任天寶 ，遆晉松 ，賈宏昉 ，賀帆 ，宋朝鵬

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院，河南鄭州 450002；2.河南省生物炭研究工程技術(shù)中心/生物炭技術(shù)河南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州 450002）

在新時(shí)代背景下，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)綜合創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是涉農(nóng)高等教育的根本任務(wù)和發(fā)展方向。為適應(yīng)和滿足創(chuàng)新人才培養(yǎng)的根本任務(wù)，有必要探索新型的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和教學(xué)方式。根據(jù)教育部對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目堅(jiān)持“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的培養(yǎng)原則和要求，突出應(yīng)用驅(qū)動、資源共享，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化作為高等教育系統(tǒng)性變革的內(nèi)生變量的要求[1-2]。因此，構(gòu)建虛擬仿真教學(xué)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和信息化教學(xué)的重要途徑。

煙草調(diào)制學(xué)作為煙草學(xué)特色專業(yè)核心課。實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)時(shí)間與煙葉烘烤季節(jié)不同步，導(dǎo)致難以進(jìn)行現(xiàn)場教學(xué)；其次，烤房結(jié)構(gòu)和工作原理復(fù)雜、體積龐大等一直是制約該實(shí)驗(yàn)課程實(shí)踐教學(xué)的重要因素。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality Technology，簡稱VR、虛擬現(xiàn)實(shí)），是一種能創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)。它能模擬現(xiàn)實(shí)沉浸式環(huán)境，為用戶提供多種感官刺激，營造一種身臨其境的沉浸式體驗(yàn)[3-4]。近年來，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)嵌入課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程的創(chuàng)新型教學(xué)模式，在國內(nèi)外教學(xué)實(shí)驗(yàn)中得到了很大發(fā)展，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，據(jù)此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源并形成一種創(chuàng)新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和教學(xué)方法，不僅是未來教育發(fā)展的方向，也是當(dāng)下推進(jìn)教育教學(xué)改革所面臨的重要課題[5]。

當(dāng)前，隨著我國教育信息化技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用日益廣泛并發(fā)揮著越來越重要的作用[6-8]，其具有打破時(shí)空界限、操作便捷安全、效率高等突出特點(diǎn)[9-11]。因此，探索針對煙草調(diào)制學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新對改善和提升傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，尤其是對促進(jìn)產(chǎn)教融合和科教融合新型創(chuàng)新人才培養(yǎng)有很大價(jià)值。本文以“密集烤房工作原理虛擬仿真”實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，將交互式教學(xué)模式融入虛擬仿真教學(xué)，為提高煙草行業(yè)專業(yè)人才的綜合素質(zhì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 密集烤房工作原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的構(gòu)建

1.1 密集烤房工作原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

煙草調(diào)制學(xué)課程為河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)和煙草科學(xué)與工程專業(yè)的必修課程，是一門實(shí)踐性、經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的課程。本課程每年面向煙草學(xué)和煙草工程學(xué)兩個(gè)專業(yè)240人左右開設(shè)，總共72學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)24學(xué)時(shí)，占總課時(shí)量的33%，體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性。因此，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)方面，課題組將24學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課程作為一個(gè)有機(jī)整體，按照虛擬仿真課程群的架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，有利于未來更好地發(fā)揮信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的示范引領(lǐng)作用。

密集烤房工作原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分安排4學(xué)時(shí)，為了使學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境中能獨(dú)立完成所有的實(shí)驗(yàn)操作流程，將班級學(xué)生劃分為多個(gè)學(xué)習(xí)小組，借助線上教學(xué)數(shù)據(jù)源進(jìn)行學(xué)習(xí)資源共享和實(shí)驗(yàn)操作過程數(shù)據(jù)的交互，完成虛擬場景中的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。主要包括烘烤工作原理、煙葉調(diào)制的基本知識、驗(yàn)證煙葉烘烤的有關(guān)理論，培養(yǎng)學(xué)生觀察和分析煙葉烘烤各種現(xiàn)象的能力，鞏固和加深對密集烤房結(jié)構(gòu)、工作原理、烘烤設(shè)備、成熟采收和烘烤工藝的理解。

虛擬實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，體現(xiàn)出教學(xué)演示功能和交互性操作兩大功能[12-13]。本教學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真虛擬系統(tǒng)包括密集烤房結(jié)構(gòu)、工作原理、供熱設(shè)備、散熱裝置、烤煙智能控制儀、排濕系統(tǒng)。開展烘烤工作原理及應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生從密集烤房工作演示至烘烤實(shí)際操作兩個(gè)層面深入領(lǐng)會密集烤房工作原理、結(jié)構(gòu)和模擬實(shí)驗(yàn)操作核心要義，達(dá)到以下教學(xué)目標(biāo)：（1）以密集烤房結(jié)構(gòu)導(dǎo)入基礎(chǔ)知識點(diǎn)，引出密集烤房的工作原理；（2）掌握密集烤房供熱設(shè)備和操作相關(guān)知識點(diǎn)；（3）熟悉并掌握密集烤房溫濕度調(diào)控操作要求，鍛煉學(xué)生獨(dú)立思考和實(shí)際操作的能力，提升實(shí)踐操作能力。

1.2 密集烤房工作原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及目標(biāo)

密集烤房工作原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)主要包含：知識掌握能力、實(shí)踐操作能力和結(jié)果分析與創(chuàng)新能力，4個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K9個(gè)知識點(diǎn)和12個(gè)交互步驟，如圖1所示。在教學(xué)內(nèi)容組成方面，主要由四大板塊構(gòu)成：（1）密集烤房場景導(dǎo)入模塊，用于引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)密集烤房相關(guān)知識背景，通過與學(xué)生互動的方式，提出本教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?；?）密集烤房工作原理演示模塊，主要讓學(xué)生深入了解烤房結(jié)構(gòu)、供熱設(shè)備等操作，并聯(lián)系理論教學(xué)內(nèi)容；（3）密集烤房實(shí)驗(yàn)操作，通過模擬操作實(shí)驗(yàn)，掌握相關(guān)知識點(diǎn)并靈活應(yīng)用；（4）實(shí)驗(yàn)操作反饋結(jié)果評價(jià)，基于實(shí)驗(yàn)的具體評分標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)生成該實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師可以通過系統(tǒng)記錄和評價(jià)結(jié)果掌握班級中每名學(xué)生對相關(guān)知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)情況，對教學(xué)內(nèi)容及方法進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。另外，創(chuàng)新能力培養(yǎng)可以激發(fā)學(xué)生興趣的進(jìn)一步提升，激發(fā)創(chuàng)新性思維，有助于后期開展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。

圖1 密集烤房虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容模塊構(gòu)成

1.3 密集烤房工作原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

掌握密集烤房工作原理，理解密集烤房供熱設(shè)備、烤房結(jié)構(gòu)、烤煙自控儀等知識點(diǎn)和實(shí)踐操作步驟，如圖2所示，系統(tǒng)培養(yǎng)面對復(fù)雜問題的綜合分析與統(tǒng)籌解決能力，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考，分析科學(xué)問題的意識，引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用不同學(xué)科理論知識、實(shí)驗(yàn)技術(shù)和手段解決實(shí)際問題的能力，進(jìn)一步加強(qiáng)對學(xué)生創(chuàng)新思維、實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)。

圖2 密集烤房虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容演示

教師一般需要提前1-2周發(fā)布課程任務(wù)，要求每組學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)通過查閱文獻(xiàn)資料，初步確定密集烤房工作原理實(shí)驗(yàn)方案。教師對學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)操作結(jié)果的科學(xué)性和可行性與學(xué)生進(jìn)行探討，互動式教學(xué)方式探索有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2 密集烤房虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)特色與效果評價(jià)

2.1 密集烤房虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)特色

基于密集烤房工作原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)了多維度沉浸式參與，實(shí)驗(yàn)教學(xué)可培養(yǎng)學(xué)生興趣和激發(fā)學(xué)生思考，顯著提高學(xué)生的內(nèi)在學(xué)習(xí)動力，有利于更好地掌握相關(guān)知識點(diǎn)，形成對密集烤房知識的自主構(gòu)建，加深了對密集烤房工作原理知識內(nèi)容的理解和運(yùn)用，強(qiáng)化了實(shí)踐操作和創(chuàng)新能力，增強(qiáng)了學(xué)生專業(yè)技能。

2.2 密集烤房虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果評價(jià)

基于密集烤房工作原理的知識點(diǎn)，在虛擬仿真平臺里面設(shè)置了12個(gè)交互步驟，以及相應(yīng)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程性評價(jià)。在學(xué)生實(shí)驗(yàn)效果評價(jià)方面，分別從基本理論、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、烤房工藝操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫等方面進(jìn)行綜合評測。另外，虛擬仿真烤房工作原理系統(tǒng)可云錄制學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作步驟，學(xué)生后期可以回放觀看自己的實(shí)驗(yàn)操作，有利于強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果。

為了優(yōu)化烤房工作原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，課題組根據(jù)學(xué)生的反饋結(jié)果進(jìn)行了多次討論，以學(xué)生為中心逐漸完善系統(tǒng)和交互步驟設(shè)置，逐漸提高教學(xué)效果，并為下一階段的虛擬仿真課程開發(fā)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

3 總結(jié)與展望

煙草調(diào)制學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索充分落實(shí)立德樹人任務(wù)，構(gòu)建了以學(xué)生為主體的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體系，建設(shè)了具有先進(jìn)性、前瞻性和時(shí)代性的煙草調(diào)制學(xué)虛擬仿真課程內(nèi)容體系，切實(shí)提高了課程質(zhì)量，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難題[14]，使學(xué)生不僅可實(shí)現(xiàn)專業(yè)知識的學(xué)習(xí)和技能的提升，而且還可與生產(chǎn)實(shí)際和煙草行業(yè)發(fā)展相融合，該模式為煙草專業(yè)復(fù)合型專業(yè)人才培養(yǎng)奠定良好的基礎(chǔ)。