虚拟仿真实验平台助力白酒酿造工艺实践教学

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]。

针对上述问题，本课题组集中了学科内多位具有丰富工程实践、实验实习指导经验的教师与企业导师，借助虚拟现实技术的可视化、直观性等特点，开发出了白酒酿造工艺虚拟仿真实验教学平台(virtual simulation experiment teaching platform-liquor brewing process,VSETP-LBP)。白酒酿造本科教学特别是实验课程注重培养学生实践动手能力，其线上授课难度远大于理论课程。2020年疫情期间，“停课不停学”加速了虚拟仿真实验教学从过去的新尝试走到现在的新常态，破解了当下实验教学“做不到”、“做不了”、“做不上”等难题。师生在不受时间、空间以及设备台套数限制的情况下，通过三维可视化效果及实操、评分等环节，提升教学效果和实验能力，为实验教学质量保障提供了新的技术手段和强力支撑。这一教学改革实践不仅大大提升了实践场所的安全系数，培养了学生的操作规范性，消除了他们对操控中大型设备的陌生感；而且使其对发酵过程控制有了更为直观的认识，取得了良好的教学效果。为此，我们总结了教学改革中的经验供同行参考，以期形成有推广意义的实践教学平台，为强化学生的工程能力探索一条可行之路。

1 虚拟仿真实验教学平台特点与目标

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。

2 白酒固态酿造工艺虚拟仿真实验平台

2.1 建设目标

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。

2.2 系统架构与功能

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)。

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。

实验教学活动通过VSTEP-LBP校内、校外门户网站，通过教师和学生账号进行统一。教师和学生需要使用自己的个人账户，通过点击“登录”按钮进入教学管理课程学习系统进行验证。实验和管理这2个功能在不同的模块中进行教学：

(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)。

(2)VSETP-LBP管理模块

VSETP-LBP为不同的用户提供仿真实验的web界面和信息管理功能。每个学生或老师都有一个单独的账户。用户登录后，在服务器的引导下进入实验功能模块。其次，VSETP-LBP系统将实验教学过程的各个环节的信息记录到数据库(MySQL)中并进行统计分析。通过数据库实时记录功能，将VSETP-LBP平台上的所有(行为)数据和一些统计分析(如学生学习能力、学习效果和教学效果分析)存储在服务器上。最后，将这些统计分析结果反馈给学生和教师，帮助他们调整学习重心，改进教学方法。表2列出了VSETP-LBP平台设备和软件要求。

2.3 实践教学模式

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)。

理：在学生进行虚拟仿真实训及进入白酒企业生产实习前，指导教师将实训讲义、文献、相关视频等数字化教学资料提前下发至学生。学生课前预习，教师采用多媒体教学方式讲授白酒固态发酵理论知识、企业生产要求规范、酿造工艺及操作要点等。

虚：学生通过登录软件系统进入白酒固态发酵实训。虚拟仿真软件能够提供真实的实验环境、实验流程及实验任务等。该虚拟仿真实训平台涵盖白酒酿造工艺的4个环节、60步操作和考核相关参数设置。学生以第一视角体验与交互模式模拟白酒真实生产过程，依靠引出线、工艺提示等掌握白酒的生产过程。学生通过虚拟仿真软件完成实验任务并在线生成实验报告及实验成绩，基于步骤规范、行为规范、安全评价等项目内容对学生操作进行考核。

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。

通过“理、虚、实”一体化教学方式，大幅度提高理论与实验教学的效果，提高学生对白酒生产工艺理论认知及相关操作水平，在理论教学和实物实验实训之间搭建“桥梁”，实现实践和理论教学的融合。通过线上线下混合教学，即线上设计综合训练题目及工艺参数模拟操作，线下对酿造工艺各环节实际操作，学生能牢记白酒固态发酵的复杂步骤，保证操作正确、规范，大幅度提高实验正确性与效率，弥补实验在教学资源、设备、流程方面的不足，同时克服了学生对实际酿造环境陌生造成的迷茫及对现场操作无从下手的畏惧感。

2.4 实验步骤

VSETP-LBP是相对开放的自主设计实验平台，涵盖白酒酿造工艺完整过程。学生通过场景再现虚拟操作白酒固态发酵步骤，熟悉掌握白酒酿造工艺流程。在进行实验之前，学生需要进入VSETP-LBP平台网页，使用学号和注册密码登录实验平台，根据需要进行实验。学生用鼠标控制VSETP-LBP平台，在工作区域进行虚拟仿真实验，完成平台登录、新手上路环节、在线模拟生产环节和考核复习环节实验内容(图3)。学生操作步骤如下：

A.网络平台登录：学生进入系统显示实验选择界面，自主选择“培训模式”或“考核模式”，显示实验界面，进入界面弹框显示实验的工艺顺序。

B.新手上路环节：学生选择“培训模式”，通过3D场景内角色扮演，根据“操作指引”中的内容自主选择要学习的实验环节，涵盖完整酿造工艺中开窖起糟、上甑蒸馏、摊晾下曲、入窖管理4个环节，不设时间限制，学生可针对自己的情况反复学习，达到熟练掌握的目的。

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。

综上所述，VSETP-LBP平台实现了虚拟仿真实验教学与传统实践性实验教学、课堂理论教学的深度融合，引导学生在数字化环境下自主学习、自主设计实验，全面培养学生的综合实践能力和创新能力。VSETP-LBP平台在教学的时间和空间限制方面进行了创新。VSETP-LBP构建了在线协同教学模式，实现了教与学的双向互动。丰富了学生学习内容和学习风格的选择，增强了学生的个性化和自主学习能力。最后，通过VSETP-LBP平台中实验信息的跟踪、统计、分析等智能管理功能，可以对学生进行的实验信息进行实时跟踪、统计和提示，掌握每个学生的知识点，并对学生学习过程和结果进行分析和评价。从整体上分析了实验的总体情况，实现了传统教学过程中无法实现的精细化教学质量控制。VSETP-LBP拓展了传统课程实验的实践内容和训练方法，开创了教学科研、生产训练一体化的高水平结合，为新兴工程教育培养具有国际竞争力的高素质复合型人才提供了平台。

2.5 实践成果

VSETP-LBP平台已应用于课堂教学、学生自学交流、评估和技能竞赛。目前，该虚拟仿真实验平台已应用于“酿酒工艺学”、“发酵工艺原理”和“生产实习”等课程教学过程中。课程和考试的数量约为1 300人，自学学生的数量超过2 200人。广泛应用于二年级学生开放式独立实验、技能竞赛培训和创新实践项目。针对线上教学的特点，课题组建立了学习交流QQ群，邀请软件开发人员加入和指导教师一起为学生全天24 h进行答疑。学生如遇到实验过程操作或网络技术问题都可以得到及时的解答。在学生刚开始使用虚拟仿真平台进行实践时，可能由于对整个系统的运行过程不熟悉，会出现不知道如何进行下一步操作的主要问题，基于此系统中设置了专业老师“周师傅”，按照语音提示，可以完成整个操作过程。学生在系统中通过预设的工艺过程进行实操学习和训练，这种相对开放的方式丰富了课程的内容，也提升了学生参与实训的主动性和积极性，并激发了学生钻研的兴趣，每个学生分配一台电脑进行相关操作，可以有效改善学生实验课“打酱油”的情况。目前，项目运行稳定，师生之间的交流互动比较热烈，提前完成实验过程操作的学生还可主动为其他同学提供帮助，进行交流探讨，学习氛围浓厚。

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)。

3 结论

VSETP-LBP教学平台基于“虚拟实验与真实实验相结合”的原则。通过建立开窖起糟、上甑蒸馏、摊晾下曲和入窖管理等4个实验环节，实现白酒酿造工艺虚拟仿真实验，适用于生物工程及相关专业的实验和综合实习。该项目突破了传统实验教学的时空限制，这使得实验者可以沉浸在白酒酿造全过程中，有利于准确理解和充分掌握相关知识点。平台实现了传统实验教学过程中无法进行的精细化教学，有效地提高了实验教学效果。

VSETP-LBP平台涵盖了白酒酿造工艺实验训练的全过程,在现代生物工程及相关专业高等教育中发挥了重要作用。教学活动通过在线实验和实时评价相结合的方式完成，拓展了传统实验的实践内容和训练方法，形成了教、学、练、考、管、评等教学过程的闭环控制和教学效果的形成性评价。实验中用户的信息可以通过服务器实时记录到数据库中，实施效果主要体现在虚拟课程教学、学生对课程的评价、学生实践能力和创新能力的获得等方面，说明VSETP-LBP平台有助于培养生物工程及相关领域高素质、国际化、创新型的优秀工程师，特别是培养学生动手能力强、一丝不苟的实践技能。虚拟仿真实验教学平台是一种新型的教学媒体，与实验环境和基于互联网的网上共享相结合，为现代本科教育提供了一种新的教学手段。与传统的教学方法相比，VSETP-LBP平台更有利于促进人才培养质量的不断提高，对培养“高素质、国际化、创新型”生物工程及相关专业人才具有很大的价值。我们还将根据项目教学应用反馈，在数据处理和结果分析方面不断提高实验互动体验。

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