虛擬仿真技術(shù)在食品工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探索

賈寶珠 蔡文韜 袁學(xué)文 羅 林

（[1]廣東第二師范學(xué)院生物與食品工程學(xué)院 廣東·廣州 510303；[2]廣東省食品質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院 廣東·廣州 510642）

食品工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用已掌握的理論知識和實(shí)驗(yàn)技能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并操作的一門綜合實(shí)踐課程，是提高學(xué)生創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力的重要手段。[1]傳統(tǒng)的食品工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)，受到實(shí)驗(yàn)場地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及教學(xué)投入資金等多方面條件的限制，存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足或陳舊等問題，限制了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇。[2]且大多是“作坊式”教學(xué)，教學(xué)理念陳舊，與實(shí)際生產(chǎn)脫節(jié)。且受到教學(xué)模式和考核方式的影響，教學(xué)效果一般，不利于人才的培養(yǎng)。

虛擬仿真技術(shù)作為信息化時(shí)代的產(chǎn)物，可以逼真的模仿現(xiàn)實(shí)世界中的事和物，結(jié)合人們對現(xiàn)實(shí)世界的觸覺、視覺、聽覺，進(jìn)行交互體驗(yàn)，讓人們有身臨其境的感覺。[3]虛擬仿真技術(shù)結(jié)合了先進(jìn)的教學(xué)思想和現(xiàn)代化的教學(xué)手段，具有沉浸性、交互性、虛幻性、逼真性等特點(diǎn)，[4-5]如今已廣泛應(yīng)用于高等學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中。在傳統(tǒng)食品工藝實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上引入虛擬仿真技術(shù)，能夠有效的解決因空間、時(shí)間、資源限制導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無法開設(shè)的問題，提高學(xué)生的參與度和積極性，完善考核制度，提高教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生的分析能力和實(shí)踐能力。[6]

1 傳統(tǒng)“食品工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)”存在的問題

1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容受限，缺乏創(chuàng)新性

近年來，隨著高等教育的普及，應(yīng)用型、技術(shù)型人才培養(yǎng)模式盛行，各大高校紛紛開設(shè)食品相關(guān)專業(yè)。對于食品專業(yè)而言，理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)模式，是鍛煉學(xué)生操作技能和培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力的有力手段。相對于教育事業(yè)發(fā)展的實(shí)際需求，大部分院校的資金投入并不充足，尤其是專業(yè)開設(shè)的前幾年，招生人數(shù)少，投入經(jīng)費(fèi)有限，實(shí)驗(yàn)場地和實(shí)驗(yàn)設(shè)備很難滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際需求。[7]食品行業(yè)飛速發(fā)展，食品加工技術(shù)和設(shè)備不斷更新，而更新設(shè)備投入較大，審批及購買程序繁瑣，大部分高校也面臨著技術(shù)理念陳舊、實(shí)驗(yàn)設(shè)備老化損壞等難題。且目前實(shí)驗(yàn)中使用的設(shè)備主要是實(shí)驗(yàn)室的小型設(shè)備或間歇操作型設(shè)備，[8]與實(shí)際生產(chǎn)所用設(shè)備相差較大。如食品加工企業(yè)常用夾層鍋對物料進(jìn)行加熱，而高校實(shí)驗(yàn)室只能用廚房鍋具，采用電磁爐、天然氣等進(jìn)行加熱。實(shí)驗(yàn)設(shè)備不同，實(shí)驗(yàn)原理不同，不僅影響產(chǎn)品品質(zhì)，而且容易導(dǎo)致學(xué)生對工業(yè)化生產(chǎn)認(rèn)知脫節(jié)。

1.2 學(xué)生參與度低，缺乏積極性

食品工藝學(xué)是一門綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)課程。由于實(shí)驗(yàn)條件有限，傳統(tǒng)的食品工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)開設(shè)的多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，操作方法簡單，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ焦潭ɑ?。多為老師選定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，確定可行的實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)驗(yàn)員老師準(zhǔn)備原輔料和儀器，學(xué)生只需循規(guī)蹈矩按照實(shí)驗(yàn)講義進(jìn)行操作，得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果盡量向理論值靠攏，學(xué)生缺乏對實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的質(zhì)疑和對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的思考，不利于思維能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，不符合課程設(shè)置的初衷。[9]食品工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)用到的設(shè)備較多，一些大型設(shè)備數(shù)量較少、操作復(fù)雜，且價(jià)格貴重、維修困難，大多只能通過實(shí)驗(yàn)教師演示，學(xué)生旁觀的形式進(jìn)行授課。一些生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行一次需要消耗較多原輔料，且清洗困難，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，實(shí)際利用率較低。由于實(shí)驗(yàn)資源有限，多采用4～6人一個(gè)小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不能保證每個(gè)同學(xué)都有動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的參與度較低，積極性不高，教學(xué)效果不好。

1.3 考核形式單一，缺乏全面性

食品工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)的考核應(yīng)是學(xué)生知識綜合運(yùn)用能力、實(shí)踐創(chuàng)新能力和溝通合作能力的綜合考查。一般是1～2名老師指導(dǎo)30名左右學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，很難關(guān)注到每位學(xué)生，并對其平時(shí)表現(xiàn)作出客觀評價(jià)。因此主要是根據(jù)實(shí)驗(yàn)出勤和實(shí)驗(yàn)報(bào)告對學(xué)生進(jìn)行打分，這種考核方式簡單但不全面，不能對學(xué)生的操作細(xì)節(jié)進(jìn)行評價(jià)，導(dǎo)致學(xué)生只看結(jié)果，不重視實(shí)驗(yàn)過程。[10]部分學(xué)生甚至不動(dòng)手操作，只要保證出勤，再根據(jù)其他同學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，就能通過考核獲得學(xué)分。且實(shí)驗(yàn)報(bào)告千篇一律，學(xué)生普遍能夠獲得較高的分?jǐn)?shù)。這種形式的考核標(biāo)準(zhǔn)模糊，不能全面客觀的對學(xué)生進(jìn)行評價(jià)，達(dá)不到考核學(xué)生的目的，不利于學(xué)生的培養(yǎng)。

2 虛擬仿真技術(shù)在“食品工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)中的優(yōu)勢

2.1 降低教學(xué)成本，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

食品工藝學(xué)中使用的設(shè)備價(jià)格昂貴、占地面積大且技術(shù)更新迅速，如將部分實(shí)驗(yàn)通過虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行，不僅能夠節(jié)約教學(xué)成本，還可以豐富實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓學(xué)生接觸更多行業(yè)的新設(shè)備新技術(shù)。目前很多高校都與企業(yè)合作構(gòu)建虛擬仿真平臺，很多食品工藝學(xué)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)平臺已投入使用，如濃縮果汁及其飲料的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、吐司面包生產(chǎn)工藝3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、啤酒發(fā)酵虛擬仿真與生產(chǎn)實(shí)踐、葡萄酒釀造工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、魚糜生產(chǎn)工藝3D仿真綜合實(shí)訓(xùn)、嬰兒配方乳粉加工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、切達(dá)干酪工廠生產(chǎn)仿真實(shí)驗(yàn)等。虛擬仿真平臺與傳統(tǒng)食品工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)合的混合教學(xué)模式，可以在有限的課時(shí)內(nèi)，讓學(xué)生接觸更多的食品加工機(jī)械和設(shè)備，掌握更多的食品加工原理和過程，豐富了課程設(shè)置，提高了學(xué)習(xí)效率，開拓了學(xué)生視野，降低了教學(xué)成本，提升了教學(xué)質(zhì)量。

2.2 提高創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

食品加工的機(jī)械設(shè)備構(gòu)造復(fù)雜，科技含量高，工藝難度大，僅通過老師抽象的講解，學(xué)生很難理解其原理。虛擬仿真系統(tǒng)通過2D或3D動(dòng)畫的形式，生動(dòng)、直觀的展示食品加工機(jī)械設(shè)備的工作原理和工作過程，使學(xué)生在高沉浸感的虛擬環(huán)境下感知整個(gè)試驗(yàn)過程及物料在加工過程中發(fā)生的變化，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)效果。[11]虛擬仿真系統(tǒng)可根據(jù)食品加工技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行更新完善，更新速度快、成本低，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與時(shí)俱進(jìn)，使學(xué)生熟悉現(xiàn)代化生產(chǎn)的過程，擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度和深度。虛擬仿真系統(tǒng)不受時(shí)間、地點(diǎn)和資金的影響，學(xué)生可以獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，還可以反復(fù)操作，驗(yàn)證自己實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性，在重復(fù)中不斷思考和探索，在失敗中鞏固所學(xué)的知識，激發(fā)思維能力和創(chuàng)新能力。

2.3 突出能力導(dǎo)向，考核客觀全面

由于企業(yè)生產(chǎn)的保密性，學(xué)生難以從課堂教學(xué)或見習(xí)實(shí)習(xí)中真實(shí)的了解生產(chǎn)中各類設(shè)備的操作方法、技術(shù)指標(biāo)及工藝參數(shù)。虛擬仿真系統(tǒng)以食品加工企業(yè)為模板，高度還原了食品加工的過程，增加學(xué)生對食品生產(chǎn)流程及行業(yè)先進(jìn)技術(shù)的了解，有助于提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)和實(shí)踐技能，使學(xué)生適應(yīng)食品加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。虛擬仿真系統(tǒng)還能夠記錄學(xué)生的整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，可以對學(xué)生的每一步實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行評分，能夠很好的反應(yīng)學(xué)生理論知識學(xué)習(xí)情況、課前預(yù)習(xí)情況、課上實(shí)操情況，結(jié)合課后的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，能夠全面客觀的對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行評價(jià)。

3 總結(jié)

虛擬仿真技術(shù)讓原來課堂上做不到、做不了、做不上的實(shí)驗(yàn)，成為可能。將虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)的食品工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)并用，打破時(shí)間和空間的限制，虛實(shí)結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)，使學(xué)生更好的了解企業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際場景，熟悉食品加工原理和先進(jìn)設(shè)備，掌握食品加工工藝，有助于學(xué)生將理論知識與實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，提升了學(xué)生的綜合能力，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，有利于高校應(yīng)用創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。