食用菌工厂化生产虚拟仿真教学平台的构建及应用

卢亚萍， 鲁燕舞， 崔 瑾， 包浩然， 陈 军， 成 丹

（南京农业大学农业生物学国家级虚拟仿真实验教学中心；生命科学学院，南京210095）

0 引 言

食用菌富含蛋白质、氨基酸等营养元素，是一种优质的保健食品，在保障我国居民基本食品需求、改善饮食结构、增强国民体质方面起到了重要作用。我国是世界上最大的食用菌栽培、加工与消费的国家，2018年我国食用菌的总产量高达4 129万t，生产总值超过3 500亿元［1］。食用菌还是国家财政拨款扶持的一个项目，具有广阔的发展前景。食用菌巨大的需求潜力，对食用菌栽培技术的发展提出了更高要求，这就需要更多的食用菌专业人才进入此领域［2］。在农业高校中开设食用菌生产技术课程，可有效提高大学生的实践能力以及从业的业务水平，从而促进产学研结合、推动大学生就业创业、为行业提供高素养人才。

1 食用菌栽培课程现状

目前，在大多数农业院校或综合性院校的生命科学学院都开设食用菌生产技术或相关课程［1-3］，课程内容主要包括食用菌的鉴别、形态、功能、生理和栽培技术。食用菌生产技术理论课的开设一般都比较成熟，而实践课却存在一些比较难以解决的问题：

（1）课时的局限。食用菌生产过程主要包括培养料配制、装袋、灭菌、接种、发菌管理、出菇管理等环节，需要数月时间。这些环节之间相互衔接，而由于受实验教学学时计划的限制，实验课只能是在某些技术环节间断性、局部性地安排一些实验内容，很难连续开展完整的实验［4］。这样学生只能操作部分实践技术环节，实验效果难以保证。

（2）教学内容的局限。食用菌栽培种类多，栽培方式又各不相同，同时一些新的食用菌种类不断出现，栽培技术也不断创新，甚至一些菇类的栽培模式和栽培工艺待学生毕业后在生产上就很少使用了。如果不及时更新教学内容和方法，学生难以适应技术发展和社会要求，难以实现高层次技术人才的培养目标。

（3）场地的限制。很多高等院校没有食用菌栽培的实验场地、缺乏相关的现代化设备，开设栽培技术实践课存在很大困难，因而很难开设实践课程。而食用菌生产基地或企业对环境要求非常高，往往无法接纳大量学生长时间的参观学习。这些影响了课程体系的完整性和培养目标的实现。

2 虚拟仿真教学平台的设计理念

随着信息技术的高速发展，现代化的教学手段和形式可以拓展实验教学领域、丰富实验教学内容、提高实验教学水平。虚拟仿真教学综合运用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库、网络通信等多种技术，通过构建逼真的可视化环境和对象，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展高效、安全、经济、便捷的学习活动，达到实体实验不具备或难以实现的教学效果［5-7］。

同时，虚拟仿真教学内容活泼、生动，可以在电脑和手机等终端呈现，对新时代的大学生具有很大的吸引力，可以促进他们在课内外反复学习和巩固［8］。食用菌生产虚拟仿真实验的设计要以教学目标和人才培养为导向，以教学效果为标准，密切结合实践教学的需要。

2.1 结合实体教学，虚实互补

目前，受实验条件的限制，食用菌生产技术主要侧重理论课的学习，以及微生物接种、培养等基础微生物实验，学生在校期间很少学习发菌过程、出菇管理等实验，更没有了解过现代工厂化生产食用菌的过程。所以本虚拟仿真平台以学生的实践教学需求为中心，内容涵盖基础知识、实验理论、实验过程、模拟操作、参数设置和相关考核，使得学习者可以在身临其境的环境中，反复学习和训练，在实践应用中巩固课堂所学知识，并最大程度上弥补课堂教学中的短板。

2.2 与科研成果相结合，紧跟产业发展前沿

食用菌虚拟仿真平台的设计团队既包括农业生物学国家级虚拟仿真实验教学中心的专职老师，也包括进行食用菌研究和教学的老师，他们对整个软件的专业知识部分进行严格把关、并在后续的平台维护中不断更新学科最新的科学研究和应用成果进展［9］。

平台参照的原型是苏州的一家食用菌有限公司，该企业具备10 000 m2的自动化控制生产厂房，是一家具有自主知识产权的国内一流的菌类生产企业。平台开发得到该企业的大力支持和帮助，开发团队成员多次到企业参观、沟通和拍摄，从整体到细节都真实、严谨地再现了现代食用菌工厂生产的完整工艺流程、关键技术、核心参数及设备操作，使得平台的设计和应用立足现实、放眼未来。

2.3 增加校企合作，扩大就业，引导创业

食用菌生产技术是一门侧重实践和应用的学科，也是就业和创业的一个方向。我校食用菌研究团队与食用菌企业有着长期的合作，在学生的培养和就业中起到了良好的桥梁作用。食用菌虚拟仿真平台的制作更进一步深化了校企合作，并拓展了教学平台的应用范围，不仅可以应用于高校的教学实践，还可以作为企业岗前培训的辅助手段。

食用菌现代工厂化的发展对相关人才提出了更高的要求，学校教学的内容和形式都需要与时俱进，培养高素养实用型人才［10］。相关专业的学生通过课堂学习结合虚拟平台，将系统掌握食用菌栽培的基础知识和工厂化生产的整个流程，显著提高综合实践能力，在未来的就业中具备更高的素质和更强的竞争力。同时通过对真实场景的了解和学习，学生可以确定自己的兴趣，为以后的创业方向提供参考。

3 食用菌工厂化生产虚拟仿真教学平台的构建及内容

食用菌工厂化生产虚拟仿真实验平台的开发基于校园网建立B/S网络构架，并通过Internet/Intranet模式下应用数据库，易于把握、成本也比较低。利用Visual Studio、Unity 3D等软件工具建立模型、制作多媒体资源、构建基于ASP.NET的交互式网络平台［11-12］；采用Window Server、Internet Information Service及SQL Server数据库作为网站服务器端软件；采用Dell Power Edge R720服务器作为硬件支持。实验场景、设备、器具和操作过程是在实验专业技术人员和平台设计人员反复研讨和改进后设计和制作出来的，兼顾了科学性、观赏性和用户友好性。

食用菌工厂化生产虚拟仿真平台包括基础知识、工厂360°实景图、实验流程和课后巩固几个模块（见图1）。基础知识部分主要以文字和图片的形式呈现了食用菌的形态、生理特性、营养价值、生长发育条件，该部分内容对接课堂教学部分，让学生在实验前复习巩固相关背景和理论知识。工厂360°实景图真实地展示了食用菌生产工厂从外环境、精料库到每一个生产车间内的场景，为学习者提供在线参观访问的机会。

图1 食用菌工厂化生产虚拟仿真教学平台的框架

实验流程是平台的核心模块，以教学模式、练习模式和考核模式3个部分呈现完整的工艺流程和人机交互式实验过程。在教学模式中，学习者可以快速浏览各个实验步骤、了解相关知识和注意事项，包括食用菌菌种制作与保存、培养基制作与灭菌、接种、发菌过程及管理、出菇及管理、采收及加工处理6个流程（见图2）。练习模式是最重要、花费时间最长、需要反复学习和练习的部分。学习者首先需要为食用菌工厂选址、然后可以透视工厂每一个区域内3D仿真场景，包括原料堆场、无菌区、培养区、栽培和包装区、装袋和灭菌区5个区域。在每个区域按顺序进行实验时，平台同步给出必要的步骤提醒和知识介绍，实验过程中有一些选择和计算题，让学习者锻炼并掌握培养基配比、环境条件参数等知识（见图3）。练习步骤覆盖了培养基配制、拌料、检测、装袋、上盖封口、灭菌、冷却、无菌接种、上架、发菌培养、转出菇室、拉袋、舒蕾、出菇、检验、分级清理、包装、贮存等完整的工艺流程，该过程相当于企业两个多月的生产时间。考核模式下平台检测学习者是否掌握了整个实验的流程，以及每一个区域内进行的实验步骤和注意事项，以“问号”的形式让学习者一一解答（见图4），系统对解答内容进行打分并给出正确的答案和解析。

图2 食用菌工厂化生产虚拟仿真实验主要流程

图3 练习模式中的培养基配制环节

图4 考核模式中的车间管理

在课后巩固部分，平台预设了几十道食用菌栽培相关的原理知识、实验细节和注意事项方面的题目，学习者可以反复测试，直至完全掌握相关知识。老师可以得到学生登录次数、练习次数和测试情况等信息，从而了解学生自主学习的态度和效果。

4 虚拟仿真实验教学效果和应用前景

虚拟仿真实验教学具有开放性、广域性、交互性和实时性的特点，是信息化时代教学改革的重要创新［13］。食用菌工厂化生产虚拟仿真教学平台是我校虚拟仿真实验中心自主开发的又一项专业实验教学平台，已申请了软件著作权。客户可以通过浏览器或APP，高效、快捷地访问我中心虚拟仿真教学系统，在互联网上随时随地访问和学习。

仿真实验与课堂实验功能互补、虚实结合，打破了实体教学时间空间的限制，将学习有效延伸到课堂之外。课前，学生通过虚拟仿真平台进行预习，了解实验项目中的基本内容；课中，教师在虚拟仿真平台上完成原理和方法的教学，开展实体实验操作演示，学生根据实验目的和学习任务，进行实验操作；课后，学生可以自主开展虚拟实验操作与复习巩固，并通过在线测试进行考核，提交实验报告。仿真实验作为一个强有力的教学辅助手段，弥补了食用菌生产实验教学中缺乏场地、学时不足的局限，学生可以在仿真课件的帮助下自主、反复学习，还可以在互动平台上提问和相互交流。总之，虚拟仿真平台在教学中的应用显著激发了学生的兴趣，提升了学习效果。

食用菌工厂化生产虚拟仿真教学平台已在我校生命科学学院的本科生中试点运行，应用于食用菌生产技术和微生物学实验两门课程中。虚拟仿真课件有效补充了目前课堂实验无法开设的部分，内容生动新颖，学生们在老师的指导下学习应用仿真课件，然后借助仿真课件自主学习实验相关知识、练习操作过程。学生对此平台给予了高度评价，同时也提出了中肯的建议。将不断完善此教学软件，并将其应用到我校其他院系的本科生相关实验课程中。

实验教学中心在建设优质仿真资源的同时，深入研究虚拟仿真资源的管理及共享应用机制，有力促进高校间优质实验资源的整合共享，先后与浙江大学、南京师范大学、兰州大学、西藏农牧学院、新疆农业大学等院校签订了共建共享协议。和其他的虚拟仿真资源一样，我校的食用菌工厂化生产虚拟仿真教学平台也将和其他院校相关专业进行合作共享［14-15］。

另外，该项目还免费对社会公众开放，以期获得更为广泛的科普教育意义。目前已经接洽了江浦农场、苏州食用菌公司等生产一线单位，免费提供实训资源，从而使本项目的实施范围最大化。

5 虚拟仿真实验教学系统存在的问题与软件更新

食用菌工厂化生产仿真实验平台自开发以来，已试运行100余次。通过虚拟仿真中心团队、课程教学老师以及学生对软件的反复使用，发现在软件开发和运行方面还存在一些问题，将在后续的更新中进行完善。主要包括：①平台内容需要进一步补充和完善，该平台主要以杏鲍菇为例，详细制作了其生长培养的整个过程，在后续项目中将逐渐加入草菇、金针菇、双孢蘑菇等菌种；②操作步骤可以分为几个子模块，分别运行。该实验是个综合性大实验，实验步骤烦琐，花费的时间较长，因而可以将全部实验步骤分为几个部分（比如培养基配制、发菌、出菇），学生根据自身需要选择其中一部分或几部分进行操练。③进一步增强网络运行的流畅性和操作的便捷性，改善用户体验。④紧跟科学发展的前沿，在课件里链接一些最新的研究进展和应用实例。

6 结 语

食用菌生产技术虚拟仿真实验教学模式是高等教育信息化环境下的必然产物。本教学平台构建了从食用菌基础知识到工厂化生产的完整流程，弥补了食用菌生产技术教学实践中的局限，使学生在仿真的环境中学习知识、掌握技能。以学生为中心的虚实结合的互动教学，有利于培养学生自主学习、提高探究和解决科学问题的能力，达到提高教学质量和培养实用型人才的目的。软件将在使用中不断维护和更新，并与更多院校和社会机构开放共享，以达到资源最大化利用，切实体现虚拟仿真教学手段的必要性和优越性。