虛擬仿真技術在農產品加工與貯藏專業教育和實踐中的應用研究

楊舒涵，雒滿虹，張 焱

（天津科技大學食品科學與工程學院，天津 300457）

信息技術的蓬勃發展帶來了一批又一批的互聯網用戶，且互聯網用戶畫像范圍更加年輕化。為了使互聯網技術更加便捷，移動互聯網技術順勢而生。移動互聯網技術將移動通訊與互聯網有機結合起來，使互聯網技術方便各種互聯網用戶的需求。隨著互聯網的發展，該技術輻射到生活中的各個產業，其中就包括了教育產業。傳統教育模式正在被移動互聯網技術悄然改變，改變的契機就在2012 年移動互聯網大會之后。移動互聯網教育充分發揮了其高效性、實時性、共享性，將知識打破時間與空間的桎梏，分享到互聯網這個共通的平臺，十分便捷地在平臺上傳播，提高了互聯網用戶獲取知識的效率。移動互聯網教育技術的進步，深刻影響了傳統教育模式。越來越多的教師選擇線上授課方式，不但使之成為各高校的輔助授課方式之一，更普及于高校教學中，而且使線上教育迅速發展成一個產業，多種線上教育資源的匯聚，為獲取不同知識需求的人們鋪了一條通往知識寶庫的康莊大路。

1 虛擬仿真技術

虛擬仿真技術是信息技術發展的必然趨勢，虛擬仿真技術是一種用計算機技術構建的可以更改和體驗的虛擬世界系統。虛擬仿真技術是由計算機技術視覺心理學、仿真技術、多媒體技術、傳感與測量技術等多種高新技術交織成的成果。系統仿真技術最出色的點在于其逼真性和實時交互性。自2017 年，教育部辦公廳統籌規劃到2020 年認定1 000 項左右示范性虛擬仿真實驗教學項目。2020 年教育部職成司正式發布《關于開展職業教育示范性虛擬仿真實訓基地建設工作的通知》，明確提出建設100 個示范性虛擬仿真實訓基地。近年來，虛擬仿真技術已在高校初見成果，但是仍未全面普及在各高校系統中。虛擬仿真技術在高校中既可用來建設現代化數字校園，便于整理相應圖書館藏，進行數字化管理校園，又可以模擬校園真實場景，在校園未開學或封閉的情況下，為想要了解該高校校園環境和館藏圖書的學生和社會面人士打開了數字化校園。對于教師來說實施虛擬仿真教學與傳統教學相結合，轉變傳統的教學觀念同時可以豐富實驗教學方法。將虛擬仿真技術加入線上課程，實現了知識的可視化且與現實企業行業相結合能夠更加直觀參加到企業產品開發的過程中，更好地使知識與實踐相結合，進一步達到“知行合一”的地步。

高校對虛擬仿真進行實踐課程進行大力支持和推行，對高校教育主要有以下幾點優勢：①對于學生無法進行實踐課程提出了有效的解決方案，也解決了實地實踐教學的一些難題，如人員聚集、安全隱患、實習學生和教師出行費用等。探索實習、實訓等實踐課程教學新途徑、以確保實踐教學質量、切實提升人才培養質量成為工科專業發展的必然趨勢[1]。②緊跟新時代潮流，與時俱進。可圍繞當下最先進、最頂尖的工藝、技術、設備等，將其融入虛擬仿真的實踐教學中，激發學生的好奇心，促使學生可主動地去了解這些前沿的知識。另外，還可將這些知識點生成二維碼，學生可隨時隨地去了解，可最大程度地幫助其鞏固所學的知識。③對于新時代的高校學生，相較于書本、報紙等紙質性的東西，可能會更大程度地接受、學習網絡，虛擬仿真可滿足學生對這方面的需求。一方面虛實結合，多方面的教學可給學生更好的學習體驗；另一方面也能培養學生的創新能力，學生走出校園就會有明顯的市場競爭力。

從教育擁抱科技的趨勢及現有的發展情況看，虛擬仿真技術與線上教育課堂的建設將會進一步推動高校教育教學的改革，也將成為未來教學中的重要一環。

2 虛擬仿真技術的應用

2.1 高校

實踐課程是高等教育中工科類專業培養方案中的重要的部分，對培養學生實踐能力、工程素養、完善學生專業知識體系具有至關重要的作用。相較于理論課程，實踐課程最大的特點就是將所學知識融會貫通，學生可通過實踐檢驗理論課程中所學到的知識點，也可捕捉到一些理論課程上涉及不到的盲區；同時，實踐課程是需要特定的環境和專業的教學條件，才能讓學生身臨其境，最大程度感受實踐課的魅力所在。

2.2 教師

師者，傳道授業解惑也。教師是學生接受、學習專業知識唯一的窗口。新時代背景下，知識的不斷更迭也在促使教師不斷學習新的知識，接受最先進的教育理念[2]。在推進虛擬仿真實踐課程之前，教師要制定詳細的教學計劃，提前發給學生，明確學生在開始課程之前應做的準備。

教師在進行實踐課程時采取引導式教學，循序漸進地開展課程，激發學生的求知欲，才能讓學生更加主動地參與課程并完成相關知識點的學習。由于虛擬仿真技術剛開始出現在學生的認知范圍內，對此肯定有很多疑問，所以教師在線下要積極與學生溝通，一起與學生進行仿真技術的學習。便于教師管理和答疑，可以將工程師與學生建立微信答疑群，每個學生在群里可提出自己的疑問，教師和工程師可以在線答疑。

以葵花籽油加工為例，教師借助虛擬仿真平臺指導學生進行葵花子油的加工實踐。通過虛擬仿真平臺加載的烘干機、脫殼機、滾筒炒籽機、螺旋榨油機等機械設備對原料葵花籽進行篩選清洗、烘干、脫殼、炒籽、壓榨等初步處理。為了保持葵花籽油的香味，對壓榨過后的葵花籽毛油進行精煉。通過虛擬仿真平臺加載的自動排渣過濾機、冷卻鍋、結晶鍋、阿瑪濾機、布袋過濾機進行最終的精煉處理。學生通過虛擬仿真平臺熟悉葵花籽油的加工過程及相關機械設備，加深食品加工機械工作原理及內部結構在實際生產線中的應用，也可比較同類設備的異同。

進行虛擬仿真實踐課程考核時，教師不能僅限于實踐知識的考核，還要將理論加入考核范圍，理論結合實踐，才能更好地考核學生的專業學習能力。歸根結底，虛擬仿真還是不同于傳統的實習，學生只能在虛擬仿真課程中想象自己對于工廠的大概布局，無法精準地認識到糧油加工工廠每一個設備布局的原因。因此，教師在完成課程以后要進行教學反思，回憶課程從開始到結束每一環節中有沒有出現紕漏，如果存在要及時提出解決方案，如果沒有，教師還可多想一些如何更好地推進虛擬仿真實踐課程進行的好方法，最重要的是要讓學生更加主動地了解虛擬仿真，并產生濃厚的興趣，甚至可對虛擬仿真有自己獨到的見解。

2.3 學生

對于農產品加工與貯藏大學生來說，實驗是一項必不可少的專業技能，在大學期間一定會動手操作幾種儀器或者試劑。由于各種原因的限制，如課堂時間有限、儀器較為貴重、試劑較為危險，課堂上并不是每一個學生都能親手操作[3]。虛擬仿真平臺對農產品加工與貯藏專業的學生有以下幾個優勢。

2.3.1 降低實驗過程中的成本

在實驗課堂上，因為部分實驗器材較為昂貴，操作復雜，且較易損壞，導致在課堂上并不能普遍使用；或者有些儀器使用受制于課堂時間長度并不能在課堂上完整地運行儀器。此時，將虛擬現實技術搬進實驗室，學生便可如身臨其境，切身實地地操作虛擬實驗儀器，擺脫實驗成本困擾[4]。并且，在虛擬仿真實驗室里進行操作，操作結果可實時反饋至教師終端，便于教師仔細觀察每一位學生的操作細節，教師可通過系統終端，將學生的操作情況反饋回到學生手中，學生也可以根據教師的反饋結果及時判斷自己操作的正誤。在這種情況下，假使學生操作出現一些紕漏疏忽，也不會對真正的實驗儀器造成損壞。在虛擬實仿真驗室，可不受空間的限制，接上終端便是實驗室，實驗流程不用固守流程，隨時可終止、跳過、重復，直到操作出成功案例。改變了傳統實驗由教師演示或者視頻解說這一模式，高效解決了實驗條件和實驗效果之間的矛盾。

2.3.2 規避一些由危險化學品帶來的傷害

在化學、生物實驗中經常會用到一些危險化學品，這些產品有著易爆、易燃、易制毒、感染、腐蝕、放射性和危險性等其他危險特性。在實驗操作中，可能會因為通風、操作失誤、防護不到位造成一些試驗失誤或者事故發生，從而危害到實驗室內師生的人身健康安全。在虛擬仿真實驗室中則完全可以規避這些危險發生，不會因為操作失誤或是其他原因導致人身事故發生。

2.3.3 幫助學生完成課前預習以及課后復習

在課前，學生通過虛擬仿真實驗室接觸所做實驗相應的儀器和試劑，更加直觀高效[5]。在虛擬仿真實驗室進行預實驗，可給學生真實的體驗感，構建整體實驗框架，規避預實驗所犯錯誤，節省實驗所需時間。對于一些在實際操作中犯的錯和實驗結果不太理想的狀況下，學生仍舊可在課后通過虛擬仿真實驗室進行糾錯并反復練習一些操作或者借助實驗室終端反推試驗錯誤，認清錯誤以便避免下次再犯。同樣，可加深學生對實際實驗的操作理解，更加深刻理解實驗原理和部分實驗步驟。

2.3.4 提升學生學習深度和廣度

鑒于互聯網技術的發展，網絡上的知識呈現實時性及共享性，虛擬仿真實驗室不再受制于時間及空間的限制，所有虛擬實驗室都可進入且進行相應的實驗學習，不受學科的限制、不受時間的限制。學生在完成基礎的學業學習后，可自發對感興趣的試驗方向進行學習。未來，大型的虛擬仿真實驗室所搭載的終端可容納越來越多有學習需求的人，在學習的同時可在線上實時與其他學習者進行交流解答疑惑。

2.3.5 增加試驗趣味性

一部分學生在做實驗時過于小心翼翼，并不能享受到實驗的樂趣與魅力。在虛擬仿真實驗室中，學生可大膽試錯，勇于進行嘗試，在終端上也可設置相應的知識彩蛋，鼓勵學生進行自主學習，還可設置虛擬仿真實驗室全平臺大型競賽、演講匯報等活動，大大提升學生學習樂趣。

2.3.6 多終端登錄學習

高校開展線上教學。學生在家里參加線上學習的同時，相應的實驗課程可能會被壓縮或者減少。在虛擬仿真實驗室平臺上，學生可在家通過相應的端口進入虛擬實驗室中進行學習，在家也可進行模擬式操作，學習進度不落人后。

3 結語

虛擬仿真實驗堅持“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則，以優化共享優質教學資源、服務專業實驗教學為目標，以提高學生實踐能力和創新精神為核心，依托學院實驗教學示范中心的建設，將虛擬仿真實驗與課程教學、大學生創新創業訓練計劃項目深度融合，使其成為創新創業教育體系的有機組成部分，在同類專業課程中有重要的示范作用和推廣價值[6]。高校針對農產品加工與貯藏專業的實踐教學引入虛擬仿真技術，與理論知識相結合，讓學生有了一些全新的體驗，提升了實踐教學的質量，為農產品加工與貯藏方向的人才培養提供有力支撐。