楊永學(xué),孫曉璐
(阜陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院,安徽 阜陽 236031)
為推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目, 拓展實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容廣度和深度, 延伸實(shí)踐教學(xué)時(shí)間和空間, 提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平,2018年6月教育部發(fā)布《關(guān)于開展國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》。 2022年2月《教育部高等教育司2022年工作要點(diǎn)》明確指出,在推動(dòng)高等教育課程體系和教學(xué)內(nèi)容改革中,推出一批線上、線下、線上線下混合、虛擬仿真、社會(huì)實(shí)踐“金課”。 實(shí)施“中國金課行動(dòng)”,建設(shè)“一流課程網(wǎng)”,提供優(yōu)質(zhì)課程資源和教學(xué)案例;在全面推進(jìn)高等教育教學(xué)數(shù)字化中,推進(jìn)“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)2.0”建設(shè),強(qiáng)化“實(shí)驗(yàn)空間”平臺(tái)應(yīng)用[1]。 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為國家教育教學(xué)數(shù)字化戰(zhàn)略的重要內(nèi)容, 是目前高等學(xué)校三教改革的重點(diǎn)內(nèi)容之一,對(duì)高校教學(xué)實(shí)踐資源建設(shè)、高等教育教學(xué)質(zhì)量、人才培養(yǎng)有著舉足輕重的作用[2,4]。
隨著新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式的新時(shí)代經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型及內(nèi)涵式發(fā)展的轉(zhuǎn)變, 精釀啤酒契合了新生代消費(fèi)者對(duì)啤酒高端化、多元化、個(gè)性化的追求,如雨后春筍得以迅猛發(fā)展[5]。 在當(dāng)下高校的專業(yè)課程設(shè)置中, 精釀啤酒生產(chǎn)技術(shù)課程的開設(shè)主要涉及食品、生物兩類專業(yè),在開展精釀啤酒的實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中,存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量少、學(xué)生人數(shù)多、成本高、耗時(shí)長等問題[6],精釀啤酒生產(chǎn)技術(shù)的教學(xué)效果難以達(dá)到預(yù)期,導(dǎo)致學(xué)生職業(yè)技能水平參差不齊。精釀啤酒虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的引入, 彌補(bǔ)了精釀啤酒生產(chǎn)技術(shù)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的不足,同時(shí)提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性,為培養(yǎng)高素養(yǎng)、高技能水平、創(chuàng)新型人才發(fā)揮了積極作用[7]。 以學(xué)生為中心的精釀啤酒虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和教學(xué)方法,完善了真實(shí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)情境,提升了實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果, 對(duì)精釀啤酒虛擬仿真在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了探索。
隨著數(shù)字信息技術(shù)的發(fā)展和教育信息化的升級(jí)迭代,教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)得以實(shí)現(xiàn),正是在這一背景下, 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)賦能高?,F(xiàn)代化職業(yè)教育,助力高等教育強(qiáng)國建設(shè)[8]。
不少職業(yè)院校開設(shè)了啤酒生產(chǎn)技術(shù)課程, 但啤酒生產(chǎn)實(shí)踐教學(xué)存在很多問題。
(1)啤酒生產(chǎn)設(shè)備、原料的成本高。 由于啤酒生產(chǎn)設(shè)備占地面積較大,且設(shè)備成本較高,絕大多數(shù)高校不具備批量生產(chǎn)設(shè)備的條件, 即便是部分院校投建了啤酒生產(chǎn)車間,但設(shè)備數(shù)量較少,在實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中,不可能讓每一位同學(xué)都進(jìn)行實(shí)際操作。 同時(shí),由于生產(chǎn)啤酒所需的麥芽、 酵母和啤酒花等原料成本較高,學(xué)生們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的機(jī)會(huì)較少,這就導(dǎo)致了學(xué)生職業(yè)技能水平不高, 不能很好地為學(xué)生就業(yè)起到鋪墊基石的作用。
(2)啤酒生產(chǎn)的耗時(shí)性。啤酒的生產(chǎn)過程至少需要連續(xù)9 h,除了粉碎、投料等操作,其他大部分時(shí)間都在等待, 生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵操作步驟只能由教師操作演示并進(jìn)行講解,讓學(xué)生觀看學(xué)習(xí)。啤酒在后續(xù)發(fā)酵管理過程中, 需要不斷取樣進(jìn)行殘?zhí)堑臏y(cè)量直至發(fā)酵結(jié)束,一般需經(jīng)歷20 d 左右的時(shí)間才能成熟。啤酒生產(chǎn)的整個(gè)流程較為耗時(shí),很難滿足學(xué)生對(duì)啤酒生產(chǎn)過程反復(fù)實(shí)驗(yàn)的需求。
(3)啤酒生產(chǎn)過程的危險(xiǎn)性。啤酒在生產(chǎn)過程中會(huì)使用蒸汽, 在操作閥門的開關(guān)過程中易被高溫蒸汽管道燙傷。此外,在CIP 清洗發(fā)酵罐體時(shí)需使用強(qiáng)堿清洗,強(qiáng)堿溶液的配制和使用具有一定的危險(xiǎn)性。無論是煮沸的麥汁、高溫的蒸汽管道還是強(qiáng)堿溶液,在實(shí)驗(yàn)操作過程中,都需確保學(xué)生人身安全。
(4)啤酒教學(xué)模式的固化。 目前,大部分高校開設(shè)的精釀啤酒生產(chǎn)技術(shù)課程在實(shí)際教學(xué)過程中,主要以理論知識(shí)和多媒體課件的講授為主, 教學(xué)模式固定單一,較為枯燥,學(xué)生學(xué)習(xí)興趣較低,主動(dòng)學(xué)習(xí)能力較弱,教學(xué)效果較差。
(5)工業(yè)啤酒配方的單一性。傳統(tǒng)工業(yè)啤酒種類較為單一,口感較為單薄寡淡。 精釀啤酒種類較多,口感濃郁香醇,給人帶來不一樣的體驗(yàn),配方的多元化讓啤酒世界更豐富精彩,如德式小麥啤酒、比利時(shí)小麥啤酒、IPA、果啤、茶啤、牛奶世濤等,不同種類精釀啤酒所需原料配方和生產(chǎn)工藝大相徑庭。 學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中, 往往只能生產(chǎn)一種或兩種類型的精釀啤酒, 對(duì)于不同種類精釀啤酒的原料和配比及生產(chǎn)工藝?yán)斫廨^為淺顯, 不利于培養(yǎng)現(xiàn)代企業(yè)所需的高技能人才和創(chuàng)新型人才。
精釀啤酒虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)秉承虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、 以虛促實(shí)、 驗(yàn)證與創(chuàng)新有機(jī)融合的教學(xué)理念, 使學(xué)生從感性認(rèn)識(shí)上升到對(duì)生產(chǎn)過程更深層次的理性認(rèn)識(shí),構(gòu)建了新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,有效地解決了實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中“三高三難”的問題,實(shí)現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容由課堂向課外的延伸,這種形象逼真、生動(dòng)有趣、 闖關(guān)模式的教學(xué)方法真實(shí)再現(xiàn)精釀啤酒生產(chǎn)場景,不受生產(chǎn)設(shè)備高成本、生產(chǎn)過程高耗時(shí)和高風(fēng)險(xiǎn)影響,能夠多次重復(fù)觀摩和練習(xí),充分提高了教學(xué)效率和教學(xué)效果。
精釀啤酒虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施, 一方面可解決學(xué)生在企業(yè)實(shí)習(xí)過程中遇到的難題, 另一方面順應(yīng)了教學(xué)數(shù)字化的趨勢(shì), 新型的教學(xué)模式和教學(xué)方法契合了高校三教改革的需求。同時(shí),也豐富了高校職業(yè)現(xiàn)代化的實(shí)踐教學(xué)資源。此外,還有利于學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)的提升, 職業(yè)技能水平的提高和創(chuàng)新型思維的養(yǎng)成。因此,作為精釀啤酒生產(chǎn)技術(shù)課程系統(tǒng)性變革的內(nèi)生變量, 精釀啤酒虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于教育教學(xué)質(zhì)量提升方面的必要性不言而喻。
精釀啤酒虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛘鎸?shí)地還原工廠車間生產(chǎn)場景,身臨其境地體驗(yàn)實(shí)際生產(chǎn)操作,讓學(xué)生在感官和理性認(rèn)知方面增加直觀記憶要素, 易于理解內(nèi)化。在2021 級(jí)食品專業(yè)學(xué)生虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,學(xué)生們都表現(xiàn)出較高的學(xué)習(xí)興趣,而且大部分同學(xué)在理論知識(shí)學(xué)習(xí)后, 幾乎不需要借助于虛擬仿真平臺(tái)提供的操作手冊(cè)或視頻, 便可直接在三維動(dòng)畫中利用藍(lán)色光圈亮點(diǎn)提示進(jìn)行操作, 這些都與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程特點(diǎn)有著緊密的關(guān)系。
精釀啤酒虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程有以下特點(diǎn): ①具有直觀性, 相較于傳統(tǒng)課程中存在的生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)部組成構(gòu)件、工作原理及管道流向等諸多抽象問題,虛擬仿真技術(shù)能夠直觀地通過三維動(dòng)畫全方位演示清晰地呈現(xiàn)出來,便于觀察和認(rèn)知;②具有高仿真的特點(diǎn),虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛘鎸?shí)還原工廠的各模塊場景,與實(shí)際職業(yè)情境相對(duì)接, 增強(qiáng)了與行業(yè)企業(yè)崗位實(shí)踐的契合度;③具有交互性、闖關(guān)趣味性的特點(diǎn),虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過人機(jī)交互、 仿DCS 與3D 現(xiàn)場交互產(chǎn)生與真實(shí)崗位一致的情境, 讓學(xué)生能夠沉浸式地學(xué)習(xí),智能性的交互,給枯燥的知識(shí)學(xué)習(xí)賦予了闖關(guān)趣味性,激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在源動(dòng)力,培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識(shí); ④具有減少試錯(cuò)成本和實(shí)驗(yàn)事故的特點(diǎn)。 在精釀啤酒實(shí)際生產(chǎn)中,一旦操作失誤,就會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗造成原料的浪費(fèi), 亦或?qū)е聦?shí)驗(yàn)事故的發(fā)生。在精釀啤酒虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的模擬練習(xí)中,如果操作失誤, 虛擬仿真系統(tǒng)會(huì)模擬出相應(yīng)的危險(xiǎn)后果,讓學(xué)生意識(shí)到正確操作的重要性,從而可極大地減少在實(shí)際實(shí)訓(xùn)生產(chǎn)中的錯(cuò)誤操作和實(shí)驗(yàn)事故。
精釀啤酒虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分為精釀啤酒3D生產(chǎn)工藝仿真和3D 認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)仿真兩個(gè)模塊。 3D 生產(chǎn)工藝仿真模塊包含原料粉碎工段、糖化工段、發(fā)酵工段、CIP 系統(tǒng)清洗工段4 個(gè)仿真數(shù)據(jù)庫,其中糖化工段包含糖化鍋、過濾槽、煮沸鍋、旋沉槽4 個(gè)工序,在糖化鍋這步工序中有麥汁濃度檢測(cè)、還原糖檢測(cè)、苦味質(zhì)檢測(cè)和總酸檢測(cè)等采樣測(cè)試, 發(fā)酵工段包含發(fā)酵罐、清酒罐、酵母系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)4 個(gè)工序。 3D認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)仿真模塊包含入廠培訓(xùn)、安全教育培訓(xùn)、安全護(hù)具及控制培訓(xùn)、 原料和糖化及發(fā)酵車間培訓(xùn)6個(gè)仿真數(shù)據(jù)庫,內(nèi)容涉及安全管理、生產(chǎn)工藝、設(shè)備原理、自動(dòng)控制等方面,操作者可以自由選擇認(rèn)識(shí)區(qū)域進(jìn)行學(xué)習(xí)。
精釀啤酒虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有整套完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體系,涵蓋了生物、食品、化學(xué)、物理、機(jī)械等多學(xué)科交叉的知識(shí),以視頻、虛擬仿真動(dòng)畫實(shí)驗(yàn)或數(shù)據(jù)庫的形式呈現(xiàn)出來, 能夠給學(xué)生提供較全面的、最真實(shí)的操作情境,生動(dòng)直觀的體驗(yàn)感讓學(xué)生更易于認(rèn)知和理解相關(guān)內(nèi)容。
圖1 精釀啤酒虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
精釀啤酒虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可設(shè)置藍(lán)色光圈亮點(diǎn)提示進(jìn)行精釀啤酒3D 生產(chǎn)工藝仿真的練習(xí), 不限時(shí)間、不限次數(shù),隨時(shí)隨地均可開展學(xué)習(xí)。 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的考核, 可通過操作質(zhì)量評(píng)分系統(tǒng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)。 操作質(zhì)量評(píng)分系統(tǒng)同步記錄學(xué)生的每一步操作步驟,并依據(jù)學(xué)生操作生產(chǎn)工藝流程順序、參數(shù)范圍設(shè)定、 綜合實(shí)驗(yàn)成果以及熟練度自動(dòng)進(jìn)行評(píng)分,能夠客觀地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。
針對(duì)傳統(tǒng)啤酒生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)所面臨的“三高三難”問題,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可完美解決這一難題,突破了時(shí)間、空間、原料以及設(shè)備的限制,學(xué)習(xí)內(nèi)容和方式具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法企及的開放性和靈活性[9]。 同時(shí)還能豐富實(shí)踐教學(xué)資源,推動(dòng)多元混合教學(xué)方式,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性,提高教學(xué)效果,促進(jìn)學(xué)生在職業(yè)技能、素養(yǎng)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力方面的有效提升,培養(yǎng)出符合企業(yè)所需復(fù)合型人才,更好地為社會(huì)服務(wù)。
精釀啤酒虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容拓展了專業(yè)領(lǐng)域和相關(guān)的知識(shí)領(lǐng)域, 其3D 認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)仿真模塊包含安全教育培訓(xùn)、安全護(hù)具及控制培訓(xùn)等內(nèi)容,涉及到DCS 控制系統(tǒng)、各種儀表、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、真空泵設(shè)備等自動(dòng)控制和設(shè)備原理知識(shí)點(diǎn), 這些都是現(xiàn)代啤酒企業(yè)要求從業(yè)員工所必須具備的知識(shí)技能儲(chǔ)備,恰恰是食品、生物專業(yè)學(xué)生較為薄弱的環(huán)節(jié),而學(xué)校受各種因素影響又無法開展相關(guān)知識(shí)的教育教學(xué), 這一短板通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)得以有效補(bǔ)充和外延。對(duì)于精釀啤酒生產(chǎn)工藝的虛擬仿真,也讓實(shí)驗(yàn)學(xué)資源得以充實(shí)完善。 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在豐富實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源的同時(shí),也拓寬了教師的教學(xué)視野,加強(qiáng)了教師對(duì)于現(xiàn)代化、數(shù)據(jù)化、智能化的高等教育數(shù)字化的認(rèn)識(shí),極大地提升了教師的教學(xué)能力。
基于“互聯(lián)網(wǎng)+教育”、“智能化+教育”,借助于學(xué)習(xí)通平臺(tái),秉承以學(xué)生為主體的教學(xué)理念,開展線上平臺(tái)、線下課堂、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)的多元混合教學(xué)方式, 學(xué)生首先可采用觀看視頻或文檔資料的方式在線上進(jìn)行預(yù)習(xí),再線下課堂深入學(xué)習(xí),其次通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行高還原度地、 反復(fù)地操作練習(xí),最后線下進(jìn)行真實(shí)生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)操作,深化知識(shí)的聯(lián)系和內(nèi)涵。 將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于線上線下混合式教學(xué)中,實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果。 這種多元混合教學(xué)方式的構(gòu)建,能夠讓學(xué)生更安全、多維度、深層次地學(xué)習(xí),實(shí)現(xiàn)操作實(shí)踐和知識(shí)遷移深度融合。
在精釀啤酒虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的場景中, 學(xué)生選定角色后,通過人機(jī)交互、三維實(shí)景交互、智能性交互,根據(jù)生產(chǎn)工藝流程順序進(jìn)行操作, 借助于界面右上角的操作任務(wù)提示和藍(lán)色光圈亮點(diǎn)的指引, 在如同闖關(guān)游戲趣味性的學(xué)習(xí)過程中, 學(xué)生能夠身臨其境沉浸式地學(xué)習(xí), 這極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和主動(dòng)性,學(xué)生以積極樂觀的心態(tài)主動(dòng)學(xué)習(xí)、反復(fù)練習(xí)操作,使技能操作水平得以鞏固和提高。對(duì)于精釀啤酒一個(gè)完整的生產(chǎn)工藝流程走下來, 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以將實(shí)際生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)所需要的9 h 壓縮至1 h,且不需要原料和設(shè)備。通過優(yōu)化時(shí)間效率和節(jié)省成本,有效地提升了教學(xué)效果。
精釀啤酒3D 生產(chǎn)工藝仿真和3D 認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)仿真兩個(gè)模塊的學(xué)習(xí), 不僅使學(xué)生職業(yè)技能水平得以提高, 還開闊了學(xué)生在安全和工科背景方面的知識(shí)視野,提升了學(xué)生的綜合職業(yè)素養(yǎng)。 其中,在生產(chǎn)工藝仿真模塊的成品展示區(qū)還有精釀啤酒配方的創(chuàng)新設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),在啤酒原料和基礎(chǔ)理論知識(shí)學(xué)習(xí)后,學(xué)生根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品精釀啤酒的特點(diǎn)可以選擇投加不同種類的麥芽、啤酒花、酵母等原料和設(shè)置不同的生產(chǎn)工藝參數(shù)來實(shí)現(xiàn), 提高了學(xué)生精釀啤酒多元化配方的設(shè)計(jì)能力,培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。通過精釀啤酒虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的引入, 可以提升學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)和技能水平及創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力, 促進(jìn)了學(xué)生綜合素質(zhì)能力的提升。
加強(qiáng)與當(dāng)?shù)鼐勂【破髽I(yè)的合作, 基于先進(jìn)企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)設(shè)備,吸收新理念、新技術(shù)、新工藝、新規(guī)范和新標(biāo)準(zhǔn),搭建與實(shí)際職業(yè)情境對(duì)接的精釀啤酒虛擬仿真實(shí)驗(yàn),通過校企深入合作,實(shí)現(xiàn)雙方優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、資源共享,重視人才質(zhì)量培養(yǎng),提高學(xué)生綜合素質(zhì)能力和就業(yè)競爭力, 培養(yǎng)真正適應(yīng)崗位需求的高素養(yǎng)技能人才。此外,精釀啤酒虛擬仿真實(shí)驗(yàn)還可以對(duì)社會(huì)開放,為創(chuàng)業(yè)者、精釀愛好者及企業(yè)員工培訓(xùn)提供豐富且實(shí)用的優(yōu)質(zhì)資源, 增強(qiáng)服務(wù)社會(huì)的能力。
目前教育數(shù)字化高級(jí)階段的虛擬現(xiàn)實(shí)、 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、全息影像等技術(shù)還不夠成熟,如虛擬現(xiàn)實(shí)存在著無法完全解決的眩暈感問題, 難以兼顧沉浸體驗(yàn)感和真實(shí)感的矛盾問題, 物理空間環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)智能交互學(xué)習(xí)環(huán)境一體化的銜接問題, 這些難題還有待進(jìn)一步完善。但毋庸置疑的是,隨著數(shù)字化與教育教學(xué)的深度發(fā)展和融合, 虛擬仿真技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在實(shí)踐教學(xué)中勢(shì)必會(huì)嶄露頭角綻放光芒, 不斷賦能職業(yè)教育新內(nèi)涵,重塑職業(yè)教育新生態(tài),更好地服務(wù)人才培養(yǎng)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展。