粮食工程专业数字化3D教学资源建设的探索与实践

邵小龙 殷蕾 陈从雯 丁超

摘要：“人才兴粮兴储”是中国保障粮食安全、大力发展粮食产业经济的重要支撑。针对粮食行业培训教学资源不足的实际困难，应用现代科技手段建设粮食工程专业数字化教学资源，在现有虚拟仿真教学平台、第二课堂等建设基础上，提出一种新型教学资源建设方法，通过资源建设积累和教学数字化转型，逐步改进传统教学模式，增强学生专业兴趣，促进学生自主学习能力和实践动手能力的培养。

关键词：粮食工程专业；3D（三维）模型；资源建设；教学实践

中图分类号：G642 文献标志码：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20230416

基金项目：南京财经大学校级教学改革研究课题（JGY2001054）；食品科学与工程国家一流专业建设点项目；粮食工程江苏省特色专业建设项目。

Exploration and practice of digital 3D teaching resource construction of grain engineering major

Shao Xiaolong， Yin Lei， Chen Congwen， Ding Chao

（ College of Food Science and Engineering/Nanjing University of Finance and Economics， Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety， Nanjing， Jiangsu 210023 ）

Abstract："Talents raise grain and storage" is an important support for China to ensure food security and vigorously develop the grain industry economy. In view of the practical difficulties of insufficient training and teaching resources in the grain industry， modern scientific and technological means are used to build digital teaching resources for grain engineering. Based on the construction of the existing virtual simulation teaching platform and the second classroom， a new teaching resource construction method has proposed. Through the accumulation of resources and the digital transformation of teaching， the traditional teaching mode will be gradually improved， and students professional interests should be trained， so as to promote the cultivation of students autonomous learning ability and practical ability.

Key words： grain engineering major， 3D model， resources construction， teaching practices

“仓禀实，天下安”。粮食安全是实现经济发展、社会和谐、政治稳定的重要基础。近两年新冠疫情、自然灾害、人类战争等风险挑战层出不穷，粮食安全为应对国际威胁和维护我国社会稳定起到了压舱石作用。粮食工程专业人才是支撑粮食行业发展的基础，但我国粮食行业仍存在人力资源不充足、技术装备不先进、创新能力不强等突出问题，阻碍了粮食产业链的升级和价值提升[1]。随着人们对美好生活的需求增加，饮食健康产业的快速发展，对粮食储藏和加工人才的专业水平、职业素质提出了越来越高的要求。

教学资源可以理解为一切可以利用于教育、教学的物质条件、自然条件、社会条件以及媒体条件，是教学材料与信息的来源。随着电子设备和网络科技进步，逐渐增加了线上的数字化电子资源，包括视频、课件、习题、案例、实验项目、数字教材、实训项目、数据集等等。有效地利用数字化教学资源，可以激发学生的学习与发现的兴趣，是培养自主学习能力和创业能力极佳的路径[2]。基于传统的教学方法要想使本科生获得学习的顶峰体验难度非常大，随着信息技术的发展和教育理念变革，出现了MOOC（慕课）、Flipped Classroom（翻转课堂）、微课程等教育和学习模式的新探索。信息化、数字化手段和教育之间的结合已经成为重要的趋势，高校学生的自主性更强，建设数字化教学资源的价值更加突出。

本文针对粮食工程专业数字化教学起步晚、教学资源较少和推广程度不足的问题，从目前粮食行业教学资源的现状出发，以南京财经大学粮食工程专业为例，根据实际专业课程的培养方案课程安排，分析目前数字化教学资源的建设进展情况，并探索实践一种新的数字化教学资源建设方法，拟为今后粮食工程类专业高质量和多样化的教学资源建设方向提供参考。

1 粮食工程专业教学资源的现状及存在问题

粮食工程專业主要培养符合国家粮食产业发展需求，具有较扎实的粮食工程方面的理论知识和实践技能，能从事粮食工程及相关领域的复合型高级工程技术人才。南京财经大学本专业培养方案中的教学课程主要由公共基础课、专业基础课、专业主干课、专业限定选修和任意选修课组成[3]。

1.1 教材资源缺乏，且更新较慢

公共基础课、专业基础课与轻工类专业基本一致；专业主干课程中食品工程原理、食品化学、加工工艺、储藏、工厂设计等与食品类专业教学课程也有较大比例的重合。因此，以上课程都可以共享食品或轻工类专业的教材资源，教学和实验资源较为充足。但是作为专业限定选修的贮藏害虫防治、粮食干燥技术、粮油储藏学、油料加工等课，是粮食工程特色或独有的课程。由于国内开设粮食工程专业的高校数量不多，因此，造成这些课程的教材资源较少，且更新较慢。

1.2 教学共享资源不多，交流活动少

由于缺乏教学交流互动的现实原因，即使使用同一本教材时，不同单位讲述的侧重点也可能不一样。有时候教材中的部分章节由于缺乏相应的教学素材，讲课时无法将该领域的历史、发展现状和前沿动态进行系统讲解，学生很难全面掌握该领域知识。互联网上也极少有本专业的精品课程、公开课、慕课、微课等网络资源出现，各单位之间缺乏参考和借鉴，培养学生质量的高低非常依赖教学单位的历史传承。粮食工程专业教学交流活动少，公共资源的不够丰富，各培养单位势必会出现教学质量不一，学生能力参差不齐的现实问题。

1.3 课外教学实践资源受局限较大，开展不充分

由于场所、资金等因素的限制，校内实践资源的规模和层次相对较低；校外实践资源虽相对较多，但受实践地点、时间、岗位等诸多因素的影响，学生去校外实习不方便也不安全。学生的实践教学大多成为走马观花的过程，学生无法获得相应的专业技能训练，达不到学以致用的目的[4]。例如，在进行仓储害虫知识点实践教学时，受季节和场地影响，不便于实地采虫。一般可在储粮昆虫实验室或储藏物昆虫标本室进行，但是很多高校并没有相应的资源。这导致实践教学环节薄弱，学生只了解理论知识，而缺乏观察辨别和动手操作能力，造成部分高校教学存在重理论、轻实践的现象[4]。

2 粮食工程专业数字化教学资源建设的探索

2.1 数字化教学资源建设的必要性

数字化教学资源是指运用计算机、信息化等手段对传统教学资源进行数字化改造，形成便于自学互动和传播共享的多媒体资源。它能将难以理解的抽象内容通过通俗易懂的图像、动画展示出来，有利于学生加深印象，更好地理解和掌握课堂知识；学生还可以在课余利用网上教学资源进行学习，便于知识的查缺补漏和加强。充足的数字化教学资源能保障数字化教学顺利转型，满足信息化教学需求，提高教学水平。像粮食工程专业这类全国开设数量较少的专业，更需要推进数字化教学资源建设进度。不仅有利于院校间的资源共享和资源整合，而且有利于缩短院校之间的教学差距，从而保障粮食工程专业人才的高水平培养，满足行业需求。

当前粮食工程专业的数字化教学资源等存在严重缺口，疫情更加凸显这一问题。疫情之下，校门厂门管控加强，部分学生被限制进入，学生也不能正常到粮库和加工厂进行课外实践。校内实验室或标本室也是限制出入，实验操作等课程教学受到诸多影响。例如粮油储藏学、仓储害虫防治等配套实验都被集中安排到某时段，造成实验与课堂教学进度不一致。传统教学方式和秩序因不可抗力量被打断，而便于安排配置教学的数字化资源建设不足，严重影响学生的专业知识技能的培养效果。因此，基于以上客观原因，粮食工程专业的数字化教学资源建设迫在眉睫。

2.2 数字化教学资源建设的现状

南京财经大学在专业教学中设置粮食工程虚拟仿真综合实训，建设了虚拟仿真教学平台的数字化资源[3]。该平台内置粮食储运加工技术主要知识点和教学视频，将实践理论、仿真操作、在线学习和在线考察于一体。通过仿真教学平台教学，提高了教学的直观性和趣味性，帮助学生深入透彻的理解专业知识，避免部分实践教学环节的安全风险，解决教学过程中因时间、空间、教学资源等限制问题。例如，为解决磷化氢环流熏蒸实验教学的安全性和时空限制等难题，运用3D场景呈现方式，建设了《粮食仓储磷化氢环流熏蒸虚拟仿真实验教学项目》。学生可以像真实环境中学习危险的实验操作，填补了常规教学的空白。该项目面向全国数个高校开放，在全国同类高等专业教学中起到了显著的示范作用，并入选了2018年度国家虚拟仿真实验教学项目名单。该项目的成功建设，启发教师在教学过程中要大胆运用前沿技术，结合课程建设和行业实际需求，设计出具有广度和深度的教学项目[5]。

南京财经大学、河南工业大学等高校在粮食工程专业培养方案中设置了第二课堂活动。第二课堂是指学生在规定的教学计划课程之外自愿参加的，培养独立工作和创新能力的实践活动。南京财经大学以智能化为导向构建“第二课堂”的粮食科技人才培养模式，基于虚拟仿真实训室，构建“智能软件+ 大数据应用”的智能化学习平台，为学生开设粮食仓储相关智能软件的课程培训。学生有机会学习粮食仓储智能软件管理与操控，然后开展模拟实验，在校内粮食仓储虚拟实验平台上熟悉整个粮食仓储运行系统。另外，学校联合企业协助开发粮食仓储、粮情监测、智能出入库系统等模拟测试训练模块，将理论教学、专业实践与综合体验相融合[6]。既培养学生了解掌握现行实用的行业技术知识，又具备先进创新意识和动手实践能力，为走出校园服务行业作好充分准备。

3 粮食工程专业3D数字化资源建设的具体实践

尽管已经建设了一些数字化教学资源，但覆盖的知识面不够广泛，还需要继续探索和实践。目前粮食工程专业课程教学主要使用书本和多媒体课件，而书本和多媒体中的素材大多平面化，缺乏立体感。尽管本专业实物样品教具成本低、较易获得，但教学效果却差强人意。例如，粮油食品原料、制品或害虫的真实实物形式单一，细节展示困难；与色彩鲜艳或外形漂亮的农业昆虫相比，仓储害虫标本大都体积较小、外观暗淡、识别度低，难以激发学生学习的兴趣和热情[7]。这些问题一定程度上限制教學效果。虽然建设方式、资源媒介形式具有多样化特点，但是可以遵循教学性、科学性、开放性、通用性、层次性、经济性等一般原则进行设计与开发数字化资源。在此原则的指导下，以下介绍粮食工程专业3D（三维）数字化教学资源建设过程，以及建设得到的初步成果。

3.1 3D数字化资源建设的实践研究过程和方法

本资源的开发建设主要采用教学需求与资源开发相结合的方法，以需求为导向，针对性地运用现代先进手段制作出传统手段无法得到的教学资源。对现有资源的补充和完善，增强了教学效果。

首先，进行教学需求调研。在教学资源建设前，与相关专业授课老师，特别是与有多年教学经验的老师进行交流。调查目前课程教学中的难点和重点，全面收集教学过程中的问题，分析传统教具的优势和不足。然后，选取合适的资源建设方法。根据教学需求，特别是教材中的重难点部分，对食品原粮或成品、储藏害虫等进行3D扫描重建成像；选取合适的外观图和内部局部结构截面，并设计二维图、三维图、动画等多种形式的多媒体素材。最后，根据使用评价效果，并进行资源优化。课后与任课教师进行面对面交流，探讨图像和教具的课堂使用效果和改进方向；制作调查问卷，收集上课学生的反馈意见，分别从教育性、科学性、创新性、新颖性和实用性对虚拟3D技术教学资源进行评价；根据问卷结果，优化资源细节和编写资源使用指南，总结教学实践经验。

具体的研究与实践教学体系构建思路如图1所示。

3.2 粮食工程专业数字化资源建设实践的初步成果

传统教学主要使用课本教材、多媒体课件、图册或挂图等进行知识点教学。由于这些都是平面图像，提供的信息有限且不够生动，难以调动学生学习积极性。实际常见的小麦、大米、绿豆等粮食颗粒只有数厘米长度，难以展示局部细节。因此开始尝试使用粮食样品进行三维成像和数字化处理，得到3D渲染图像（图2）。将粮食样品三维数字化后，可以进行局部放大、旋转等操作，以更好地展示知识点，其教学效果远超平面素材。

經过调研得知，储粮害虫的外形尺寸仅有数毫米，实物或标本非常小，难以进行教学讲解和演示，而昆虫外部形态特征鉴定是进行储粮害虫防治和保障粮食安全的必备技能之一。综合考虑后，选取以危害性较大、分布较广的头号储粮害虫——玉米象为例，利用三维扫描技术并运用渲染、纹理优化等技术，设计并制作出真实感的放大立体3D模型图像（图3）。由于是分别率很高的3D电子图像，因此，可进行放大、旋转、切面、透视等操作。如图3所示，将图像放大旋转后可对虫体的前胸背板、鞘翅、触角、喙、口器的关键局部特征进行教学；进一步，还可以使用切面和透视功能展示马氏管、气管、骨骼肌等内部器官组织结构。

数字化的粮粒、害虫等3D模型可进行等比例放大、旋转、透视等操作，生动和全方位展示外部形态细节和内部组织结构。既保证素材的真实性、科学性，又具有一定的新颖性、趣味性。通过课堂教学试用发现，这类三维模型可显著地改善教学课堂气氛和提高学生兴趣。因此，后续还会通过VR（虚拟现实）技术，实现优秀的人机交互体验，强化学生实践操作和创新能力。总之，使用3D教学资源改进专业教学过程，能提高学生专业学习兴趣，丰富感性认识，帮助形成明确的概念，发展学生的观察能力和思维能力。

4 粮食工程专业数字化教学资源建设的建议

4.1 科研反哺教学，改造传统教学资源

一般来说，行业的研究成果领先于教材内容，而教师大多参与前沿的科技研究活动。本次教学改革思路来源于本专业的科研活动，在科研成果的基础上建设教学资源，是产学研深度融合的产物。本次教改建设的教学资源是采用先进的三维高精度成像技术，结合前沿的最新专业研究成果来研发多媒体素材和教具，该资源为传统途径无法得到的教学资源，是现有教学资源的有益补充。如果老师能及时将科研进展和前沿成果反映在课堂教学中，特别是把科研成果与课堂教学活动结合起来，能够极大地促进学生对于课堂知识的消化吸收。

4.2 提高资源质量，开放共享，持续改进

数字化资源作为一种新媒介，可以提升教学效果。然而，需要考虑教学的要求和教师接受程度，做好教学需求调研，提高资源质量，减少老师工作量[8]。数字化的教学资源有着可共享，容易传播的优势，然而许多学校的网络教学资源普遍存在访问量少、使用率过低的情况。高校间的课程资源得不到有效利用，造成教育资源的大量浪费和低层次的重复开发。因此，建议国内开设粮食工程专业的院校共建共享数字化教学资源，持续改进，以便更好地服务我国粮食行业。

参 考 文 献

[1] 李苏红，张春红，郑煜焱，等.“双创”引领下粮食工程专业建设研究与思考[J].农业科技与装备，2017（12）：71-74.

[2] 于文秀.数字化教学资源的意义与挑战[N].光明日报，2008-02-27（10）.

[3] 南京财经大学.南京财经大学2020版本科专业人才培养方案[EB/OL].（2021-10-05）[2022-08-30].https：//jwc.nufe.edu.cn/ info/1144/10103.htm.

[4] 沈飞，李琦.粮食仓储工艺与设备课程线上线下混合式教学改革与实践[J].粮食科技与经济，2020，45（12）：130-133.

[5] 丁超，胡秋辉，刘琴.粮食工程虚拟仿真实验教学的探索与实践[J].教育现代化，2020，7（38）：1-5.

[6] 丁俭，杨家琦，徐潼，等.智能化导向的粮食工程专业科技创新人才培养模式[J].粮食科技与经济，2021，46（4）：49-51+85.

[7] 李慧，王殿轩.虚拟仿真技术在粮食储藏实践教学中的应用与研究[J].大学教育，2018（7）：80-82.

[8] 赵健.技术时代的教师负担：理解教育数字化转型的一个新视角[J].教育研究，2021，42（11）：151-159.