中西部涉農(nóng)高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索-以“飼料加工工藝及設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”課程為例

涉農(nóng)高校在新農(nóng)科建設(shè)的背景下，以培養(yǎng)能夠適應(yīng)和引領(lǐng)新時(shí)代農(nóng)業(yè)發(fā)展需要的創(chuàng)新型復(fù)合型人才為目標(biāo)，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)提出了更高的要求。2018年4月，教育部印發(fā)的《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》提出了要“堅(jiān)持信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合”［1］。伴隨著新一輪的涉農(nóng)高校教育改革，“互聯(lián)網(wǎng)+”教學(xué)模式更加多樣化及系統(tǒng)化［2］。實(shí)驗(yàn)教學(xué)在創(chuàng)新人才培養(yǎng)中具有極其重要的地位［3-4］。中西部涉農(nóng)高校作為地方發(fā)展及鄉(xiāng)村振興應(yīng)用型人才培養(yǎng)的“搖籃”，也將實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提上了重要日程。隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)日臻成熟，并在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中廣泛應(yīng)用［5-6］。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索是實(shí)現(xiàn)新農(nóng)科高校教學(xué)改革和人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要舉措。依托云畜牧創(chuàng)新平臺(tái)，利用三維仿真及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建的“飼料加工工藝及設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”課程，堅(jiān)持“以學(xué)生為中心”的教育理念，更新仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，創(chuàng)新教學(xué)手段方法，改革考核評(píng)價(jià)方式，積極探索信息化時(shí)代下中西部涉農(nóng)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革模式和架構(gòu)，以期為中西部涉農(nóng)高校其他學(xué)科實(shí)驗(yàn)課程群的教學(xué)改革提供一定參考。一、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題實(shí)驗(yàn)教學(xué)是農(nóng)學(xué)教育不可或缺的組成部分。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)多以教師講授為主，學(xué)生按部就班地進(jìn)行單一、相同的實(shí)驗(yàn)操作，難以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的模式化，無(wú)法跟上時(shí)代的步伐，學(xué)生無(wú)法在學(xué)時(shí)內(nèi)全面了解農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的相關(guān)知識(shí)。在既有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和條件下，學(xué)生難以學(xué)習(xí)教師演示以外的其他知識(shí)內(nèi)容，缺少知識(shí)拓展和教學(xué)資源的共享?！帮暳霞庸すに嚰霸O(shè)備”課程是高等農(nóng)林院校動(dòng)物科學(xué)專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)課，要求學(xué)生掌握飼料加工設(shè)備及工作原理、飼料加工工藝等內(nèi)容，涉及多學(xué)科交叉內(nèi)容，實(shí)踐性較強(qiáng)［7］?，F(xiàn)代化飼料企業(yè)從原料進(jìn)入到成品打包都是全封閉過(guò)程，實(shí)踐教學(xué)基地遠(yuǎn)，學(xué)生出入不方便，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)并不能使學(xué)生理解抽象的機(jī)械知識(shí)和飼料廠的全業(yè)務(wù)流程。引入虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，不僅能將現(xiàn)代化飼料廠的規(guī)劃布局、工藝流程、加工技術(shù)直觀地融入教學(xué)過(guò)程，推動(dòng)線上實(shí)踐教學(xué)基地的建立，而且模擬演練的方式更能夠鍛煉學(xué)生的思考分析能力、判斷決策能力，從而達(dá)到提升學(xué)生綜合實(shí)踐能力的目的。二、“飼料加工工藝及設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”課程設(shè)計(jì)（一）仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)“飼料加工工藝及設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”課程以世界500強(qiáng)企業(yè)飼料加工廠為設(shè)計(jì)藍(lán)本，將現(xiàn)代化的飼料廠場(chǎng)景、生產(chǎn)設(shè)備和先進(jìn)的加工工藝虛擬化，更新了仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)代飼料生產(chǎn)技術(shù)同步。將虛擬仿真技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，可以有效提高課程的趣味性。課程知識(shí)體系如圖1所示。圖1“飼料加工工藝及設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”課程知識(shí)體系（二）教學(xué)過(guò)程組織新形勢(shì)下，為保障教學(xué)工作的順利開(kāi)展，創(chuàng)建的“飼料加工工藝及設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”課程在教學(xué)組織過(guò)程中，提供了沉浸式大屏、沉浸式VR小組協(xié)同交互和VR瀏覽器三種學(xué)習(xí)方式。教學(xué)過(guò)程中發(fā)揮學(xué)生主體的作用，采用沉浸式體驗(yàn)、角色扮演的方式，以更加生動(dòng)、形象的形式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，豐富課堂教學(xué)環(huán)境，強(qiáng)化學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。課程面向全國(guó)涉農(nóng)高校開(kāi)放共享，以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的時(shí)間、空間、對(duì)象、過(guò)程和內(nèi)容的五維共享。（三）教學(xué)模式與考核評(píng)價(jià)“飼料加工工藝及設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”課程創(chuàng)新了線上線下、異地協(xié)同虛擬仿真教學(xué)模式，打破了時(shí)間、空間和教育群體的限制，使學(xué)生可以隨時(shí)隨地進(jìn)行飼料加工過(guò)程模擬演練，有效解決實(shí)踐基地遠(yuǎn)、實(shí)踐教學(xué)難的問(wèn)題。課程改革評(píng)價(jià)方法，采取師生雙向教學(xué)過(guò)程和學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)，開(kāi)展基于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，及時(shí)反饋教學(xué)效果，推動(dòng)教學(xué)質(zhì)量的提升。三、“飼料加工工藝及設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”課程實(shí)踐（一）仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)應(yīng)用模塊。1.飼料生產(chǎn)加工過(guò)程認(rèn)知模塊。學(xué)生在該模塊內(nèi)漫游虛擬化的飼料生產(chǎn)基地，了解飼料廠區(qū)整體布局和車(chē)間內(nèi)部構(gòu)造。進(jìn)入飼料加工車(chē)間后，學(xué)生根據(jù)流程圖學(xué)習(xí)飼料加工內(nèi)容。具體操作為點(diǎn)擊某一項(xiàng)工作流程，即動(dòng)態(tài)展示加工過(guò)程、顯示工作原理工藝參數(shù)、操作方法和注意事項(xiàng)等，使學(xué)生更為直觀地認(rèn)識(shí)飼料加工工藝流程。2.飼料加工設(shè)備認(rèn)知模塊。飼料加工設(shè)備認(rèn)知模塊展示生產(chǎn)線上主要設(shè)備的三維結(jié)構(gòu)圖、工作原理、主要部件的工作原理和三維結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵工藝設(shè)備可拆除、安裝、旋轉(zhuǎn)等操作，同時(shí)提供設(shè)備日常運(yùn)行注意事項(xiàng)等文字輔助屬性描述。在該模塊內(nèi)，學(xué)生利用VR技術(shù)的可互動(dòng)性和交互性特點(diǎn)，可對(duì)重要設(shè)備（如錘片式粉碎機(jī)、回轉(zhuǎn)分級(jí)篩、槳式混合機(jī)、環(huán)模制粒機(jī)）進(jìn)行深度拆解和組裝，同時(shí)配合相關(guān)知識(shí)點(diǎn)考核，對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)操考核。3.顆粒飼料加工工藝設(shè)計(jì)模塊。顆粒飼料加工工藝設(shè)計(jì)模塊虛擬了飼料原料，如玉米、麩皮、豆粕等，并預(yù)設(shè)了工藝參數(shù)，如粉碎粒度參數(shù)、調(diào)制參數(shù)、制粒參數(shù)等。在該模塊內(nèi)，人機(jī)交互操作涵蓋原料入庫(kù)、除雜、粉碎、配料、混合、制粒、打包等生產(chǎn)環(huán)節(jié)。通過(guò)教師的講解與引導(dǎo)，學(xué)生可沉浸式地進(jìn)入飼料生產(chǎn)基地，以角色扮演的方式完成生產(chǎn)任務(wù)，以此來(lái)全面了解現(xiàn)代化飼料企業(yè)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生與企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐的無(wú)縫對(duì)接。4.顆粒飼料品質(zhì)檢測(cè)模塊。顆粒飼料品質(zhì)檢測(cè)模塊包括顆粒飼料水分測(cè)定、硬度測(cè)定、粉化率測(cè)定和耐水性測(cè)定內(nèi)容。在該模塊內(nèi)，學(xué)生可以在仿真環(huán)境中對(duì)顆粒飼料的粒度相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，學(xué)生可分組討論、互動(dòng)交流，具有“開(kāi)放性、交互性和易操作性”。（二）教學(xué)過(guò)程組織1.課前預(yù)習(xí)。學(xué)生課前通過(guò)VR瀏覽器方式進(jìn)入“飼料加工工藝及設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”課程，預(yù)習(xí)PPT，沉浸式地參觀虛擬仿真飼料廠，了解廠區(qū)布局、體驗(yàn)飼料加工工藝過(guò)程。在課前預(yù)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生還可以與教師進(jìn)行交流互動(dòng)，教師也可以根據(jù)學(xué)生的問(wèn)題進(jìn)行課堂內(nèi)容的調(diào)整。2.線上線下、異地協(xié)同虛擬仿真教學(xué)。課堂設(shè)計(jì)思路見(jiàn)圖2。課程采用線上線下、異地協(xié)同的教學(xué)模式組織教學(xué)。學(xué)生可通過(guò)佩戴3D眼鏡，進(jìn)入沉浸式VR大屏模式，跟隨教師的VR視角進(jìn)入飼料廠虛擬仿真場(chǎng)景中，學(xué)習(xí)從飼料原料進(jìn)庫(kù)到飼料產(chǎn)品出庫(kù)的生產(chǎn)過(guò)程，包括設(shè)備維護(hù)、顆粒飼料加工工藝及產(chǎn)品檢測(cè)等內(nèi)容，并進(jìn)行隨堂測(cè)試，使學(xué)生掌握完整的飼料加工知識(shí)體系。學(xué)生完成知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)任務(wù)后，可進(jìn)入沉浸式VR小組協(xié)同交互模式進(jìn)行虛擬仿真模擬演練。學(xué)生通過(guò)扮演不同的角色完成相應(yīng)的工作任務(wù)，來(lái)全面了解飼料廠全業(yè)務(wù)流程，對(duì)重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行反復(fù)學(xué)習(xí)和操作演練，不僅節(jié)約了實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，還身臨其境地參與到企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中。模擬演練過(guò)程中，每一步操作失誤或疏漏則無(wú)法進(jìn)入下一環(huán)節(jié)，直至故障解除。這樣的課堂設(shè)計(jì)提高了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，鍛煉了學(xué)生的思考分析能力、判斷決策能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，從而提升了學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。圖2課堂設(shè)計(jì)思路3.課后復(fù)習(xí)。課后復(fù)習(xí)以小組（5～6人為一組）分組討論、課后模擬演練、課后習(xí)題等方式進(jìn)行沉浸式復(fù)習(xí)。小組討論以交流學(xué)習(xí)內(nèi)容、分享模擬演練遇到的問(wèn)題以及如何解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題為主要內(nèi)容。（三）考核評(píng)價(jià)傳統(tǒng)的課程多通過(guò)試卷考試或?qū)嶒?yàn)報(bào)告的形式進(jìn)行考核，考核評(píng)價(jià)單一，只重視文字材料而忽視了學(xué)生實(shí)踐操作能力的考核［8］。“飼料加工工藝及設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”課程采用師生雙向教學(xué)過(guò)程和學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)，基于線上線下教學(xué)過(guò)程數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)過(guò)程數(shù)據(jù)、師生互動(dòng)數(shù)據(jù)等，開(kāi)展基于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，及時(shí)反饋教學(xué)效果。為全面考核知識(shí)、能力等目標(biāo)的達(dá)成情況，對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合考核?？己酥饕ㄗ灾鲗W(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)，虛擬仿真模擬演練、參與互動(dòng)情況、考勤情況、隨堂提問(wèn)、課后習(xí)題、實(shí)驗(yàn)報(bào)告。課程組教師圍繞教學(xué)過(guò)程及教學(xué)效果進(jìn)行研究與討論，總結(jié)教學(xué)方法與教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，保障課堂教學(xué)質(zhì)量。在疫情防控時(shí)期，該課程在配合教師理論教學(xué)和完善飼料廠生產(chǎn)實(shí)踐環(huán)節(jié)上發(fā)揮了重要作用