食品機械與設備虛擬仿真實驗教學模式的探索與實踐

宋賢良， 葉盛英， 司徒文貝， 羅樹燦

(華南農業(yè)大學 食品學院， 廣州 510640)

0 引 言

食品機械與設備是食品科學與工程專業(yè)一門重要的專業(yè)課程，也是一門工程性和實踐性強的課程。在該課程的教學與學習過程中，強化學生的工程實踐和實際動手操作能力顯得尤為重要[1-2]。實驗教學能直觀形象地展示各種加工設備的結構和工作原理，加深學生對典型設備的認識，使理論與實踐相結合，進行工程知識的熏陶，有利于培養(yǎng)學生的工程觀及運算、設計能力，提高學生的綜合素養(yǎng)。因此，實驗教學是培養(yǎng)學生工程實踐能力的有力手段，在課程教學中占有重要地位[3]。但是食品機械與設備傳統實驗教學受儀器設備、教學條件和實驗學時不足的限制，且傳統實驗以驗證型實驗為主，較難激發(fā)學生學習的積極性和創(chuàng)新性[4]。因此，如何解決課程實驗教學中存在的問題，提高實驗教學效果是人們長期關注并積極探索的熱點。

虛擬仿真實驗是借助計算機和網絡構建虛擬的實驗操作環(huán)境，學生在虛擬環(huán)境中運用虛擬實驗設備進行仿真實驗操作，完成預定的實驗項目[5]。近年來，虛擬仿真技術已在許多課程的實驗教學中得到廣泛應用[6-9]，通過三維仿真實驗平臺，能夠實現傳統實驗教學模式難以達到的教學效果，可使抽象枯燥的教學變得豐富多彩，教學過程變得更加直觀、生動[10]。而虛擬仿真技術在食品機械與設備實驗教學中的應用尚未見報道，本文在食品機械與設備實驗教學中嘗試開展虛擬仿真實驗教學的探索，通過虛實結合的教學模式以期提高該課程的教學效果。

1 食品機械與設備傳統實驗教學存在的問題

培養(yǎng)應用型、技術型人才是高等教育發(fā)展的目標之一[11]。對于食品科學與工程專業(yè)，實驗教學在培養(yǎng)學生的工程設計和實際操作能力方面發(fā)揮著重要作用。目前，該課程實驗教學面臨諸多問題，嚴重影響了實驗教學的質量和效果。

(1) 受儀器設備的制約。傳統食品機械與設備實驗教學需要借助各種大型的機械設備才能完成，這些設備往往價格昂貴、體積大，操作不當容易損壞，設備維修費用高等。食品機械設備種類繁多，然而受教學經費和實驗場地的限制，食品機械實驗平臺不能購置更多的實驗設備，導致開設的實驗數目少。

(2) 受教學條件的限制。隨著高校招生規(guī)模的擴大，辦學經費得不到長足的補充，使得教學場地擁擠，實驗設備短缺和陳舊老化等問題顯得尤為突出[12]。食品機械與設備實驗所采用的實驗設備較大，學生人數眾多，設備運行時間長、維修頻率高，可操作的實驗設備臺數有限。目前普通高等院校的食品機械實驗設備基本上是每個實驗項目僅有1～2臺(套)，即使按分組實驗，每臺設備至少要同時容納8～10名學生操作，因此在實驗教學中很難保證每個學生有親自動手操作的機會，直接影響到實踐教學效果。

(3) 實驗學時不足。隨著高校教學改革的不斷深入，高等教育正向大眾化教育階段跨越，社會對人才的需求也呈現不同特點[13]。在這樣的背景下，各專業(yè)人才培養(yǎng)計劃一再調整，專業(yè)課學時數不斷壓縮。如食品機械與設備課程由原先的80學時壓縮至54學時，因此總課時數減少，實驗課學時數也隨之減少，使得開設的實驗項目的數目明顯不足。

(4) 設備結構復雜、抽象難懂。食品機械設備的結構較復雜，講解抽象，學生難理解，即使教師在現場做情景化、實時化的演示實驗，對設備的有些內部結構也很難直觀看到，要求學生有較好的空間想象能力，才能真正理解設備的工作原理[14]。

鑒于食品機械與設備傳統實驗教學中存在的問題，對其進行改革創(chuàng)新已勢在必行。虛擬仿真實驗技術是一種新型的輔助教學手段，通過虛擬仿真模擬整個實驗過程，可使學生在高沉浸感的虛擬環(huán)境下感知機械設備的結構和工作原理，可增強學生的學習興趣，提高實驗教學效果。

2 食品機械與設備虛擬仿真實驗教學平臺的構建

為解決食品機械與設備傳統實驗教學存在的問題，將虛擬仿真技術引入到本課程實驗教學中，充分發(fā)揮虛擬仿真實驗生動、直觀、安全，不受時間、場地、儀器設備限制等優(yōu)勢，開發(fā)食品機械與設備虛擬仿真實驗教學平臺，構建的平臺示意圖(見圖1)。該平臺主要包括機械設備結構認知仿真和虛擬仿真實驗操作2個模塊，設備結構認知仿真模塊涵蓋輸送設備、加工設備和包裝設備3 個動畫仿真庫，虛擬仿真實驗操作模塊包括噴霧干燥、啤酒發(fā)酵和切達干酪生產3個仿真實驗。整個虛擬仿真實驗教學平臺都是按照虛實結合的原則進行建設，形成了較為完善的實驗教學新體系，體現多學科綜合與交叉的特征。

圖1 食品機械與設備仿真實驗教學平臺構建示意圖

3 虛擬仿真技術在食品機械與設備實驗教學中的應用

3.1 食品機械與設備結構認知仿真

食品機械設備的結構復雜，抽象難董，要求學生有較強的空間想象能力，因此學習過程中往往面臨較大困難。在食品機械與設備教學過程中，采用掛圖和幻燈片的形式展示機械設備的結構和原理，在一定程度上能增強對設備結構認知的直觀性，但是這種靜態(tài)的圖片展示不能很好表達大型復雜設備的運動過程和原理。因此，采用虛擬仿真技術開發(fā)出針對不同食品加工設備的結構和工作過程的仿真動畫庫，以3D動畫形式呈現復雜機械設備的內部結構、組裝及運行過程，從而極大增強了學生對食品機械設備結構認知的直觀性。

食品機械與設備結構認知仿真庫按照輸送設備、食品加工設備和包裝設備三大塊，采用Pro/E，eDrawings，Flash等軟件開發(fā)出如帶式輸送機、離心泵、均質機、碟片離心機、高壓滅菌鍋等幾十種典型設備的仿真動畫。圖2 是離心泵的分解動畫圖，通過虛擬仿真技術能夠將離心泵的泵蓋、泵體、葉輪、填料、填料壓蓋、擋水圈、軸、軸承、托架、定位套等構件以3D動畫形式一一呈現出來，并直觀展現各構件的安裝順序，明顯增強了教學的直觀性和生動性，讓學生有種身臨其境的感覺。

圖2 離心泵分解動畫

3.2 食品機械與設備虛擬仿真實驗操作

為彌補食品機械與設備傳統實驗教學中儀器設備和場地不足，我們在東方仿真軟件技術有限公司的食品加工設備虛擬仿真實驗教學軟件的基礎上，開發(fā)出虛擬仿真實驗操作平臺(見圖3)。通過該平臺學生進行噴霧干燥單元操作、啤酒發(fā)酵工藝、切達干酪生產工藝等3個虛擬仿真實驗，以虛實結合的原則對食品機械與設備實驗教學進行改革，加強對學生實踐能力的培養(yǎng)。

圖3 虛擬仿真實驗操作平臺

3.2.1噴霧干燥仿真實驗

噴霧干燥在食品工業(yè)上廣泛應用于奶粉、果蔬粉、速容咖啡、速容茶粉及微膠囊制品等產品的生產。食品機械與設備實驗教學中通常將噴霧干燥實驗作為一個典型的教學實驗。傳統噴霧干燥實驗由于受實驗設備的限制，通常采用分組實驗，每組8～10個學生共用1臺實驗設備，造成實驗過程中大多數學生只能旁觀，得不到實際動手操作的機會，實驗效果不理想。

噴霧干燥真實實驗進行前，學生可通過仿真實驗操作平臺，先進行噴霧干燥仿真實訓操作。通過噴霧干燥仿真實驗軟件，學生可熟悉噴霧干燥系統組成(見圖4)，進行進風量、進風溫度、進料量和通針頻率的設定以及電加熱器和蠕動泵的操作，還可自主選擇樣品濃度，在不同樣品濃度下，控制各項指標符合要求。經過仿真實訓操作，在真實實驗時學生都能夠按照噴霧干燥的實驗步驟熟練地進行實驗，大大提高了實驗效率，減少了實驗操作的失誤率。通過虛擬與現實相結合的教學模式，學生對噴霧干燥的系統組成和工作過程都有深刻的理解和掌握，達到了實驗教學的目的。

圖4 噴霧干燥仿真系統組成

3.2.2啤酒發(fā)酵仿真實驗

實驗室規(guī)模的啤酒發(fā)酵實驗由于受糊化鍋、糖化鍋、發(fā)酵罐等大型機械設備的限制，學生只能借助三角瓶、培養(yǎng)箱等儀器分階段進行。這種傳統的實驗方法不能使學生對啤酒發(fā)酵設備產生直觀認識，更談不上動手操作這些設備。

啤酒發(fā)酵仿真實驗是按照真實的啤酒發(fā)酵生產工藝和工藝參數構建的數字化仿真實驗系統，其實驗過程與啤酒實際生產過程基本相同。通過仿真實訓操作，能增強學生對啤酒發(fā)酵工藝和設備組成的全面和直觀認識，有利于學生對啤酒發(fā)酵生產過程的運行、調控更好的理解和掌握。

該虛擬仿真實驗可進行糊化鍋、糖化鍋、發(fā)酵罐等設備的仿真實驗操作，圖5是糊化鍋的仿真操作界面；可對生產過程中的工藝參數(如溫度、壓力、pH值等)進行監(jiān)控；可對啤酒發(fā)酵過程中酵母、糖度、酒精度等趨勢繪制曲線，幫助學生了解整個發(fā)酵過程，并通過觀察曲線變化對發(fā)酵過程進行控制。學生通過對啤酒發(fā)酵虛擬仿真實驗軟件的操作，既可以掌握啤酒釀造的必備知識，也可以獨立完成對整個工藝流程和各設備的實際操作，通過對釀造過程中的眾多參數指標的操作和調整，最終掌握啤酒生產的全過程。

圖5 糊化鍋仿真操作界面圖

3.2.3切達干酪工藝仿真實驗

干酪是一種發(fā)酵的牛奶制品，具有極高的營養(yǎng)價值，工業(yè)生產中需要干酪槽、殺菌設備、離心機、熱交換器、平衡槽等設備才能完成。切達干酪工藝仿真實驗是根據干酪工業(yè)化生產過程構建的數字化仿真實驗系統，該系統主要包括原料乳預處理、巴氏殺菌、熱水加熱、緩沖貯罐、發(fā)酵和凝乳等部分組成。通過該仿真實驗系統，可按操作規(guī)范要求對原料乳預處理、巴氏殺菌、發(fā)酵和凝乳等工藝單元進行仿真實驗操作，并能對生產過程中的溫度、壓力、液位和pH等數據進行監(jiān)控。圖6是干酪槽的仿真操作界面，通過調節(jié)發(fā)酵劑用量、氯化鈣用量和凝乳酶用量，可控制干酪的發(fā)酵和凝乳過程。該仿真實驗有利于學生熟悉和掌握切達干酪的生產過程和關鍵工藝參數的調控，掌握干酪槽、殺菌設備、離心機等設備的操作和調節(jié)。

圖6 干酪槽仿真操作界面

4 虛擬仿真實驗效果評價

虛擬仿真實驗教學為食品機械與設備的結構及工作原理演示、操作過程仿真、故障診斷和操作培訓提供了新的方法和手段，彌補了傳統實驗教學的諸多不足，提高了信息的傳播與利用率，具有傳統實驗不可比擬的優(yōu)越性。

自2013年以來，面向我院學生開設虛擬仿真實驗，采用虛實結合的教學模式，已經取得良好的教學效果。主要體現在以下方面：① 采用問卷調查的形式，獲得了開設虛擬仿真實驗對食品機械與設備課程學習的作用和效果。發(fā)出調查問卷150份，問卷回收率100%。從問卷調查的結果可看出，96.5%的學生都很贊同虛擬仿真實驗教學模式；93.7%的學生認為虛擬仿真實驗比傳統實驗更能激發(fā)學習興趣；91.5%的學生認為虛擬仿真實驗有利于對機械設備的結構和工作原理的理解和掌握；88.2%的學生認為虛擬仿真實驗教學模式有利于提高學生的綜合素質。由此可看出在食品機械與設備課程教學中開設虛擬仿真實驗能夠得到學生的普遍認可。② 食品機械與設備課程期末考試成績有明顯提高。虛擬仿真實驗開設前，卷面分數不及格率為20%左右，學生對設備的結構和基本原理掌握不夠扎實，丟分較多；通過虛擬仿真實驗教學的開展，期末成績及格率明顯上升，卷面80分以上達到55%以上，不及格率僅為7%，學生對基礎知識的掌握明顯增強。③ 學生畢業(yè)論文選擇與食品工廠設計相關的課題比例不斷增加，從2013年的8%增長到2016年的23%。近2年來，不少學生還參加了教師與企業(yè)合作的食品工廠設計項目，并依托項目來完成畢業(yè)論文，為培養(yǎng)食品工程領域高素質應用型人才打下了堅實的基礎。

5 結 語

食品機械與設備實驗能讓學生更好地鞏固和加深對課堂教學所闡述的食品加工機械的結構和原理的理解和掌握，實現專業(yè)理論知識與實踐技能的有機結合，有利于培養(yǎng)學生的工程觀和實踐創(chuàng)新能力。

將虛擬仿真技術應用到食品機械實驗教學中，可大大提高學生學習的積極性和主動性，增加了對設備的直觀認識，增強了實驗操作技能。仿真實驗教學突破了傳統實驗受場地、時間、安全等條件的限制，彌補了機械設備不足和老化的問題，豐富了實驗教學的內容，是對傳統實驗教學的有益補充和擴展。為食品機械與設備教學手段的改進和教學質量的提高提供了良好契機和有力保障。

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