杨旭1,3，胡晓龙1,3，宋丽丽1,3，栗俊广1,2，望运滔1,2，白艳红1,2,3*
1(郑州轻工业大学食品与生物工程学院，河南郑州，450002)2(河南省冷链食品质量安全控制重点实验室，河南郑州，450002)3(郑州市代谢工程和系统生物学重点实验室，河南郑州，450002)
关键词虚拟仿真；白酒酿造；本科教育；实践教学
白酒作为我国优势固态发酵食品，其独特的酿造工艺作为典型固态发酵方式的代表被列入全国多所高校生物类专业的理论或实践教学环节中，在生物工程专业课程体系中占有十分重要的地位。目前我国白酒酿造工艺实践教学环节存在不足，影响了专业人才的工程实践能力和创新能力的培养，主要原因包括：
(1)传统教学课程目标不够清晰合理，导致学生不清楚应该具体掌握哪些知识和能力；
(2)传统教学实施中，教师处于教学主体地位，学生积极性差，接受度低，教学效果欠佳；
(3)实践教学环节课时制约及工厂实习安全等问题，导致学生在实验室及实习基地均很难完成白酒酿造工艺的系统学习和动手操作等；
(4)考核方式较为单一传统，欠缺对知识理解、分析和应用等深层次能力考核。
在这种教学模式下，学生不仅很难掌握一个完整的白酒酿造工艺操作过程，而且对核心环节的发酵过程控制也缺乏有效的实践，进而缺乏对发酵工程应用探究的主动性[1]。以新工科建设为契机，在推进工程教育“以学生为中心、产出导向、持续改进”核心理念全面改革过程中[2]，课程是人才培养的核心要素，课程质量直接决定人才培养质量[3-4]。
为适应知识获取和教学方法发生重大变化，加强信息技术与教育深度融合的要求，中国教育部赞助开发国家VSETP[5]。国家VSETP项目坚持“以学生为中心，以产出为导向，持续改进”的原则，突出实验教学的应用驱动、资源共享和信息化，以优质实验教学促进高等教育建设[6-7]。目前，该项目还在持续建设中。VSETP主要有以下特点：突出以学生为中心的实验教学理念，准确恰当的实验教学内容，创新多样的教学方法，先进可靠的实验研发技术，稳定安全的开放式操作模式和不断完善的实验评价体系。
国家VSETP的主要目标是“培养基础广泛、灵活的毕业生，能够互动思考，解决问题，并成为终身学习者”[8]。建立虚拟实验环境和仿真实验对象，构建网上共享虚拟仿真实验教学资源,通过“虚实结合”的教学方法，有效地改进了实验教学，使学生直观地体验整个工作流程，增强对理论知识的理解。
虚拟仿真教学模式通过“虚拟数据采集、虚拟现实、实验数据交叉整合”的方法，将虚拟仿真实验教学与传统的实践性实验和课堂理论相结合，有助于培养学生的综合实践能力和创新能力。
VSETP-LBP平台建设目标如下：
(1)理论知识构建：熟悉和掌握固态发酵的生物学本质和了解其代谢物形成机理；
(2)模拟仿真操作：了解和掌握固态白酒实际酿造过程、原理、生产操作要点；
(3)综合能力培养：提高学生综合运用理论知识和操作技能解决工程问题的能力；
(4)分析技能提升：综合分析实验结果,有条理、有逻辑的表达和完成实验报告。
对于教师来说，VSETP-LBP有具体的目标并可实时评估，而教师只需要提供明确的教学目标。从学生的角度来看，VSETP-LBP可激发学生相互协作与合作学习的能力(如解决问题能力)。同时，在不断的教学过程中，根据教学应用反馈可深入对其各种功能进行改进和完善。
VSETP-LBP平台软件的总体系统架构如图1所示，显示了各个模块(学生实验、教师教学)与数据库中存储的内容之间的关系。为保证VSETP的运行，VSETP-LBP采用云数据计算管理技术，依托高性能服务器和强大的校园网，可满足数千个并发访问(即学生在线学习)。
图1VSETP-LBP平台系统架构和功能框架Fig.1VSETP-LBPstructureandfunctionalframework
教师通过仿真程序教师端(CS架构)管理学员和试题，对仿真系统进行部署和维护。教师端通过网络通讯程序与运行在学生电脑的仿真程序学员端进行通讯，实现学员端仿真程序的启动和控制。教师和学生可以访问管理平台(BS架构)，进行基础信息(应用统计、访问统计、考试成绩等)的数据访问。管理平台也具备仿真程序教师端的功能，通过网络通讯层与运行在学生电脑的仿真程序学员端进行通讯，实现学员端仿真程序的启动和控制。仿真程序学员端部署在学生所在电脑，学员端的应用管理程序负责提供智能评分、工况管理、仿真程序生命周期管理等服务，并提供这些服务对仿真运行平台的访问功能。仿真运行平台创建仿真数据和计算单元，实现和维护仿真算法逻辑的运行。运行平台向应用管理程序提供仿真运算的实时结果。开发者通过仿真开发端提供的工具集进行建模，实现算法、图元和工艺的组态，对仿真程序中的工况和评分进行配置。所有建模数据保存在数据库中，并可以独立导出文件。
(1)VSETP-LBP实验模块
VSETP-LBP实验模块涵盖了白酒酿造工艺实验训练的全过程。整个教学活动通过在线实验和实时评价相结合的方式完成。实验过程中用户的信息可以通过服务器实时记录到数据库中。该平台涵盖了“开窖起糟”、“上甑蒸馏”、“摊晾下曲”和“入窖管理”等白酒酿造工艺流程的各个方面，使学生能够理解和掌握表1所述的每个操作步骤中的知识点(“n”表示VSETP-LBP平台的知识点数量)。
表1VSETP-LBP平台知识点Table1KnowledgepointofVSETP-LBPplatform
n知识点1开窖起糟(开窖起糟、黄水鉴定、母糟鉴定、续糟配料准备等)2上甑蒸馏(上甑操作、看花摘酒、粮食蒸煮糊化)3摊晾下曲(打量水、摊晾、下曲等)4入窖管理(入窖、踩窖、封窖、窖池养护等操作)
(2)VSETP-LBP管理模块
表2VSETP-LBP平台设备和软件要求Table2EquipmentandsoftwarerequirementsforVSETP-LBPplatform
教学方法、形式和资源是向学生传递教学内容的有效载体[9]。教学实施是达成课程目标的执行环节。针对白酒酿造工艺教学内容中理论知识和工程实践难点，需要合理选择和设计教学模式，才能达成相应课程目标。VSETP-LBP平台采用“理、虚、实”一体化的实践教学模式(图2)。
图2“理、虚、实”一体化的实践教学模式Fig.2Practicalteachingmodeofintegrationofreason,virtualandreality
实：在虚拟仿真实验学习的基础上，学生带着问题去白酒企业进行生产实习。在工厂实习阶段，针对企业的生产与管理、酿造工艺与原理、白酒勾调与品评等方面，尤其是酿造工艺方面，设计了10余项综合性问题。学生根据实际生产环节进行轮岗实习，全面了解白酒固态发酵工艺。
C.在线模拟生产环节：学生选择“考核模式”，在无操作指引的前提下对上述酿造工艺中的4个环节、60个步骤进行操作，根据各环节相应知识点及操作要点，设计相应工艺参数设置考核。
D.考核复习环节：虚拟仿真系统根据学生的操作动态反应过程参数，参照工艺标准对各环节操作步骤自动评分，最终生成实验报告及实验成绩。教师综合学生的理论学习程度、仿真实验成绩、现场实习表现等，找出学生知识的薄弱点并反馈于学生，进行因材施教，形成教学闭环，提高实践教学质量。
课程教学是否实现了既定的课程目标、完成了课程承担的产出任务，需要通过课程目标效果达成情况予以判定[10]。VSETP-LBP平台主要实践效果体现在以下几个方面：虚拟课程教学效果，学生对课程的评价，学生的实践能力和创新能力。
首先，教学效果表明虚拟仿真实验模式可应用于实验课程教学。从教师和学生的角度来看，实验教学推广的效果和质量更为显著，特别是学生实践技能的培养和实验细致程度的提高最为明显。除了教学过程的改进外，我们还在培养学生的创新实践能力方面取得了良好的成果。在虚拟仿真课程建设过程中，教师指导学生做大量的设计和测试工作，并进行独立实验和创新实验。这些结果反映了VSETP-LBP平台应用对学生创新实践能力的培养和提升。
其次，参加虚拟仿真实验实践后，学生对实验实践教学方法和课程形式评价的总体满意度较高，大多数学生认为课程效果超出了预期。学生指出：(1)VSETP-LBP实验设计全面、详细，思维清晰；(2)更加生动，非常有趣，同时运用个人思维能力和动手能力；(3)相对于传统实验教学来说，虚拟仿真实验更具有可操作性和便利性。
此外，VSETP-LBP平台还为本科生和研究生提供学习资源，帮助学生进行实验技能培训，有助于学生参加各种科技竞赛。例如：在2018首届全国大学生食品工程虚拟仿真大赛中，本专业学生获得了特等奖(证书编号：NDC18A110004312)；在2017年全国大学生生命科学竞赛中，本专业学生参赛项目“浓香型白酒窖泥中增己降乳原核微生物群落多样性解析”获得一等奖(证书编号：CULSC201701045)。
参考文献
[1]JINHX,OUYANGXK.Researchontheapplicationofinternet-assistedmethodintheteachingoffermentationengineeringbasedonthemarinecharacteristics[C].2ndInternationalSeminaronEducationResearchandSocialScience(ISERSS),KualaLumpur,Malaysia,2019.
[2]杨毅刚,宋庆,唐浩.工程教育专业认证与CDIO模式异同分析与相互借鉴[J].高等工程教育研究,2018(5):45-51.
[3]朱文优,陈文浩,张超,等.生物工程专业创新型应用人才培养方案与运行模式的设计与实践[J].食品与发酵工业,2020,46(9):295-300.
[4]薛山,江文辉,李变花.新工科浪潮下四段式混合教学金课建设探索与实践—以《食品安全与卫生学》为例[J].食品与发酵工业,2020,46(10):303-308.
[5]HEXX,HUAXH,MONTILLETJP,etal.Aninnovativevirtualsimulationteachingplatformondigitalmappingwithunmannedaerialvehicleforremotesensingeducation[J].RemoteSensing,2019,11.DOI:10.3390/rs11242993.
[6]QUSY,HUT,WUJL,etal.Experimentalteachingcenterplatformnewengineeringpracticeteachingmode[J].EurasiaJournalofMathematics,ScienceandTechnologyEducation,2017,13:4271-4279.
[7]张焕玲,李周岐,康永祥,等.国家级森林生物学虚拟仿真实验教学中心建设[J].实验室研究与探索,2017,36(1):152-155.
ZHANGHL,LIZQ,KANGYX,etal.Constructionofthenationalvirtualsimulationexperimentteachingcenterofforestbiology[J].ResearchandExplorationinLaboratory,2017,36(1):152-155.
[8]SHENY,YUP,LUH,etal.AnAI-basedvirtualsimulationexperimentalteachingsysteminspaceengineeringeducation[J].ComputerApplicationsinEngineeringEducation,2020:1-10.
[9]CHENJC,HUANGY,LINKY,etal.Developingahands-onactivityusingvirtualrealitytohelpstudentslearnbydoing[J].JournalofComputerAssistedLearning,2020,36(1):46-60.
[10]VALDEHITARE,MEDINA-MERODIO,JA,PLATARB.Studentacceptanceofvirtuallaboratoryandpracticalwork:Anextensionofthetechnologyacceptancemodel[J].Computers&Education,2019,135:1-14.
YANGXu1,3,HUXiaolong1,3,SONGLili1,3,LIJunguang1,2,WANGYuntao1,2,BAIYanhong1,2,3*
1(CollegeofFoodandBioengineering,ZhengzhouUniversityofLightIndustry,Zhengzhou450002,China)2(HenanKeyLaboratoryofColdChainFoodQualityandSafetyControl,Zhengzhou450002,China)3(ZhengzhouKeyLaboratoryofMetabolicEngineeringandSystemsBiology,Zhengzhou450002,China)
Keywordsvirtualsimulation;liquorbrewing;undergraduateeducation;practicalteaching
DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.025953
引用格式:杨旭，胡晓龙，宋丽丽，等.虚拟仿真实验平台助力白酒酿造工艺实践教学[J].食品与发酵工业,2021,47(5):309-314.YANGXu,HUXiaolong,SONGLili,etal.Constructionofvirtualsimulationexperimentalplatformforliquorbrewingpracticalteaching[J].FoodandFermentationIndustries,2021,47(5):309-314.
第一作者：博士，讲师(白艳红教授为通讯作者，E-mail：baiyanhong@zzuli.edu.cn)
基金项目：2019年度河南省虚拟仿真实验教学项目；郑州轻工业大学第十三批教学改革与研究项目；郑州轻工业大学博士科研启动基金项目(0123-13501050066);郑州轻工业大学第五批青年教师教学改革与研究项目