楊 欣,楊小軍,郭 超,蔡傳江,段玉蘭,姚軍虎,龍芳羽

(1. 西北農(nóng)林科技大學 動物科技學院，陜西 楊凌 712100；2西北農(nóng)林科技大學 食品科學與工程學院，陜西 楊凌 712100)

隨著現(xiàn)代信息技術的快速發(fā)展，社會對人才需求呈現(xiàn)出多樣化的特點，這就需要高校傳統(tǒng)教學體系加快變革以適應時代發(fā)展。“十二五”期間，教育部印發(fā)了《教育部關于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》[1]及《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》[2]，要求將高等教育與信息技術進行深度融合，對人才培養(yǎng)模式進行創(chuàng)新。虛擬仿真實驗教學響應信息時代高等教育開放辦學、資源共享的變革要求，為學生開展探究性學習、自主實驗和創(chuàng)新實踐提供了先進手段、開放平臺和優(yōu)質(zhì)資源，在提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的同時，也為實驗教學改革和實驗室建設增添了活力和動力[3]。

1 虛擬仿真教學建設的必要性

飼料加工工藝學是農(nóng)林高校動物科學專業(yè)重要的專業(yè)課程之一，主要任務和目的是使學生系統(tǒng)掌握飼料原料加工成各種飼料產(chǎn)品的過程及工藝原理，包括各作業(yè)單元、工序和各種飼料加工工藝的類型、特點與組合方法，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，為滿足現(xiàn)代企業(yè)所需求的飼料工程技術人才奠定必要的素質(zhì)基礎[4]。由于課程專業(yè)實踐性較強，需要到飼料生產(chǎn)一線進行操作訓練，但是傳統(tǒng)課程實訓具有以下局限性：受實習地點的限制，需要協(xié)調(diào)本地飼料廠，在不影響正常生產(chǎn)前提下進行短期參觀學習，設備噪音大，現(xiàn)場講解效果不佳；避開設備工作時間實習，則只能觀察設備外部特征，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及實際運轉(zhuǎn)情況難以觀察；一個飼料廠的設備和工藝有限，需要去多家飼料廠實習才能滿足教學需要，相應增加了經(jīng)費和時間成本；安全措施配置齊全的實習基地依然會有實驗實訓安全風險。此外，隨著社會進步和科技發(fā)展，學校現(xiàn)有的教學實驗基地設備和條件日趨老化和落后，難以滿足創(chuàng)新性高水平人才培養(yǎng)的需要。為改善教學條件，提高教學效果，適應國家和社會對復合應用型卓越動物科學和水產(chǎn)專業(yè)人才的需求，飼料加工工藝學虛擬仿真實驗教學資源建設勢在必行。與傳統(tǒng)動物實驗相比，虛擬仿真實驗具有仿真性、參與性、安全性、重復性、無時間和地域限制等特點，能降低動物性疾病尤其是人獸共患病傳播等安全風險，減少實驗動物采購、飼養(yǎng)及使用管理的成本，使學生獲得更加全面系統(tǒng)的訓練，激發(fā)學生學習興趣，提升學生實踐能力和創(chuàng)新能力。

西北農(nóng)林科技大學動物營養(yǎng)與環(huán)境衛(wèi)生系利用現(xiàn)代信息技術開發(fā)虛擬仿真實驗教學資源，利用3D虛擬仿真軟件構(gòu)建虛擬仿真實驗環(huán)境和實驗對象，并借助人機交互手段實現(xiàn)實驗教學過程，并可低成本進行探索性創(chuàng)新實驗活動，可以有效地解決以上問題，顯著提高教學質(zhì)量、提升實踐教學效果，對完成動物科學專業(yè)本科教學目標具有重要意義。

2 虛擬仿真實驗教學建設的特色

實驗教學是動物科學專業(yè)本科生教學的重要環(huán)節(jié)，在課程虛擬仿真實驗教學建設過程中，對已有的優(yōu)質(zhì)教學資源和成果進行了整合，在實驗對象、實驗內(nèi)容、實驗平臺等方面形成了鮮明的特色與創(chuàng)新。

2.1 以動物科學人才培養(yǎng)課程體系為主線

虛擬仿真實驗項目設置以卓越動物科學課程人才培養(yǎng)計劃與教學大綱為依據(jù)，全鏈條綜合設置實驗項目立足學生的全面發(fā)展，充分挖掘虛擬仿真實驗資源，以動物科學人才培養(yǎng)課程體系為主線，提高現(xiàn)有實驗表象的過程機理，補充不足，提高實踐教學水平，提升實踐教學效果。

2.2 突出重實踐的人才培養(yǎng)理念

牢固樹立“厚基礎，強能力，重實踐”的人才培養(yǎng)理念，緊緊圍繞著學校提出的“突出產(chǎn)學研緊密結(jié)合辦學特色，創(chuàng)辦世界一流農(nóng)業(yè)大學”的長遠辦學目標，加強實驗教學的建設與管理，積極構(gòu)建起立體型實踐教學體系[5]。飼料加工工藝學虛擬仿真實驗教學將先進的軟件模擬與虛擬現(xiàn)實技術結(jié)合，增強了學生對抽象理論知識的理解，為掌握專業(yè)知識打下了堅實的基礎。

2.3 突破傳統(tǒng)實驗教學的時空制約

傳統(tǒng)的飼料加工工藝學實踐教學因條件限制，存在部分實踐項目無法開展或開展效果不佳等問題。虛擬仿真實驗項目即針對該問題而設置，緊緊圍繞本科教學大綱，以提高本科教學質(zhì)量為目標，從“可視化”、“動態(tài)化”的角度，利用先進的計算機虛擬技術和仿真軟件、虛擬現(xiàn)實、仿真教具、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡通訊等現(xiàn)代化信息技術手段[6]，使傳統(tǒng)實驗無法開展或開展效果不佳的實驗得以實現(xiàn)，彌補了傳統(tǒng)實驗的缺陷，擴展了實驗教學內(nèi)容，提高了教學效果，開辟了動物科學專業(yè)實驗教學新途徑。

2.4 實現(xiàn)科研成果與實驗教學有效銜接

實驗教學建設方案引用最新的飼料加工設備和工藝理念，保證項目所選用的圖片、視頻、參數(shù)、模型等素材的科學性、創(chuàng)新性和前瞻性，在提高學生學習興趣、開闊學生視野、拓寬知識結(jié)構(gòu)、提升綜合能力方面效果顯著，同時把講學內(nèi)容推向?qū)W科前沿，對于促進教學內(nèi)容更新具有重要作用。

3 虛擬仿真實驗教學資源建設

西北農(nóng)林科技大學動物科技學院發(fā)揮本校學科專業(yè)特色，積極利用楊凌飼料產(chǎn)業(yè)集中優(yōu)勢，充分整合學校信息化實驗教學資源，以培養(yǎng)學生綜合設計、創(chuàng)新能力為出發(fā)點，在前期建設和持續(xù)投入的基礎上，通過自主研發(fā)、委托研發(fā)、聯(lián)合攻關等形式，不斷積累、利用先進工程軟件和虛擬現(xiàn)實、多媒體交互、Web 3D等信息化技術結(jié)合，針對飼料加工工藝學實驗教學的特點，已建成集學習性、實驗實踐性、設計性和創(chuàng)新性等為一體的綜合性虛擬仿真實驗平臺，開設飼料接收設備及工藝流程、飼料儲運設備及工藝流程、飼料清理設備及工藝流程、飼料粉碎設備及工藝流程、飼料混合設備及工藝流程、飼料質(zhì)粒設備及工藝流程等6套虛擬仿真實驗教學模塊(詳見圖1)，提高教學能力，拓展實踐領域，豐富教學內(nèi)容，降低教學成本和風險。

圖1 飼料加工設備及工藝虛擬仿真模塊Fig. 1 Virtual simulation module for feed processing equipment and process

飼料加工工藝學虛擬仿真實驗教學采用開放是自主學習與實踐相結(jié)合的方式，可隨時查詢實驗內(nèi)容，利于提高學習的目的性。學生通過電腦或手機APP登錄飼料加工工藝學虛擬仿真實驗系統(tǒng)，在教學資料中獲取不同設備的主要結(jié)構(gòu)、工作方式、主要參數(shù)、工藝流程組成等資料進行學習(見圖2)完成測試題，由系統(tǒng)評分，提交實驗報告，獲得總成績。

圖2 飼料加工工藝學各工段虛擬仿真模塊A. 原料清理；B. 飼料粉碎；C. 飼料混合；D. 飼料制粒Fig. 2 Virtual simulation module of feed processingequipment and processA. Raw material handling; B. Feed grinding;C. Feed mixing; D. Feed pelleting

3.1 飼料原料接收設備及工藝流程模塊

飼料原料的接收是飼料廠物流管理的第一個重要環(huán)節(jié)，原料在接收環(huán)節(jié)的運轉(zhuǎn)效率直接影響飼料生產(chǎn)全過程的物流運轉(zhuǎn)。進行虛擬操作是要考慮下列因素：①接收飼料原料的種類；②飼料原料的類型和特性；③每天進廠并接收飼料原料的數(shù)量；④飼料原料的運輸方式和運輸規(guī)模等。

3.2 飼料儲運設備及工藝流程模塊

飼料廠常用輸送設備有螺旋輸送機、帶式輸送機、刮板輸送機、斗式提升機、氣力輸送設備及各種閥門、管路和分配器等。虛擬操作要求學生根據(jù)原料種類、生產(chǎn)目的及設備特點正確選擇和使用輸送設備。

3.3 飼料清理設備及工藝流程模塊

飼料原料接收系統(tǒng)中安裝磁選裝置對保證設備安全運行至關重要。飼料廠接收原料時可用的磁選裝置類型繁多，其中主要的磁選器,包括永磁板、駝峰式和圓筒式永磁鐵、柵格式永磁鐵，電磁鐵和永磁滾筒。

3.4 飼料粉碎設備及工藝流程模塊

飼料粉碎對飼料的消化和動物的生產(chǎn)性能有明顯影響,對飼料的加工過程與產(chǎn)品質(zhì)量也有重要影響。粉碎工段虛擬操作要注意如何合理選用先進的粉碎設備、設計最佳工藝參數(shù)。

3.5 飼料混合設備及工藝流程模塊

飼料混合的主要目的是將按配方的比例要求配制的各種飼料原料組分混合均勻，是確保配合飼料質(zhì)量和提高飼料報酬的重要環(huán)節(jié)?；旌瞎ざ翁摂M操作要學習混合設備、混合方式及如何合理選用混合設備等。

3.6 飼料制粒設備及工藝流程模塊

飼料制粒虛擬仿真項目，是將粉狀配合飼料或單一原料(米糠、牧草等)經(jīng)擠壓作用而成型為粒狀飼料的過程，制粒工段虛擬操作主要包括制粒設備選擇、制粒過程觀察、冷卻、破碎和顆粒分級等，學習設備工作原理，觀察設備工作過程。

4 小 結(jié)

通過近些年的教學建設，西北農(nóng)林科技大學飼料加工工藝學虛擬仿真實驗教學已經(jīng)成為由省級教學團隊負責規(guī)劃和建設，面向動物科學、草業(yè)科學及水產(chǎn)科學3個國家級高等教育特色專業(yè)和其他相關專業(yè)的實驗實踐教學課程，為“動物營養(yǎng)學”、“動物營養(yǎng)與低碳健康養(yǎng)殖”等5門國家及省部級精品課程和其他相關課程開展虛擬仿真實驗，同時，向國內(nèi)其他農(nóng)林高校和企業(yè)推廣和共享。