟲感知、預警和熏蒸等操作技能與方法，通過虛擬仿真操作，使學生掌握倉儲過程中害蟲防治的一般性問題處理方法。

3.5.3" 大米加工生產實驗系統

糧油加工是糧食工程綜合訓練課程重要內容之一，該模塊對大米加工的生產單元進行高度仿真，使學生能夠對大型設備進行拆分與裝配，能夠準確核算生產物料，對設置的異常情況能夠找出合理的解決方案，提高學生動手解決實際工程問題的能力。

4" 項目效果

4.1" 融合高校和產業發展需要，培養應用型人才

以糧食倉儲與加工虛擬仿真實驗教學平臺為基礎，可深化我院與當地糧食和物資儲備局的溝通合作，突出應用驅動、資源共享的特點，建立糧食行業高級人才培訓基地，充分發揮信息化、智能化的優勢，推動專業課程的教學技術變革，提高實驗教學水平，保證糧食行業高素質應用型人才的培養質量。同時，可為糧食行業發展培訓新型高素質應用型人才，為原有行業人才在技能水平提升、新技術培訓和智能化管理學習上提供進步的空間。

4.2" 構建智慧、低碳和可持續發展教學特色平臺

目前，大多數高校實驗室存在高污染、高能耗和資源浪費的情況。在現階段“雙碳”政策大背景下，構建智慧、低碳及環保的實驗室成為重中之重。

在傳統的課程實驗中，使用傳統的實驗方法和設備，既造成了材料和試劑的浪費，又污染了實驗環境[6]。虛擬仿真平臺的應用不僅可以避免在實際生化實驗中的化學污染和廢棄物污染，也可以減少實際實驗教學中的風險。

4.3" 開放共享平臺，培養學生創新實踐能力

利用虛擬現實、人機交互和大數據等多種現代化輔助技術，通過多種實驗虛擬仿真教學系統模塊，為學生提供一個開放共享的虛擬實驗環境。教師可使用虛擬仿真平臺，激發學生的學習興趣，引導學生獨立思考，提出問題，開展探究實驗，設計實驗方案，參與實驗過程，驗證實驗結果。虛擬仿真實驗有助于學生通過各種因素之間的聯系進行分析研究，從中找出規律，建立自己的思考模型，參與到自身知識體系構建，從而形成科學研究的過程或方法[7]。

5" 結束語

在后疫情、技術不斷變化大背景下，機遇與風險并存，對虛擬仿真實驗教學特色平臺的有效利用，無論是在專業課程改革、應用型人才培養方面，還是在高校的實驗方法也在不斷打破傳統形式方面，都顯得尤其重要，隨著現代化技術不斷地創新，虛擬仿真平臺的作用也會不斷地提升[8]。

參考文獻：

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[2] 王衛國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索，2013，32（12）：5-8.

[3] 王敬鋒.“互聯網+農業”背景下綠色糧食產業發展路徑研究[J].糧食科技與經濟，2020，45（1）：25-27.

[4] 孫康寧，于化東，梁延德.基于新工科的知識、能力、實踐、創新一體化培養教學模式探討[J].中國大學教學，2019（3）：93-96.

[5] 李雪，高紅梅，郭元新.“糧食儲藏”課程虛擬仿真實驗教學模式初探[J].農產品加工，2019（9）：103-104，107.

[6] 高弘.綠色實驗室建設中存在的問題和改進措施[J].中國現代教育裝備，2014（22）：23-25.

[7] 王曉立，譚勇.創新實踐人才培養中物流虛擬仿真實驗教學的探索[J].物流科技，2021，44（11）：172-174，178.

[8] 孫成鵬，齊艷，張寶暻，等.基于創新創業教育的藥學虛擬仿真教學平臺的構建[J].中國中醫藥現代遠程教育，2020，18（5）：163-164.