中西部涉农高校虚拟仿真实验教学探索-以“饲料加工工艺及设备虚拟仿真实验”课程为例

涉农高校在新农科建设的背景下，以培养能够适应和引领新时代农业发展需要的创新型复合型人才为目标，对学生创新实践能力的培养提出了更高的要求。2018年4月，教育部印发的《教育信息化2.0行动计划》提出了要“坚持信息技术与教育教学深度融合”［1］。伴随着新一轮的涉农高校教育改革，“互联网+”教学模式更加多样化及系统化［2］。实验教学在创新人才培养中具有极其重要的地位［3-4］。中西部涉农高校作为地方发展及乡村振兴应用型人才培养的“摇篮”，也将实验教学改革提上了重要日程。随着信息技术的高速发展，虚拟仿真技术日臻成熟，并在实验教学中广泛应用［5-6］。虚拟仿真实验教学探索是实现新农科高校教学改革和人才培养目标的重要举措。依托云畜牧创新平台，利用三维仿真及虚拟现实技术创建的“饲料加工工艺及设备虚拟仿真实验”课程，坚持“以学生为中心”的教育理念，更新仿真实验内容，创新教学手段方法，改革考核评价方式，积极探索信息化时代下中西部涉农高校实验教学的改革模式和架构，以期为中西部涉农高校其他学科实验课程群的教学改革提供一定参考。一、传统实验教学存在的问题实验教学是农学教育不可或缺的组成部分。传统的实验教学多以教师讲授为主，学生按部就班地进行单一、相同的实验操作，难以提高学生的实验技能。实验教学内容的模式化，无法跟上时代的步伐，学生无法在学时内全面了解农业现代化的相关知识。在既有的实验教学资源和条件下，学生难以学习教师演示以外的其他知识内容，缺少知识拓展和教学资源的共享。“饲料加工工艺及设备”课程是高等农林院校动物科学专业一门重要的专业课，要求学生掌握饲料加工设备及工作原理、饲料加工工艺等内容，涉及多学科交叉内容，实践性较强［7］。现代化饲料企业从原料进入到成品打包都是全封闭过程，实践教学基地远，学生出入不方便，传统的实验教学并不能使学生理解抽象的机械知识和饲料厂的全业务流程。引入虚拟仿真技术进行实验教学改革，不仅能将现代化饲料厂的规划布局、工艺流程、加工技术直观地融入教学过程，推动线上实践教学基地的建立，而且模拟演练的方式更能够锻炼学生的思考分析能力、判断决策能力，从而达到提升学生综合实践能力的目的。二、“饲料加工工艺及设备虚拟仿真实验”课程设计（一）仿真实验内容设计“饲料加工工艺及设备虚拟仿真实验”课程以世界500强企业饲料加工厂为设计蓝本，将现代化的饲料厂场景、生产设备和先进的加工工艺虚拟化，更新了仿真实验内容，实现教学内容与现代饲料生产技术同步。将虚拟仿真技术与实验教学内容相结合，可以有效提高课程的趣味性。课程知识体系如图1所示。图1“饲料加工工艺及设备虚拟仿真实验”课程知识体系（二）教学过程组织新形势下，为保障教学工作的顺利开展，创建的“饲料加工工艺及设备虚拟仿真实验”课程在教学组织过程中，提供了沉浸式大屏、沉浸式VR小组协同交互和VR浏览器三种学习方式。教学过程中发挥学生主体的作用，采用沉浸式体验、角色扮演的方式，以更加生动、形象的形式激发学生的学习兴趣，丰富课堂教学环境，强化学生的综合实践能力。课程面向全国涉农高校开放共享，以实现实验教学资源的时间、空间、对象、过程和内容的五维共享。（三）教学模式与考核评价“饲料加工工艺及设备虚拟仿真实验”课程创新了线上线下、异地协同虚拟仿真教学模式，打破了时间、空间和教育群体的限制，使学生可以随时随地进行饲料加工过程模拟演练，有效解决实践基地远、实践教学难的问题。课程改革评价方法，采取师生双向教学过程和学习效果评价，开展基于数据的准确评价，及时反馈教学效果，推动教学质量的提升。三、“饲料加工工艺及设备虚拟仿真实验”课程实践（一）仿真实验内容仿真实验内容主要包括以下几个应用模块。1.饲料生产加工过程认知模块。学生在该模块内漫游虚拟化的饲料生产基地，了解饲料厂区整体布局和车间内部构造。进入饲料加工车间后，学生根据流程图学习饲料加工内容。具体操作为点击某一项工作流程，即动态展示加工过程、显示工作原理工艺参数、操作方法和注意事项等，使学生更为直观地认识饲料加工工艺流程。2.饲料加工设备认知模块。饲料加工设备认知模块展示生产线上主要设备的三维结构图、工作原理、主要部件的工作原理和三维结构，实现关键工艺设备可拆除、安装、旋转等操作，同时提供设备日常运行注意事项等文字辅助属性描述。在该模块内，学生利用VR技术的可互动性和交互性特点，可对重要设备（如锤片式粉碎机、回转分级筛、桨式混合机、环模制粒机）进行深度拆解和组装，同时配合相关知识点考核，对学生进行实操考核。3.颗粒饲料加工工艺设计模块。颗粒饲料加工工艺设计模块虚拟了饲料原料，如玉米、麸皮、豆粕等，并预设了工艺参数，如粉碎粒度参数、调制参数、制粒参数等。在该模块内，人机交互操作涵盖原料入库、除杂、粉碎、配料、混合、制粒、打包等生产环节。通过教师的讲解与引导，学生可沉浸式地进入饲料生产基地，以角色扮演的方式完成生产任务，以此来全面了解现代化饲料企业，实现学生与企业生产实践的无缝对接。4.颗粒饲料品质检测模块。颗粒饲料品质检测模块包括颗粒饲料水分测定、硬度测定、粉化率测定和耐水性测定内容。在该模块内，学生可以在仿真环境中对颗粒饲料的粒度相关指标进行评价。在监测过程中，学生可分组讨论、互动交流，具有“开放性、交互性和易操作性”。（二）教学过程组织1.课前预习。学生课前通过VR浏览器方式进入“饲料加工工艺及设备虚拟仿真实验”课程，预习PPT，沉浸式地参观虚拟仿真饲料厂，了解厂区布局、体验饲料加工工艺过程。在课前预习过程中，学生还可以与教师进行交流互动，教师也可以根据学生的问题进行课堂内容的调整。2.线上线下、异地协同虚拟仿真教学。课堂设计思路见图2。课程采用线上线下、异地协同的教学模式组织教学。学生可通过佩戴3D眼镜，进入沉浸式VR大屏模式，跟随教师的VR视角进入饲料厂虚拟仿真场景中，学习从饲料原料进库到饲料产品出库的生产过程，包括设备维护、颗粒饲料加工工艺及产品检测等内容，并进行随堂测试，使学生掌握完整的饲料加工知识体系。学生完成知识点的学习任务后，可进入沉浸式VR小组协同交互模式进行虚拟仿真模拟演练。学生通过扮演不同的角色完成相应的工作任务，来全面了解饲料厂全业务流程，对重点、难点内容进行反复学习和操作演练，不仅节约了实验教学成本，还身临其境地参与到企业生产实践中。模拟演练过程中，每一步操作失误或疏漏则无法进入下一环节，直至故障解除。这样的课堂设计提高了学生的主观能动性，锻炼了学生的思考分析能力、判断决策能力、团队协作能力，从而提升了学生的综合实践能力。图2课堂设计思路3.课后复习。课后复习以小组（5～6人为一组）分组讨论、课后模拟演练、课后习题等方式进行沉浸式复习。小组讨论以交流学习内容、分享模拟演练遇到的问题以及如何解决生产实际问题为主要内容。（三）考核评价传统的课程多通过试卷考试或实验报告的形式进行考核，考核评价单一，只重视文字材料而忽视了学生实践操作能力的考核［8］。“饲料加工工艺及设备虚拟仿真实验”课程采用师生双向教学过程和学习效果评价，基于线上线下教学过程数据、学习过程数据、师生互动数据等，开展基于数据的准确评价，及时反馈教学效果。为全面考核知识、能力等目标的达成情况，对学生进行综合考核。考核主要包括自主学习时长，虚拟仿真模拟演练、参与互动情况、考勤情况、随堂提问、课后习题、实验报告。课程组教师围绕教学过程及教学效果进行研究与讨论，总结教学方法与教学经验，保障课堂教学质量。在疫情防控时期，该课程在配合教师理论教学和完善饲料厂生产实践环节上发挥了重要作用