《饲料加工工艺学》虚拟仿真实验教学资源建设

杨 欣,杨小军,郭 超,蔡传江,段玉兰,姚军虎,龙芳羽

(1. 西北农林科技大学 动物科技学院，陕西 杨凌 712100；2西北农林科技大学 食品科学与工程学院，陕西 杨凌 712100)

随着现代信息技术的快速发展，社会对人才需求呈现出多样化的特点，这就需要高校传统教学体系加快变革以适应时代发展。“十二五”期间，教育部印发了《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》[1]及《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》[2]，要求将高等教育与信息技术进行深度融合，对人才培养模式进行创新。虚拟仿真实验教学响应信息时代高等教育开放办学、资源共享的变革要求，为学生开展探究性学习、自主实验和创新实践提供了先进手段、开放平台和优质资源，在提高人才培养质量的同时，也为实验教学改革和实验室建设增添了活力和动力[3]。

1 虚拟仿真教学建设的必要性

饲料加工工艺学是农林高校动物科学专业重要的专业课程之一，主要任务和目的是使学生系统掌握饲料原料加工成各种饲料产品的过程及工艺原理，包括各作业单元、工序和各种饲料加工工艺的类型、特点与组合方法，培养学生分析问题和解决问题的能力，为满足现代企业所需求的饲料工程技术人才奠定必要的素质基础[4]。由于课程专业实践性较强，需要到饲料生产一线进行操作训练，但是传统课程实训具有以下局限性：受实习地点的限制，需要协调本地饲料厂，在不影响正常生产前提下进行短期参观学习，设备噪音大，现场讲解效果不佳；避开设备工作时间实习，则只能观察设备外部特征，其内部结构及实际运转情况难以观察；一个饲料厂的设备和工艺有限，需要去多家饲料厂实习才能满足教学需要，相应增加了经费和时间成本；安全措施配置齐全的实习基地依然会有实验实训安全风险。此外，随着社会进步和科技发展，学校现有的教学实验基地设备和条件日趋老化和落后，难以满足创新性高水平人才培养的需要。为改善教学条件，提高教学效果，适应国家和社会对复合应用型卓越动物科学和水产专业人才的需求，饲料加工工艺学虚拟仿真实验教学资源建设势在必行。与传统动物实验相比，虚拟仿真实验具有仿真性、参与性、安全性、重复性、无时间和地域限制等特点，能降低动物性疾病尤其是人兽共患病传播等安全风险，减少实验动物采购、饲养及使用管理的成本，使学生获得更加全面系统的训练，激发学生学习兴趣，提升学生实践能力和创新能力。

西北农林科技大学动物营养与环境卫生系利用现代信息技术开发虚拟仿真实验教学资源，利用3D虚拟仿真软件构建虚拟仿真实验环境和实验对象，并借助人机交互手段实现实验教学过程，并可低成本进行探索性创新实验活动，可以有效地解决以上问题，显著提高教学质量、提升实践教学效果，对完成动物科学专业本科教学目标具有重要意义。

2 虚拟仿真实验教学建设的特色

实验教学是动物科学专业本科生教学的重要环节，在课程虚拟仿真实验教学建设过程中，对已有的优质教学资源和成果进行了整合，在实验对象、实验内容、实验平台等方面形成了鲜明的特色与创新。

2.1 以动物科学人才培养课程体系为主线

虚拟仿真实验项目设置以卓越动物科学课程人才培养计划与教学大纲为依据，全链条综合设置实验项目立足学生的全面发展，充分挖掘虚拟仿真实验资源，以动物科学人才培养课程体系为主线，提高现有实验表象的过程机理，补充不足，提高实践教学水平，提升实践教学效果。

2.2 突出重实践的人才培养理念

牢固树立“厚基础，强能力，重实践”的人才培养理念，紧紧围绕着学校提出的“突出产学研紧密结合办学特色，创办世界一流农业大学”的长远办学目标，加强实验教学的建设与管理，积极构建起立体型实践教学体系[5]。饲料加工工艺学虚拟仿真实验教学将先进的软件模拟与虚拟现实技术结合，增强了学生对抽象理论知识的理解，为掌握专业知识打下了坚实的基础。

2.3 突破传统实验教学的时空制约

传统的饲料加工工艺学实践教学因条件限制，存在部分实践项目无法开展或开展效果不佳等问题。虚拟仿真实验项目即针对该问题而设置，紧紧围绕本科教学大纲，以提高本科教学质量为目标，从“可视化”、“动态化”的角度，利用先进的计算机虚拟技术和仿真软件、虚拟现实、仿真教具、多媒体、人机交互、数据库、网络通讯等现代化信息技术手段[6]，使传统实验无法开展或开展效果不佳的实验得以实现，弥补了传统实验的缺陷，扩展了实验教学内容，提高了教学效果，开辟了动物科学专业实验教学新途径。

2.4 实现科研成果与实验教学有效衔接

实验教学建设方案引用最新的饲料加工设备和工艺理念，保证项目所选用的图片、视频、参数、模型等素材的科学性、创新性和前瞻性，在提高学生学习兴趣、开阔学生视野、拓宽知识结构、提升综合能力方面效果显著，同时把讲学内容推向学科前沿，对于促进教学内容更新具有重要作用。

3 虚拟仿真实验教学资源建设

西北农林科技大学动物科技学院发挥本校学科专业特色，积极利用杨凌饲料产业集中优势，充分整合学校信息化实验教学资源，以培养学生综合设计、创新能力为出发点，在前期建设和持续投入的基础上，通过自主研发、委托研发、联合攻关等形式，不断积累、利用先进工程软件和虚拟现实、多媒体交互、Web 3D等信息化技术结合，针对饲料加工工艺学实验教学的特点，已建成集学习性、实验实践性、设计性和创新性等为一体的综合性虚拟仿真实验平台，开设饲料接收设备及工艺流程、饲料储运设备及工艺流程、饲料清理设备及工艺流程、饲料粉碎设备及工艺流程、饲料混合设备及工艺流程、饲料质粒设备及工艺流程等6套虚拟仿真实验教学模块(详见图1)，提高教学能力，拓展实践领域，丰富教学内容，降低教学成本和风险。

图1 饲料加工设备及工艺虚拟仿真模块Fig. 1 Virtual simulation module for feed processing equipment and process

饲料加工工艺学虚拟仿真实验教学采用开放是自主学习与实践相结合的方式，可随时查询实验内容，利于提高学习的目的性。学生通过电脑或手机APP登录饲料加工工艺学虚拟仿真实验系统，在教学资料中获取不同设备的主要结构、工作方式、主要参数、工艺流程组成等资料进行学习(见图2)完成测试题，由系统评分，提交实验报告，获得总成绩。

图2 饲料加工工艺学各工段虚拟仿真模块A. 原料清理；B. 饲料粉碎；C. 饲料混合；D. 饲料制粒Fig. 2 Virtual simulation module of feed processingequipment and processA. Raw material handling; B. Feed grinding;C. Feed mixing; D. Feed pelleting

3.1 饲料原料接收设备及工艺流程模块

饲料原料的接收是饲料厂物流管理的第一个重要环节，原料在接收环节的运转效率直接影响饲料生产全过程的物流运转。进行虚拟操作是要考虑下列因素：①接收饲料原料的种类；②饲料原料的类型和特性；③每天进厂并接收饲料原料的数量；④饲料原料的运输方式和运输规模等。

3.2 饲料储运设备及工艺流程模块

饲料厂常用输送设备有螺旋输送机、带式输送机、刮板输送机、斗式提升机、气力输送设备及各种阀门、管路和分配器等。虚拟操作要求学生根据原料种类、生产目的及设备特点正确选择和使用输送设备。

3.3 饲料清理设备及工艺流程模块

饲料原料接收系统中安装磁选装置对保证设备安全运行至关重要。饲料厂接收原料时可用的磁选装置类型繁多，其中主要的磁选器,包括永磁板、驼峰式和圆筒式永磁铁、栅格式永磁铁，电磁铁和永磁滚筒。

3.4 饲料粉碎设备及工艺流程模块

饲料粉碎对饲料的消化和动物的生产性能有明显影响,对饲料的加工过程与产品质量也有重要影响。粉碎工段虚拟操作要注意如何合理选用先进的粉碎设备、设计最佳工艺参数。

3.5 饲料混合设备及工艺流程模块

饲料混合的主要目的是将按配方的比例要求配制的各种饲料原料组分混合均匀，是确保配合饲料质量和提高饲料报酬的重要环节。混合工段虚拟操作要学习混合设备、混合方式及如何合理选用混合设备等。

3.6 饲料制粒设备及工艺流程模块

饲料制粒虚拟仿真项目，是将粉状配合饲料或单一原料(米糠、牧草等)经挤压作用而成型为粒状饲料的过程，制粒工段虚拟操作主要包括制粒设备选择、制粒过程观察、冷却、破碎和颗粒分级等，学习设备工作原理，观察设备工作过程。

4 小 结

通过近些年的教学建设，西北农林科技大学饲料加工工艺学虚拟仿真实验教学已经成为由省级教学团队负责规划和建设，面向动物科学、草业科学及水产科学3个国家级高等教育特色专业和其他相关专业的实验实践教学课程，为“动物营养学”、“动物营养与低碳健康养殖”等5门国家及省部级精品课程和其他相关课程开展虚拟仿真实验，同时，向国内其他农林高校和企业推广和共享。