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虛擬仿真技術(shù)在糧食儲(chǔ)藏實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用與研究

2018-09-03 07:09:56李慧王殿軒
大學(xué)教育 2018年7期
關(guān)鍵詞:虛擬仿真技術(shù)實(shí)踐教學(xué)

李慧 王殿軒

[摘 要]培養(yǎng)高素質(zhì)的糧食儲(chǔ)藏人才是維護(hù)國(guó)家糧食儲(chǔ)備安全的重要保障。傳統(tǒng)的糧食儲(chǔ)藏專業(yè)人才培養(yǎng)教學(xué)模式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足社會(huì)對(duì)于糧油保管專業(yè)人才的需求。由于專業(yè)的特殊性,糧食儲(chǔ)藏教學(xué)需要大量的實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)備和相關(guān)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)儀器,但由于教學(xué)規(guī)模、場(chǎng)地、資金等條件的制約,無論是在實(shí)驗(yàn)室建設(shè),還是在實(shí)訓(xùn)設(shè)備的硬件準(zhǔn)備方面,現(xiàn)有的培養(yǎng)模式與實(shí)際需要還存在較大差距。虛擬仿真技術(shù)綜合利用各項(xiàng)高新技術(shù)構(gòu)建虛擬仿真的學(xué)習(xí)環(huán)境,為傳統(tǒng)教學(xué)提供了一種新的教學(xué)模式和教學(xué)手段。

[關(guān)鍵詞]虛擬仿真技術(shù);糧食儲(chǔ)藏;實(shí)踐教學(xué)

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437(2018)07-0080-03

○、引言

糧食儲(chǔ)藏課程涉及如儲(chǔ)藏物害蟲防治、糧食通風(fēng)干燥、氣調(diào)儲(chǔ)糧、環(huán)流熏蒸、糧油品質(zhì)檢測(cè)、倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備工藝等糧食儲(chǔ)藏的基本技術(shù)和手段,有著很強(qiáng)的實(shí)踐性[1]。該課程以糧食儲(chǔ)藏專業(yè)的學(xué)生為教授對(duì)象,除了理論知識(shí)的講解外,更注重實(shí)踐與實(shí)驗(yàn),學(xué)生可通過實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐來加深對(duì)理論的理解。傳統(tǒng)的教學(xué)模式缺乏直觀性和互動(dòng)性,又受到師資力量、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備、教學(xué)經(jīng)費(fèi)、教學(xué)場(chǎng)地等因素的制約,這些導(dǎo)致學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解不透徹;由于實(shí)操訓(xùn)練匱乏,學(xué)生的積極性難以被調(diào)動(dòng),這既不利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新能力,又不利于教學(xué)效果的提高[2]。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展,越來越多的信息化技術(shù)被應(yīng)用到課堂教學(xué)當(dāng)中。虛擬仿真教學(xué)技術(shù)不僅成本低、效率高、功能全,同時(shí)還具有沉浸性、交互性、逼真性等特點(diǎn),通過開展人機(jī)交流互動(dòng),可幫助學(xué)生更好地掌握知識(shí)點(diǎn),提高學(xué)生的實(shí)際操作技能[3][4][5]。目前,虛擬仿真學(xué)習(xí)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外高校得到了廣泛的應(yīng)用,如美國(guó)華盛頓大學(xué)開發(fā)的數(shù)字解剖學(xué)家系統(tǒng),德國(guó)漢堡大學(xué)開發(fā)的Voxel-Man系統(tǒng),霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究院開發(fā)的轉(zhuǎn)基因?qū)嶒?yàn)室,諾貝爾基金會(huì)創(chuàng)辦的虛擬生化實(shí)驗(yàn)室;國(guó)內(nèi)清華大學(xué)、北京大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)等高校也已陸續(xù)開展了虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面的研究,著手開發(fā)了虛擬生物實(shí)驗(yàn)室、虛擬醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室等。如何讓虛擬仿真技術(shù)更好地融入實(shí)踐教學(xué)中,成為我國(guó)教育變革和發(fā)展的方向[6][7][8][9][10]。

一、儲(chǔ)藏物教學(xué)現(xiàn)狀分析

糧食儲(chǔ)藏教學(xué)主要包括兩大部分的內(nèi)容:以研究糧食本身的屬性及糧堆的特性為基礎(chǔ),研究糧食儲(chǔ)存技術(shù)的理論、設(shè)備、應(yīng)用為主要內(nèi)容的糧油儲(chǔ)藏學(xué),以及以研究?jī)?chǔ)藏物昆蟲的形態(tài)、分類、生理、行為、生態(tài)及儲(chǔ)藏物害蟲的綜合防治原理與技術(shù)為主的儲(chǔ)藏物害蟲與防治。因此,儲(chǔ)藏物實(shí)踐教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際操作能力方面具有舉足輕重的作用,肩負(fù)著為我國(guó)糧食倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)培養(yǎng)具備優(yōu)良工程素質(zhì)、工程思維和工程實(shí)施能力的基礎(chǔ)型、應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才的重任。

糧食儲(chǔ)藏實(shí)踐教學(xué)的目的在于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力、專業(yè)技能和創(chuàng)新思維能力,以現(xiàn)階段的教學(xué)模式而言,儲(chǔ)藏物實(shí)踐教學(xué)主要面臨以下幾個(gè)方面的問題。第一,儲(chǔ)藏物實(shí)踐課堂教學(xué)主要以多媒體課件、板書的形式授課,表現(xiàn)形式單一,不利于學(xué)生知識(shí)的消化、理解和吸收。第二,糧食儲(chǔ)藏教學(xué)對(duì)于儲(chǔ)藏物昆蟲的教授主要是讓學(xué)生通過觀察各種類型的昆蟲標(biāo)本(鐘罩式、展翅式、黏貼式、活頁(yè)式、表蓋式、指形管式、安培瓶式等)、蠟像模型來了解昆蟲分類及組織器官形態(tài)結(jié)構(gòu)的差別,但由于儲(chǔ)藏物昆蟲標(biāo)本大都體積較小,非常容易損毀,同時(shí)儲(chǔ)藏物昆蟲不像農(nóng)業(yè)昆蟲或其他昆蟲一樣具有鮮艷的色彩或美麗的外形,難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和熱情。第三,教學(xué)場(chǎng)地欠缺,現(xiàn)有儀器、裝備無法滿足實(shí)踐教學(xué)的需求。倉(cāng)儲(chǔ)工序和倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備等只有專業(yè)化糧庫(kù)或大型糧油加工企業(yè)才配備,由于有些設(shè)備需要較大的場(chǎng)地保障,實(shí)驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生費(fèi)用等諸多客觀因素,許多實(shí)踐操作項(xiàng)目只能由教師或少部分學(xué)生執(zhí)行,大部分人在旁邊觀摩,這不利于高水平創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

由此可見,目前的傳統(tǒng)教學(xué)模式已不能完全適應(yīng)當(dāng)前學(xué)科發(fā)展和社會(huì)對(duì)糧食儲(chǔ)藏人才的要求,極大地阻礙了糧食儲(chǔ)藏專業(yè)人才的培養(yǎng),需要尋求有效的方法和手段來改教學(xué)效果。

二、虛擬仿真技術(shù)在儲(chǔ)藏物教學(xué)中的應(yīng)用及其優(yōu)勢(shì)

(一)儲(chǔ)藏物昆蟲三維實(shí)體教學(xué)

傳統(tǒng)的儲(chǔ)藏物昆蟲教學(xué)以多媒體課堂教學(xué)為主、通過圖片、Flash動(dòng)畫、標(biāo)本、教學(xué)模型等來向?qū)W生展示,并配以昆蟲學(xué)實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐操作來加深學(xué)生對(duì)儲(chǔ)藏物昆蟲的理解。但是隨著糧食生產(chǎn)、收獲方式的改變,各種新型儲(chǔ)糧技術(shù)的綜合應(yīng)用,教學(xué)用的昆蟲標(biāo)本資源除去常見的米象、玉米象、谷蠹等鞘翅目昆蟲,以及印度谷螟、麥蛾等鱗翅目昆蟲外,其他種類的昆蟲標(biāo)本匱乏,這使得儲(chǔ)藏物昆蟲教學(xué)質(zhì)量受到嚴(yán)重的影響。而虛擬仿真教學(xué)結(jié)合三維激光掃描(3D laser scanning)、計(jì)算機(jī)斷層掃描(Computed tomography,CT)和磁共振成像(Magnetic resonance imaging,MRI)等技術(shù),以獲取昆蟲體壁、感覺器官、消化系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、排泄系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)等的高清晰、高分辨率的圖像數(shù)據(jù)和數(shù)字三維模型。如玉米象和米象,這是兩種重要的儲(chǔ)糧害蟲,在形態(tài)上極為相似,初學(xué)者很難區(qū)分。目前國(guó)內(nèi)外唯一可靠的區(qū)別特征是外生殖器,但要經(jīng)過一系列的解剖操作才能準(zhǔn)確鑒別。通過三維仿真標(biāo)本,二者的外生殖器結(jié)構(gòu)所有部位可以被任意旋轉(zhuǎn)、剖切,學(xué)生對(duì)于感興趣的結(jié)構(gòu)還可以進(jìn)行放大、縮小顯示,并可利用其透視功能,將各個(gè)解剖結(jié)構(gòu)透明而清晰地顯示,以獲得更加感性的認(rèn)識(shí),這能幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)效果。

(二)使用虛擬仿真軟件模擬實(shí)踐教學(xué)

糧食儲(chǔ)藏實(shí)踐教學(xué)期間,教師和學(xué)生需要在真實(shí)的實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室、糧庫(kù)、加工車間等進(jìn)行模擬實(shí)踐。比如,磷化氫環(huán)流熏蒸殺蟲實(shí)驗(yàn),需要在糧倉(cāng)內(nèi)外設(shè)置環(huán)流管道,通過環(huán)流管道把風(fēng)機(jī)、風(fēng)道、糧堆連接成一個(gè)閉合環(huán)流熏蒸回路,期間需要連續(xù)監(jiān)測(cè)磷化氫氣體濃度,要20天以上才能完成整個(gè)環(huán)節(jié)流程。整個(gè)實(shí)驗(yàn)不僅需要很多配套的設(shè)備和較大的教學(xué)場(chǎng)地,而且需要多個(gè)不同類型的實(shí)驗(yàn)室協(xié)同配合,正常學(xué)時(shí)內(nèi)無法完成。另外,還有一些實(shí)操訓(xùn)練,如糧食通風(fēng)干燥、氣調(diào)儲(chǔ)糧、環(huán)流熏蒸、倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備工藝等知識(shí),由于實(shí)驗(yàn)室條件所限不能開設(shè),或開展過程受時(shí)間、地點(diǎn)、人力、物力、財(cái)力等的約束,致使學(xué)生真正獨(dú)立動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)很少,這降低了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的欲望。這些技術(shù)學(xué)生在今后的科研工作中很可能會(huì)用到,它們具有重要的代表意義,缺少這些環(huán)節(jié)會(huì)導(dǎo)致學(xué)生對(duì)整個(gè)糧食儲(chǔ)藏技術(shù)的認(rèn)知缺乏系統(tǒng)性和全面性,會(huì)導(dǎo)致教學(xué)實(shí)踐嚴(yán)重脫離生產(chǎn)實(shí)際,不能滿足用人單位的需求。

而通過使用虛擬仿真技術(shù),建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室,可有效突破傳統(tǒng)教學(xué)在時(shí)間、空間以及實(shí)驗(yàn)條件上的限制,在有限的學(xué)時(shí)、經(jīng)費(fèi)內(nèi)利用計(jì)算機(jī)和軟件為學(xué)生教授普通教學(xué)無法進(jìn)行而又十分常用、重要的糧食儲(chǔ)藏實(shí)操訓(xùn)練項(xiàng)目,達(dá)到增加學(xué)生知識(shí)量、延伸課時(shí)的作用[11]。指導(dǎo)教師可以根據(jù)教學(xué)或生產(chǎn)實(shí)際需要,針對(duì)糧食儲(chǔ)藏生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié),專門設(shè)計(jì)虛擬實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目、虛擬場(chǎng)景,讓學(xué)生可以進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室,理解機(jī)器設(shè)備運(yùn)行的原理和運(yùn)行過程,熟悉機(jī)器設(shè)備操作順序、步驟;掌握技術(shù)參數(shù)和要點(diǎn),這既避免了實(shí)際操作中機(jī)器設(shè)備的損耗,又降低了真實(shí)環(huán)境下由于學(xué)生操作失誤而引發(fā)運(yùn)行事故的幾率。指導(dǎo)教師還可以靈活安排實(shí)操時(shí)間和地點(diǎn),對(duì)學(xué)生的實(shí)踐操作進(jìn)行指導(dǎo)和控制,觀察學(xué)生的模擬操作技術(shù),在線和學(xué)生進(jìn)行溝通交流,學(xué)生也可以在線請(qǐng)教教師,這種方式可以激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣,達(dá)到良好的互動(dòng)教學(xué)效果。此外,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室還可以起到讓學(xué)生在課前預(yù)實(shí)驗(yàn)的效果,增強(qiáng)學(xué)生實(shí)際實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的熟練程度,讓學(xué)生課后對(duì)實(shí)驗(yàn)也能做到反復(fù)練習(xí)、反復(fù)再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)情景。

(三)使用虛擬仿真軟件方便實(shí)踐教學(xué)管理

虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)不僅適用于虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)領(lǐng)域,其還可延伸或擴(kuò)展成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)與管理的綜合應(yīng)用平臺(tái),實(shí)現(xiàn)資源共享、實(shí)驗(yàn)預(yù)約、在線交流、在線監(jiān)控、過程回放等功能,提高教學(xué)資源的利用效率,并且它可以讓學(xué)生隨時(shí)隨地實(shí)驗(yàn),甚至可以開放給校外用戶,并對(duì)實(shí)驗(yàn)過程精確跟蹤指導(dǎo)。

學(xué)生進(jìn)入虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)后,可以查閱對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)資料,通過預(yù)習(xí)關(guān)卡,方能進(jìn)入實(shí)驗(yàn)。針對(duì)實(shí)驗(yàn)室教師巡視學(xué)生實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)的場(chǎng)景需求,可以為網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室提供監(jiān)控和錄像功能。教師可在任何地點(diǎn)同時(shí)監(jiān)控多個(gè)屏幕,觀察學(xué)生的實(shí)操過程。同時(shí),學(xué)生實(shí)操過程被錄制,在提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí),錄像數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)上傳到服務(wù)器,一并提交給教師。指導(dǎo)教師通過回放實(shí)驗(yàn)錄像,對(duì)學(xué)生的實(shí)操進(jìn)行批閱。學(xué)生可以通過批閱后的視頻,更直觀地了解到實(shí)操過程中出現(xiàn)的問題。虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)支持B/S結(jié)構(gòu)的在線即時(shí)互動(dòng)交流,且可利用圖片、文字、語(yǔ)音等多種方式,實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)教師跟學(xué)生之間的互動(dòng)答疑。

學(xué)生的進(jìn)行實(shí)操訓(xùn)練時(shí),虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)會(huì)自動(dòng)計(jì)時(shí)并對(duì)操作的步驟進(jìn)行評(píng)判,并建立多維數(shù)據(jù)模型(CUBE),從多種維度對(duì)實(shí)操數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),這樣能排除主觀因素,對(duì)學(xué)生考核的結(jié)果做到客觀公正,公信力更強(qiáng)。同時(shí),平臺(tái)系統(tǒng)能靈活地設(shè)置關(guān)注的屬性,從而定制各種復(fù)雜的查詢場(chǎng)景得到預(yù)期的查詢報(bào)表。報(bào)表的形式按照不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景分別用列表、柱狀圖、餅狀圖、拆線圖等形式展示,這能讓報(bào)表更直觀、生動(dòng)、形象,方便指導(dǎo)教師對(duì)學(xué)生實(shí)操成績(jī)進(jìn)行分析、評(píng)價(jià),為教師了解學(xué)生對(duì)實(shí)操內(nèi)容的掌握情況、制定個(gè)性化培養(yǎng)方案提供決策依據(jù)。

三、虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中存在的問題

(一)虛擬仿真平臺(tái)內(nèi)容較單一、封閉

內(nèi)容設(shè)計(jì)是虛擬仿真教學(xué)體系建設(shè)的主要內(nèi)容,現(xiàn)有的虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)開發(fā)人員較少,缺乏內(nèi)容支持。目前各大高校已有的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),學(xué)生只能遵照設(shè)定的程序進(jìn)行操作,這種模式在一定程度上限定了教學(xué)內(nèi)容與教師的教學(xué)表達(dá)方式,限制了學(xué)生的思維模式,不利于學(xué)生創(chuàng)造性和個(gè)性的發(fā)揮。因此,現(xiàn)階段虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)該遵循以下幾個(gè)原則:按照一定的專業(yè)方向進(jìn)行跨領(lǐng)域、交叉學(xué)科的協(xié)同資源整合,進(jìn)行資源分類;建立動(dòng)態(tài)的實(shí)操任務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù),按照實(shí)際生產(chǎn)需求進(jìn)行分類整合;實(shí)現(xiàn)校內(nèi)外和本地區(qū)及更廣范圍的糧油工程類實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的共享,積極與更多的國(guó)內(nèi)外著名的企業(yè)合作,建立可持續(xù)發(fā)展的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)支撐體系。

(二)進(jìn)一步優(yōu)化整合資源,提升平臺(tái)的開放性

可以利用先進(jìn)的大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)技術(shù)整合分散、凌亂的實(shí)驗(yàn)資源,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有資源的優(yōu)化合理設(shè)計(jì);將虛擬仿真平臺(tái)的安全性和開放性有機(jī)結(jié)合起來,在保證系統(tǒng)資源和數(shù)據(jù)保密的前提下,可以將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的資源提供給遠(yuǎn)程的互聯(lián)網(wǎng)客戶,開放資源給兄弟院校,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。同時(shí),開放部分權(quán)限給學(xué)生,調(diào)動(dòng)學(xué)生的探索欲望,鼓勵(lì)引導(dǎo)學(xué)生利用平臺(tái)自由組隊(duì),開展設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn),建立有利于學(xué)生個(gè)性成長(zhǎng)的自主式、合作式、研究式學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

四、結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》和《關(guān)于開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》文件精神,國(guó)內(nèi)已于2013年啟動(dòng)開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)戰(zhàn)略,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)依托網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、多媒體技術(shù)等,直觀、生動(dòng)地展現(xiàn)各種實(shí)驗(yàn)技術(shù)的基本原理和實(shí)驗(yàn)流程,為學(xué)生的實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)提供更加完善的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景。實(shí)踐證明,充分利用和發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)在糧食儲(chǔ)藏教學(xué)中的優(yōu)勢(shì),可以很好地豐富和補(bǔ)充傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段,可激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲,可增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、提高學(xué)生的實(shí)訓(xùn)操作效率,進(jìn)一步提高學(xué)生的職業(yè)技能和綜合能力,為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[責(zé)任編輯:陳 明]

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