食品工程原理實驗虛擬仿真教學體系探索

吳春華 童彩玲 江漢森 嚴志明 龐杰

摘要實驗教學是食品工程原理教學的重要組成部分，將新興的虛擬仿真教學手段融入傳統(tǒng)食品工程原理實驗教學中，是培養(yǎng)學生工程創(chuàng)新能力的重要方式。針對目前食品工程原理實驗教學存在的問題，構(gòu)建了適合的食品工程原理實驗虛擬仿真教學體系，這對于提高學生的實踐能力、提高食品工程創(chuàng)新人才的培養(yǎng)質(zhì)量具有重要意義。

關(guān)鍵詞食品工程原理實驗;虛擬仿真;實驗教學改革

中圖分類號S-01?文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2019）18-0280-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.18.079

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Exploration on the Experimental Virtual Simulation Teaching System of Food Engineering Principles

WU Chun-hua1，TONG Cai-ling1，JIANG Han-sen2 et al（1.College of Food Science，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350002;2.Office of Educational Administration，F(xiàn)ujian Agriculture and Foresty Universtiy，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350002）

AbstractExperimental teaching is an important part of the teaching of food engineering principles. Integrating the emerging virtual simulation teaching methods into the experimental teaching of traditional food engineering principles is an important way to cultivate students engineering innovation ability. Aiming at the existing problems in the experimental teaching of food engineering principles，this paper constructed a proper virtual simulation teaching system for food engineering principles，which was of great significance to improve students practical ability and improve the quality of food engineering innovation talents.

Key wordsFood engineering principle experiment;Virtual simulation;Experimental teaching reform

培養(yǎng)工程科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新人才是新時期國家“新工科”建設(shè)核心目標，而工程教育人才培養(yǎng)模式的探索是其關(guān)鍵所在[1]。食品工程原理作為食品科學與工程本科專業(yè)及其相近專業(yè)的一門理論性和實踐性很強的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，與食品工業(yè)生產(chǎn)緊密聯(lián)系，在食品工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)中起著承前啟后和由理及工的重要紐帶作用[2]。食品工程原理實驗課程是理論課程學習的重要補充和實踐，是培養(yǎng)食品類學生工程實踐能力的重要途徑[3]。目前，多媒體輔助教學技術(shù)雖然已經(jīng)被廣泛應用于食品工程原理實驗教學中，但由于該課程的專業(yè)性較強，傳統(tǒng)的實驗課件內(nèi)容展示手段較少，缺乏與學生實質(zhì)性的互動教學環(huán)節(jié)，單獨的平面教學講解仍很難調(diào)動學生自主學習的積極性，未能起到很好的教學效果。同時，食品工程原理實驗涉及的食品工程相關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)較為復雜，操作過程繁瑣[4-6]。因此，如何運用國際先進的教學系統(tǒng)替代或者互補傳統(tǒng)的食品工程原理實驗課程教學模式迫在眉睫。

虛擬仿真教學是一種共享型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，是以計算機網(wǎng)絡(luò)為核心，利用多媒體、人機交互和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，為學習者提供一個生動、逼真的學習環(huán)境，是目前國際先進的教學模式[7]。自2013年教育部在全國開展“國家級虛擬仿真實驗教學中心”的認定工作（教高司函〔2013〕94 號文件）以來，有關(guān)虛擬仿真教學已成為國內(nèi)現(xiàn)代教育研究關(guān)注的焦點，已被廣泛地應用于工科、醫(yī)學相關(guān)院校的實踐教學[8-10]，然而有關(guān)食品工程原理實驗虛擬仿真實踐教學鮮見報道。因此，針對傳統(tǒng)食品工程原理實驗教學中存在的問題，有必要借鑒國際先進的教學模式[11]，遵循“虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛”的原則，探索構(gòu)建食品工程原理實驗虛擬仿真教學體系，提高食品工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

1食品工程原理實驗教學中存在的主要問題

目前，國內(nèi)大部分食品專業(yè)院校在食品工程原理實驗課程教學方面存在以下問題：①實驗指導教師大多以傳統(tǒng)“填鴨式”教學方式對實驗目的、原理、操作步驟及注意事項進行講解，并自己手動操作設(shè)備演示實驗，供學生參考學習[12]，傳統(tǒng)的封閉灌輸式教育模式注重理論教育，對實驗和工程實踐不夠重視，導致學生眼高手低，不能很好地掌握和運用理論知識，這種模式不能充分發(fā)揮學生學習的自主性，不能有效激發(fā)學生的求知欲和探索精神。②由于食品工程原理相關(guān)實驗設(shè)備價格高、體積大，導致多數(shù)食品專業(yè)院校的實驗設(shè)備臺套數(shù)不足[13]。一般采用多人為一小組在同一臺設(shè)備上進行實驗教學的模式，造成少數(shù)學生以動手操作為主，多數(shù)學生觀看的現(xiàn)象，難以達到培養(yǎng)每個學生自我動手能力和操作能力的教學要求;多年食品加工類專業(yè)的教學經(jīng)驗表明，僅僅采用實驗式、半理論、半實踐的訓練，對學生來說還是比較抽象的，獲得的知識也是片面的，不完全的。?③由于實驗設(shè)備數(shù)量有限，通常同一時間段需要開展2～3個實驗項目， 實驗指導教師很難做到及時糾正學生實驗中出現(xiàn)的不規(guī)范操作現(xiàn)象，如常出現(xiàn)離心泵憋泵、實驗數(shù)據(jù)采集不完整等問題。

④考核方式較為傳統(tǒng)，考試考核制度仍然注重卷面考試，主要依據(jù)實驗報告的結(jié)果進行評定[14]，存在部分學生抄襲（特別是組內(nèi)相互抄襲）問題，很難從實驗報告上區(qū)分學生之間的差距，未能準確反映學生的學習效果，使其失去了實驗成績的考核意義。

⑤由于實驗設(shè)備較大，且運行存在著一定的危險性[15]，因此學生只能在實驗課固定時間內(nèi)進行實驗，課后沒有機會進入實驗室進行鞏固和練習，嚴重影響本科生對食品工程原理課程的深入認識和理解，不能及時將所學食品工程原理知識應用到實際問題中，對于工程方面不能全面透徹地認識。如何拓展實踐領(lǐng)域、豐富教學內(nèi)容，提供綠色、可靠、安全和經(jīng)濟的實驗項目一直是困擾工程實踐教學的難題。

2食品工程原理實驗虛擬仿真教學體系的構(gòu)建

為了彌補上述傳統(tǒng)教學模式的不足，在福建省食品工程虛擬仿真教學中心及相關(guān)校級網(wǎng)絡(luò)示范課程建設(shè)的基礎(chǔ)上，依托北京歐倍爾軟件技術(shù)開發(fā)有限公司開發(fā)仿真模擬實驗教學軟件，以“福建省食品工程虛擬仿真實驗教學中心”和“產(chǎn)業(yè)學院”為首的22個專業(yè)類實踐基地為依托，針對地方工科大學生工程實踐能力不能滿足社會發(fā)展需要的普遍現(xiàn)象和“以教師為中心、書本為中心和課堂為中心”的傳統(tǒng)封閉灌輸式教學模式之弊端以及實驗周期長、大型貴重儀器實訓時間不足等難題，改變單向灌輸、學生被動接受的局面，在現(xiàn)有食品工程原理實體實驗教學體系中融入虛擬仿真實驗教學體系，搭建“虛實結(jié)合”的全過程管理的實踐教學體系?（圖1）。

此教學體系采用“虛實結(jié)合式教學”和“情景再現(xiàn)式教學”的教學方法，可以彌補傳統(tǒng)品工程原理實驗項目受場地、時間、設(shè)備、安全等因素制約的缺陷，順應“卓越工程師培養(yǎng)計劃”趨勢，培養(yǎng)出具有創(chuàng)新意識的新世紀復合型食品工程技術(shù)人才。在培養(yǎng)學生動手實踐能力的基礎(chǔ)上，充分發(fā)掘虛擬仿真軟件的技術(shù)優(yōu)勢，使學習更加深入、生動，還可以充分調(diào)動學生自主學習的興趣和積極性，將自主學習、互助學習、研究性學習有機結(jié)合，有效解決了目前學生工程實踐能力缺乏和創(chuàng)新意識缺失的核心問題，培養(yǎng)學生的工程化能力，有利于復合應用型人才的培養(yǎng)。

通過虛擬仿真實驗平臺，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)、虛擬仿真等技術(shù)轉(zhuǎn)變實踐課程建設(shè)方式，突破傳統(tǒng)實驗教學的局限性。虛擬仿真教學平臺拓展實踐領(lǐng)域、豐富教學內(nèi)容，提供綠色、可靠、安全和經(jīng)濟的實驗項目。網(wǎng)絡(luò)課堂與真實教學相結(jié)合，計算機模擬與真實實訓相互驗證和補充，采取虛實結(jié)合和情景再現(xiàn)的互聯(lián)網(wǎng)線上線下融合的個性化教學方式，激發(fā)學生的好奇心，啟發(fā)思考，帶著問題學習教材或查找相關(guān)文獻、尋找答案的過程中，鍛煉了學生的自學能力、運用知識解決實際問題的能力。具體實施方案如下：

實驗教學采用集中授課和自主練習相結(jié)合的方式。課程開始時，教師在多媒體實驗室對虛擬仿真實驗教學平臺中的虛擬軟件進行演示。學生在進入食品工程原理實驗室前，可以通過虛擬仿真平臺預習、觀摩、模擬相關(guān)實驗內(nèi)容，了解每次實驗單元操作裝置流程、操作規(guī)程以及數(shù)據(jù)采集的要點，熟悉實驗目的、實驗原理。學生完成線上軟件測試后，在線提交虛擬實驗報告，實驗教師在線評分并及時反饋給學生，取得測試合格后方可開始實驗。同時，師生可通過網(wǎng)絡(luò)平臺上的在線答疑功能進行互動交流。在學生提前線上學習的基礎(chǔ)上，實驗指導教師在線下實驗室設(shè)備上邊現(xiàn)場演示操作、邊講解，供學生課前觀摩學習，領(lǐng)會操作要點等。實驗結(jié)束后，以線上提交的實驗報告成績、線下實驗操作成績和線下實驗報告成績相結(jié)合的形式考核學生。學生不僅能夠在實體實驗中獲得第一手知識和技能，而且能夠在仿真情境中進行模擬現(xiàn)場實驗，并根據(jù)自身需求反復練習，培養(yǎng)其科學精神與創(chuàng)新能力。

3食品工程原理實驗虛擬仿真教學體系的實施效果

3.1激發(fā)學生的學習興趣基于網(wǎng)絡(luò)化的虛擬仿真實驗環(huán)境，使得實驗教學具有網(wǎng)絡(luò)化、開放性、交互性和易操作等特點，有利于學生的學習、實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。學生可以借助便捷的網(wǎng)絡(luò)計算環(huán)境，隨時、隨地動手開展實驗，在人機交互的虛擬實驗中提高自主學習能力。虛擬仿真實驗教學通過模擬真實的食品生產(chǎn)操作，使學生身臨其境，真實地感受并掌握食品加工過程中各單元設(shè)備的操作方法，給學生提供了一個無危險、低成本的方式以及與真實世界交互的平臺，是對傳統(tǒng)教學方式的重大挑戰(zhàn)，也是高校教學與科學實驗技術(shù)的一個新飛躍。

3.2加強學生理論與實際結(jié)合食品工程原理實驗與生產(chǎn)實際密切相關(guān)。但實體實驗存在設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜、操作過程繁瑣、水電氣安全風險高（尤其真空濃縮）、實驗室設(shè)備與實際生產(chǎn)有差別、原料采收期短且不耐貯藏、難以向?qū)W生全面展示和解釋等問題。通過虛擬仿真實驗教學體系，突破了傳統(tǒng)實驗教學受時空條件、儀器數(shù)量和操作過程等條件的限制，能使學生深入了解設(shè)備原理、操作規(guī)程等知識，實現(xiàn)信息技術(shù)和實驗教學的深度融合，提高實驗教學的教學水平和教學質(zhì)量，進一步提升高校創(chuàng)新人才的培養(yǎng)能力。

3.3拓展學生學習資源基于網(wǎng)絡(luò)化的虛擬仿真實驗環(huán)境，學生可以借助于便捷的網(wǎng)絡(luò)計算環(huán)境（如移動終端、個人電腦等設(shè)備），隨時隨地動手開展實驗，使其對基本原理的理解、公式中各種參數(shù)的來源及使用范圍有更加深刻的認識，從而幫助學生理解從書本上較難弄懂的概念，而且可以利用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)貴重儀器的遠程操控和共享。由于學生不需要到實驗現(xiàn)場，大大提高了實驗場地和貴重設(shè)備的共享和利用率。此外，虛擬仿真教學體系引入了很多原來不可實現(xiàn)的實驗內(nèi)容，例如通過虛擬仿真實驗環(huán)境，同學對食品的生產(chǎn)流程會有一個直觀、清晰的了解，將課本上的知識真正運用到實踐中。利用虛擬仿真實驗來實驗極大地提高了實驗教學的教學水平。

4結(jié)語

虛擬仿真實驗教學是當今國際先進的教學模式方式之一，其借助多媒體、人機交互和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建了高度仿真的虛擬實驗環(huán)境，不僅能夠彌補現(xiàn)有教學資源不足的缺陷，而且可以豐富教學內(nèi)容的作用[16]。食品工程原理實驗是一門實踐性、工程性極強的課程，將虛擬仿真教學模式引入教學中，突破了傳統(tǒng)實驗教學受時空條件、儀器數(shù)量和操作過程等條件的限制，能使學生通過自行設(shè)定相應參數(shù)，深入了解設(shè)備操作單元原理、操作規(guī)程等知識。通過該虛擬仿真實驗教學體系，可以實現(xiàn)信息技術(shù)和實驗教學的深度融合，提高實驗教學的教學水平和教學質(zhì)量，進一步提升食品工程創(chuàng)新人才的培養(yǎng)能力。

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