虛擬仿真技術(shù)在食品工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

李鉉軍 李范洙 張先

摘? 要：針對(duì)食品工程類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的實(shí)驗(yàn)場地不足、大型設(shè)備短缺、投入資金較少、某些實(shí)驗(yàn)存在較大危險(xiǎn)性等問題，本文通過引入已在高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中應(yīng)用較多的虛擬仿真技術(shù)，充分發(fā)揮其直觀性、生動(dòng)性的優(yōu)勢(shì)，讓學(xué)生在沉浸式體驗(yàn)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情?；谔摂M仿真技術(shù)試錯(cuò)成本低的特點(diǎn)，讓學(xué)生緊跟時(shí)代步伐自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，在成功與失敗中實(shí)現(xiàn)自我成長。最終達(dá)到提高教學(xué)水平，提升學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力的目的。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真? 食品工程? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)? 應(yīng)用研究

Abstract： In view of the problems existing in the experimental teaching of food engineering courses， such as the lack of experimental sites， the shortage of large-scale equipment， less investment， and the greater risk of some experiments， this paper introduces the virtual simulation technology， which has been applied in the experimental teaching process of colleges and universities， to give full play to its intuitive and vivid advantages， so that students can carry out experiments in immersion experience and stimulate students Give students the enthusiasm to study actively. Based on the characteristics of low trial and error cost of virtual simulation technology， the students can follow the pace of the times and design the experimental scheme independently to realize self-growth in success and failure. Finally， the purpose of improving teaching level and students' innovation and practice ability is achieved.

Key Words： Virtual simulation; Food engineering; Experimental teaching;Application research

虛擬仿真技術(shù)是信息化快速發(fā)展的新事物，可以高度逼真地模仿現(xiàn)實(shí)世界中的各種事物，結(jié)合人們對(duì)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[1]。傳統(tǒng)的食品工程實(shí)驗(yàn)，多數(shù)情況下受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場地及教學(xué)投入資金等多方面條件的限制，存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊或不足等問題，限制了實(shí)驗(yàn)課程的展開與深入。另外，受到教學(xué)模式和考核方式的影響，教學(xué)效果一般，傳統(tǒng)的模式很不利于人才的培養(yǎng)[2]。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，具有虛幻性、交互性、沉浸性、逼真性等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于高等學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中[3]。

1? 傳統(tǒng)“食品工程實(shí)驗(yàn)”存在的問題

1.1 實(shí)踐教學(xué)方法單一，學(xué)生參與度低

目前食品工程類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)還是以傳統(tǒng)教學(xué)方法為主，實(shí)驗(yàn)前上教師“一言堂”，將每個(gè)實(shí)驗(yàn)的主要知識(shí)內(nèi)容及注意事項(xiàng)傳遞給學(xué)生。然后安排學(xué)生做既定的實(shí)驗(yàn)。在這種教學(xué)模式下學(xué)生只是簡單地接受知識(shí)，并沒有過多的思考、分析和討論及創(chuàng)新環(huán)節(jié)，對(duì)于知識(shí)的掌握程度僅僅是皮毛，并不能真切理解每個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成與工作原理。在有限的實(shí)驗(yàn)條件下，傳統(tǒng)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?，學(xué)生缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的質(zhì)疑和對(duì)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[4]。以“食品工程原理實(shí)驗(yàn)”為例，實(shí)驗(yàn)中用到的設(shè)備較多，一些大型設(shè)備數(shù)量往往較少、操作又復(fù)雜，且價(jià)格貴重、維修困難。在大多情況下只能通過實(shí)驗(yàn)教師演示，學(xué)生旁觀的形式進(jìn)行授課。由于實(shí)驗(yàn)資源有限，多采用5～6 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。

1.2 教學(xué)內(nèi)容有局限

對(duì)于食品工程專業(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)用能力的有效手段。相對(duì)于專業(yè)發(fā)展的實(shí)際需求，大部分院校對(duì)食品類專業(yè)的資金投入并不充足，尤其是新開設(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。食品工程類課程作為專業(yè)必修課，選用教材雖為高端前沿的規(guī)劃教材，但部分章節(jié)內(nèi)容不能及時(shí)更新，部分設(shè)備在生產(chǎn)企業(yè)使用率不高或不再適用，食品行業(yè)出現(xiàn)的新型加工設(shè)備或技術(shù)在課本上體現(xiàn)少。因此，學(xué)生無法緊跟食品行業(yè)發(fā)展的脈搏，了解食品生產(chǎn)發(fā)展的趨勢(shì)，進(jìn)而無法滿足企業(yè)對(duì)加工技術(shù)人才的需求。而且，目前高校實(shí)驗(yàn)室中使用的設(shè)備多為實(shí)驗(yàn)用小型設(shè)備或間歇操作型設(shè)備，與實(shí)際生產(chǎn)所需設(shè)備相差較大，學(xué)生容易對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)認(rèn)知脫節(jié)[5]。

1.3 學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)薄弱

食品工程實(shí)驗(yàn)是實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，在這類課程之前，學(xué)生要先學(xué)習(xí)《大學(xué)物理》《機(jī)械制圖》《大學(xué)數(shù)學(xué)》等基礎(chǔ)課程。但是相對(duì)于傳統(tǒng)的工科類專業(yè)，食品專業(yè)學(xué)生對(duì)工程類基礎(chǔ)知識(shí)的掌握相對(duì)較弱。對(duì)于工程設(shè)備設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)和空間立體結(jié)構(gòu)想象能力薄弱，對(duì)于設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成和工作原理等知識(shí)點(diǎn)，理解起來比較困難。食品類專業(yè)雖為工科，但專業(yè)多開設(shè)于非工科類院校，多數(shù)高校教學(xué)以理學(xué)為主，偏重于培養(yǎng)學(xué)生食品加工生產(chǎn)技能、食品質(zhì)量檢測(cè)、食品品質(zhì)控制等方面的能力，而忽視工程應(yīng)用性較強(qiáng)的食品工程類課程的教學(xué)。

1.4 考核形式單一，缺乏全面性

食品工程類實(shí)驗(yàn)的考核注重學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新的能力、綜合知識(shí)的運(yùn)用能力和溝通合作的能力。多數(shù)情況是1～2名老師指導(dǎo)20～40名學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。教師精力有限很難關(guān)注到每位學(xué)生，并對(duì)其綜合表現(xiàn)作出客觀評(píng)價(jià)。因此多數(shù)情況下是根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)出勤和實(shí)驗(yàn)報(bào)告對(duì)其進(jìn)行評(píng)分，這種考核方式過于簡單，容易以偏概全，不能對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力進(jìn)行客觀的評(píng)價(jià)，導(dǎo)致學(xué)生只重視寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，不重視具體的實(shí)驗(yàn)過程[6]。甚至有部分學(xué)生，只出勤不操作，再抄襲他人成果。且實(shí)驗(yàn)報(bào)告的內(nèi)差異不大，不能體現(xiàn)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。傳統(tǒng)的考核形式標(biāo)準(zhǔn)模糊，不能對(duì)學(xué)生的綜合素養(yǎng)進(jìn)行全面客觀的評(píng)價(jià)，很難達(dá)到考核學(xué)生的目的，不利于學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

2? 虛擬仿真技術(shù)在食品工程類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)點(diǎn)

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

食品工程實(shí)驗(yàn)設(shè)備往往構(gòu)造復(fù)雜，工藝難度大，科技含量高，學(xué)生很難掌握其原理，所以老師不僅要進(jìn)行抽象的講解，更要帶領(lǐng)學(xué)生多進(jìn)行實(shí)踐操作。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可借助計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建虛擬的、仿真的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境，學(xué)生可在網(wǎng)絡(luò)世界中運(yùn)用虛擬技術(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)操作，完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過將各項(xiàng)食品工程實(shí)驗(yàn)虛擬仿真，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使實(shí)踐教學(xué)不只局限于抽象的理論教學(xué)，學(xué)生可根據(jù)需要隨時(shí)隨地利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)操作。學(xué)生在高沉浸感的虛擬環(huán)境下，可引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)，進(jìn)而激發(fā)自主學(xué)習(xí)的熱情，對(duì)學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)技能、提升動(dòng)手能力都有非常大的幫助[7]。虛擬仿真系統(tǒng)可根據(jù)食品加工技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行及時(shí)更新與完善，具有更新速度快、成本相對(duì)低廉以及與時(shí)俱進(jìn)的特點(diǎn)。同時(shí)，虛擬仿真系統(tǒng)不受時(shí)間、地點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)室空間的影響，根據(jù)需要學(xué)生可以獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，還可以反復(fù)操作，在不斷的實(shí)踐中驗(yàn)證自己實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性，進(jìn)而提高思維能力和創(chuàng)新能力。最終，擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度和深度。

2.2 完善實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，降低教學(xué)成本

傳統(tǒng)的食品工程實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴、占地面積大且技術(shù)更新慢，而且學(xué)生若操作不慎還易引發(fā)觸電、燃爆等事故。若將部分實(shí)驗(yàn)通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行虛擬仿真，不僅能夠節(jié)約教學(xué)成本，還可以拓展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓學(xué)生多接觸行業(yè)前沿的新設(shè)備新技術(shù)。目前，很多高校都與企業(yè)合作構(gòu)建了虛擬仿真平臺(tái)。例如，食品機(jī)械主要有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作模塊和設(shè)備結(jié)構(gòu)認(rèn)知仿真模塊兩部分內(nèi)容。虛擬仿真技術(shù)利用幾十種實(shí)驗(yàn)設(shè)備的仿真動(dòng)畫，將設(shè)備的立體空間結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)工作過程呈現(xiàn)出來，學(xué)生如同親臨生產(chǎn)車間，使學(xué)生容易理解，易于接受。這樣既豐富了課程設(shè)置，讓學(xué)生接觸了更多的食品生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備，也大大減小了學(xué)習(xí)難度，使理論知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)踐實(shí)現(xiàn)了緊密的結(jié)合。

2.3 提高綜合素質(zhì)，考核客觀全面

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可深入剖析實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，這就對(duì)學(xué)生的前期學(xué)習(xí)提出較高的要求，學(xué)生必須在理解的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行正確的操作。大家都可以通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行預(yù)習(xí)，然后進(jìn)行實(shí)踐操作，這樣可以大大提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和水平，進(jìn)而減少實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的盲目操作和走過場現(xiàn)象[8]。教師根據(jù)需要可在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中設(shè)定考核點(diǎn)，了解學(xué)生真實(shí)的試驗(yàn)過程，進(jìn)而形成更加科學(xué)合理的考核標(biāo)準(zhǔn)。了解到相關(guān)考核點(diǎn)后，學(xué)生積極主動(dòng)地完成相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，從而提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。虛擬仿真技術(shù)在允許范圍內(nèi)可修改各項(xiàng)參數(shù)，使得每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作都有所不同，學(xué)生也就失去了抄襲實(shí)驗(yàn)報(bào)告的動(dòng)機(jī)。虛擬仿真允許學(xué)生根據(jù)自己認(rèn)知制定實(shí)驗(yàn)方案，調(diào)整各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)而模擬真實(shí)的生產(chǎn)過程，即使是失敗的操作，學(xué)生也可從中汲取教訓(xùn)，學(xué)生的試錯(cuò)成本低。通過這一方式可激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神，有利于學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[9]。

3? 結(jié)語

實(shí)踐教學(xué)在我國的高等教育中，是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，我們要認(rèn)真貫徹黨的“教育與生產(chǎn)勞動(dòng)相結(jié)合”教育方針。虛擬仿真技術(shù)讓傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室因危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室空間有限、儀器設(shè)備資源有限等原因無法完成的實(shí)驗(yàn)，成為可能。將虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)的食品工程實(shí)驗(yàn)并用，使學(xué)生不受空間和時(shí)間的限制，虛實(shí)結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高了學(xué)生對(duì)實(shí)踐教學(xué)的興趣，擴(kuò)展了學(xué)生的視野，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新性思維以及實(shí)踐操作能力，從而提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)。使學(xué)生所學(xué)的理論知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)踐實(shí)現(xiàn)緊密的結(jié)合，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，有利于高校為國家培養(yǎng)更多應(yīng)用創(chuàng)新型的人才。

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