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摘要：针对粮食工程行业技术需求和实践教学的现实困难，应用虚拟仿真技术建设粮食储运加工实验教学项目，通过虚实互补、翻转课堂、案例教学等创新教学方式，丰富传统课堂教学内容，构建粮食工程综合实训课程体系，培养学生粮食储运加工、质量安全评价和管理等综合技能为核心，遵循“虚实结合，能实不虚”的原则，使仿真实验和现场实践两种实践教学方式相互补充，相得益彰，促进学生创新精神与实践能力的培养。
关键词：粮食工程；虚拟仿真；实践教学；虚实结合
本文引用格式：丁超，等.粮食工程虚拟仿真实验教学的探索与实践[J].教育现代化,2020,7(38):1-5.
一 引言
粮食安全是保障国家安全和社会民生的基础，党中央和国务院高度重视粮食问题，历年中央一号文件始终将保障粮食安全放在突出位置。近两年中美贸易摩擦不断，正是由于国家具有丰富的粮食储备，才能够保证我国有针对性的实施经贸反制裁措施，并在各个产业领域从容应对国际社会和经济环境的巨大转变。粮食工程专业人才是支撑粮食行业发展的基础，但我国粮油生产加工行业仍存在人力资源短缺、技术装备落后、创新能力不强等系列突出问题，阻碍了粮油产业价值的提升[1]。随着食品工业的快速发展，对高水平、综合素质的专业人才的需求越来越迫切。
虚拟仿真技术可以根据理论和实践在虚拟环境中进行操作、验证、设计和操作的教学[2]，通过各种媒介手段提高教学活动的沉浸性和互动性，是发展现代智能教育的基础技术[3]。虚拟现实与仿真技术在高等教育中的应用可以提高学生的学习效率和学习者的主观能动性。
推动教育现代化的进程和发展，是高等教育未来发展的主要方向之一[4]。目前，我国部分高校开设了与虚拟仿真相关的专业和课程，有关于虚拟仿真平台在教学和实践实验活动中的应用的报道和论文[5]。虚拟仿真教学平台以其设备、软硬件和教师的计算机技术能力要求高，目前主要应用于课程实践和实验，包括航天、医学、电子电气系统、临床医学、机械工程、化学工程、食品科学与工程等领域。本团队针对目前粮食工程专业本科学生主动创新思维能力较弱、实践应用能力不足的问题，从南京财经大学粮食工程专业的人才培养现状出发，分析实践创新能力培养关键要素，引入虚实结合的思维，建设虚拟仿真实验教学平台，改革课堂教学方式，串联实践创新活动，通过“虚实结合，情景教学”“翻转课堂，案例分析”的新型教学模式，针对性的培养学生的实践和创新能力，为地方经济发展持续提供具有创新精神与实践能力的应用型、复合型粮食科技人才。
二 粮食工程专业的现状及存在的问题
粮食工程专业的工作岗位不仅理论性较强，还要求学生具有一定的实践动手能力以及相应的管理素养。在目前的教学过程中，由于缺乏“自主思考探究”环境，学生主动思考和学习能力较欠缺，实践应用能力不足，导致其不能很好解决实际生产环境中所面临的问题与挑战，往往需要耗费相当一段时间的工作经验积累，才能适应工作岗位的需求[6]。南京财经大学就业指导中心对粮食工程专业学生未来就业和发展专项调查发现，粮食工程专业学生的就业呈现出一种多元模式，广泛分布于各行各业，涉及行政、管理、设计等诸多行业，造成以上调查结果出现的原因如下。
（一）粮食工程专业人才不能满足市场需求
粮食工程专业旨在培养能够从事粮食生产技术管理、粮油产品加工、粮食工程规划管理等工作的高级技术应用性专门人才，目前，中国粮食产业面临的高层次人才严重短缺问题日益严重。我国开设粮食工程专业的院校为数不多，尤其是本科院校，目前主要有河南工业大学、南京财经大学等10余所高校，培养出的粮食人才有限，造成粮食专业人员数量少，高技能人才数量短缺，难以满足市场需求[7,8]。
（二）学生对于专业的认同感不足，主动学习能力不强
由于粮食工程是我国新兴专业，学生和家长对其了解不多，造成招生冷门甚至需要调剂的现象。所以对于一些理工基础薄弱的粮食工程专业的学生，对未来工作信心不足，最终选择考研或出国，造成粮食人才的进一步丧失[9]。
（三）教学内容和方式单一，学生学习缺乏主动性和积极性
由于现在我国大部分粮食工程专业理论内容繁杂、抽象性强，高校部分教师依托多媒体教学技术，把大量知识点加入幻灯片中，在教学时机械朗读，形成典型“填鸭式”教学。尽管在教学时结合相关实验课程，但是现阶段的教学方式依旧难以涵盖所有教学内容，不仅使学生觉得枯燥无味，学习缺乏积极主动性，还导致学生所学内容不全面、掌握知识情况不理想[10]。
（四）实践教学配套建设不足，实践教学需要进一步加强
目前，我校考虑到实践教学在粮食工程专业人才培养中的重要性，在教学计划中增加了实践教学的比重，但如磷化氢环流熏蒸等粮食储运工程实验，存在一定安全隐患，对实验安全性要求高，且实验周期较长[6]。部分实验设备占地面积大，设备价格昂贵，结构复杂，老师难以深入全面的讲解，导致学生很难理解其原理。因此，这些实践实验课程难以实现现场教学，通过虚拟技术实现仿真教学就显得尤为必要。
三 粮食工程专业虚拟仿真实践教学体系的创新改革探索
现有粮食专业人才培养中存在理论学习过于广泛而实践不足、学生思维僵化、实验教学缺乏、实践创新动力和应用能力不足的弊病，我们需要在培养专业人才的基础上，通过虚拟仿真教学技术，采用“虚实结合，情景教学”+“翻转课堂，案例分析”教学模式，针对性的培养学生的实践和创新能力，在课堂教育、虚拟教学以及实践学习中提升学生的综合技能和素质，顺应粮食行业人才需求和市场需要。
（一）实践创新能力培养要素分析
实践创新能力的养成需要培养学生独立思考、资料搜集、信息处理、问题分析、问题解决和实践操作等多种能力。课题通过引入虚实结合和翻转课堂的教学思维到粮食工程专业课堂和实践教学，将实践能力的培养与专业课程相结合，并贯穿整个教学过程。
（二）实践教学方案改革探索
系统设计实践教学方案，培养学生的综合实践技能。在学生掌握一定专业知识的基础上，系统设计实践教学方案，充分培养学生查阅资料、实验操作和数据分析处理的能力，弥补因在场地或安全性等存在问题无法进行实验教学的缺陷。例如在粮食学科实践教学中，首先进行理论的学习，通过“翻转课堂，案例教学”的模式，然后进行仿真实验操作对实际情况了解熟悉，再让学生进行现场实习，例如可以以PPT的形式汇报实习情况，或者通过校外领导、轮岗部门等评价对学生实习表现进行考核，最后再进行仿真实验操作达到复习巩固的效果。最终实现由于场地或者安全问题的限制所无法进行的课程实验教学。
（三）课堂教学方式改革
针对粮食工程专业《粮食储运综合实训》实践课程，对课程知识点进行结构化、线条化和层次化的梳理。打破原有的课程设计教学思路，提炼主要知识点，通过设置开放性问题和具体实施案例，对学生进行问题引导式、讨论式和案例式教学，让学生了解专业课程学习的重要性及实际用途，调动学生学习积极性，围绕主要知识点展开开放性讨论或案例分析，提高学生课堂参与度，并锻炼学生独立思考、资料搜集、信息处理等多种能力。
在传统的课堂教学中，充分利用多媒体的优势，改革纯教学模式，通过大容量、高密度、多渠道的信息展示，激发学生的创新思维能力。例如，在粮食加工课程的教学中，可以展示一些实际生产加工过程的图像数据，结合虚拟仿真平台的教学，给学生直观的感受和体验。在例如展示粮食储运加工的某个实验方案的制定、实验工作的准备、实验操作的规范的动态过程，使学生在实践中遇到相关技术和设备时不再陌生，同时能够激发学生的学习和实践兴趣。
（四）课程考核制度改革
摒弃传统“讲授式”教学的“70%期末考试+30%平时成绩”的考核模式，增加实践训练成绩占总成绩的比重。在理论考试中，结合授课内容、企业生产技术需求和实践训练中出现的问题，增加考试内容的主观性和灵活性，建立新型理论考试模式，改变学生为考试死记硬背的现象。通过构建新型课程考核制度，激发学生学习热情，为学生自主学习提供广阔的平台。
四粮食工程专业虚拟仿真实践教学平台的建设
粮食安全是关系我国经济发展、社会稳定、国家安全的重大战略问题。目前本单位参与研发的国家科技进步一等奖成果——“粮食储备‘四合一’新技术”已在国内应用粮食仓容7000余万吨。为响应国家“新工科”建设和发展需要，培养高水平工程技术人才，专业投资建设了粮食储运加工虚拟仿真实践教学平台，通过科研反哺教学，培养学生创新意识和工程实践能力，提升专业发展水平。
（一）虚拟仿真实践教学平台的建设内容
平台建设立足粮食储运加工产业链高新科技，通过先进的人机交互设计和多平台开发，实现粮食工程技术系统性教学，助力科研成果转化和创新人才培养。平台建设内容覆盖粮食入库、粮情监测、环流熏蒸、机械通风、氮气储藏、大米加工和面粉加工等粮食产后关键环节，同时质量安全环节贯通全产业链。通过优秀的人机交互设计和VR虚拟现实技术，实现粮食储运和加工技术工艺的虚拟实操训练，丰富教学应用模式和应用场景，强化学生实践操作和创新能力，做到教、学、练、考融为一体，加速科研成果转化，提升创新人才培养水平。其中，平台教学内容获得软件著作权1项，并已免费向社会开放，参与在线实践学生人数800余人，操作记录13000余条，软件评价320余条。学生普遍反映虚拟仿真教学实验简单直观，方便易懂，结合上述综合教学方法的使用，让学生对粮食储运技术的认知更加具体，对相关理论知识的理解更加深刻，效果显著。
（二）虚拟仿真实践教学平台的应用创新
虚拟仿真教学平台内置粮食储运加工技术主要知识点和教学视频，教师利用平台丰富的知识点系统、智能操作指导、场景再现、智能评分和考核系统，通过课堂翻转和案例式教学，指导学生自主设计实验方案，学习实验操作及安全观念，将实践理论、仿真操作、在线学习和在线考察于一体。学生带着问题进入粮库现场实习，更深刻的了解粮食储运和加工技术的操作规范及注意事项，训练实操并分组讨论和汇报。通过虚实结合的情景式教学，提高了教学的直观性和趣味性，帮助学生深入透彻的理解专业知识，避免部分实践教学环节的安全风险，解决教学过程中因时间、空间、教学资源等限制问题。由于平台建设坚持需求导向和问题导向，教学内容设计科学合理，教学方法创新高效，粮食仓储磷化氢环流熏蒸虚拟仿真教学模块被认定为2018年国家级虚拟仿真实验教学项目，成为13项食品科学与工程类国家虚拟仿真实验教学项目之一。
五 粮食工程专业虚拟仿真实践教学的具体实践
经过整合优化，南京财经大学食品科学与工程学院粮食工程专业进行了虚拟仿真实践教学。以我校已实践的磷化氢环流熏蒸虚拟仿真平台为例，学生完成粮油储藏学、粮食干燥与通风等课程内容后，安排线上虚拟实验和现场实习，实施思路、过程与方法如图2，主要实验教学方法和内容的应用参见表1。
虚拟仿真教学平台已内置粮食工程的主要知识点，为翻转课堂教学提供了硬件基础。以粮食工程系中磷化氢环流熏蒸方案制定为例，采用“翻转课堂，案例分析”的教学方式，教师对学生进行分组，在课前给学生布置不同仓储规模、不同虫害情况、不同粮情的仓储熏蒸需求，学生通过课前对粮堆熏蒸时机的判断以及熏蒸方案制定原则进行预习，在课堂上分组介绍自主制定的熏蒸方案，最后教师进行总结评论，提高学生对整个知识体系的掌握。本部分教师评测，占比粮食工程综合实训课程总成绩的10%。
理论和软件教学后，教师指导学生进行虚拟仿真实验，进入“虚实结合，情景教学”。教师端的操作过程同步至学员机，教师亦可观察学生在线学习及操作过程；学生角色扮演操作过程中，软件系统对学生的实践操作过程评价；通过虚拟现实技术，以动画的形式直观的给学生展现磷化氢气体产生以及在仓内粮堆循环的全过程，显著提高了教学的直观性和趣味性，帮助学生深入透彻的理解相关专业知识。本部分系统后台自动记录评分，占比粮食工程系综合实训课程总成绩的15%。
虚拟仿真训练完成后，要求学生带着问题进行现场实习。针对粮库技术、运营和管理的80余项综合性问题，需要学生轮岗实习，了解粮库整体运营模式及技术应用，寻找答案并提出新的问题，再分组讨论，总结汇报，提交实习报告。本部分实习单位评测，占比粮食工程系综合实训课程总成绩的60%。
现场实习结束后，学生需再次上线开展虚拟仿真实验，对已掌握的知识进一步的巩固和提升，完善整个知识体系，真正做到融会贯通。本部分系统后台自动记录评分，占比粮食工程系综合实训课程总成绩的 15%。
教学过程中，注重过程评价，对每个教学环节按评分标准进行评测，最终汇总得到学生该门实践课程的总成绩。
六 构建虚拟仿真综合实践教学模式的建议
（一）虚拟仿真实验应加强虚实互补，解决真实实验教学中的卡脖子问题
虚拟仿真教学是传统课堂教学的延伸和有效补充，可以弥补传统课堂教学的不足，丰富实践教学的内涵，带动实践教学模式的创新。粮食工程虚拟仿真综合实践教学应重点解决真实实验项目条件不具备或实际运行的困难，避免粮食储运和加工环节中高危或极端条件环境，解决高成本、不可逆操作、大型综合训练等问题，紧密结合粮食工程专业特色和行业产业发展最新成果，培养符合学校定位的人才。
（二）虚拟仿真实验应科学设计实验框架和内容，创新实践教学方法
实践教学的设计框架应该科学合理，涵盖粮食工程专业的多元内容和知识点。针对粮食工程专业《粮食储运综合实训》实践课程，课程设计中原有的教学理念应该打破，对知识点进行结构化、层次结构进行梳理，虚拟仿真实践教学内容应尽量采用多途径、多方案、开放性实验设计，通过问题引导、案例分析的互动式、研讨式教学，提倡学生自主探究学习，加强学生综合设计能力和创新思维能力的培养。实验教学的主要任务是让学生体验创新的快乐和自信，激发学生的创新欲望，创造条件保持这种宝贵的品质，鼓励学生探索“新”的发现，培养学生的创新能力帮助学生将来成就伟大的创新。
（三）虚拟仿真实验资源建设涉及高校多部门和软件技术企业，教学平台应配备高水平专业服务团队
专业教师的理论知识、实验能力与现代企业的编写程序、软件开发相结合，才能建设好虚拟仿真实践教学资源，并具备切实可行的持续建设及服务计划，包括实验过程支持，硬件配置，软件服务，定期维护等。这些资源建设和服务工作涉及到学校及企业运营等多个单位和部门。高校教学部门、院系应与现代企业展开密切合作，积极引进现代企业参与实验建设、数字化资源库建设、软件服务和维护的全过程中，做到校企联合，打造高水平的虚拟仿真实验教学服务团队，培养出创新型、应用型人才，为社会提供更好的专业技术人才。
参考文献
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