食品工程實驗教學(xué)信息化組織管理模式探索

陳躍文， 蔣丹丹， 崇云青， 陳 杰， 周 雁， 房 升

（1.浙江工商大學(xué)a.食品與生物工程學(xué)院；b.國家級食品工程與質(zhì)量安全實驗教學(xué)中心，杭州310018；2.浙江財經(jīng)大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院，杭州310018）

0 引 言

隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展，數(shù)字資源、網(wǎng)絡(luò)化管理以及自媒體技術(shù)正越來越廣泛地應(yīng)用于高等教育領(lǐng)域，促進了傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式的轉(zhuǎn)型升級［1］。2018 年4月，教育部發(fā)布了《教育信息化2.0 行動計劃》（教技［2018］6 號文件），強調(diào)信息化技術(shù)在教育現(xiàn)代化工作中的重要性，制定了具體行動計劃和保障措施，并提出要在2022 年基本實現(xiàn)“三全、兩高、一大”發(fā)展目標［2］。通過信息技術(shù)不斷推動優(yōu)秀教學(xué)資源高度共享，著力提升教學(xué)組織和資源管理的網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化，是推進高等教育人才培養(yǎng)水平提升的重要趨勢［3］。

食品工程實驗課程是食品學(xué)科的重要實踐課程，對于學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)和工程能力訓(xùn)練發(fā)揮非常重要的作用，對于大商科背景下非專業(yè)學(xué)生科學(xué)思維培養(yǎng)具有積極意義，對于廣大食品消費者科學(xué)認知食品產(chǎn)業(yè)具有推動作用。開展實驗室全面開放是實現(xiàn)實驗教學(xué)創(chuàng)新改革的重要突破口，將實驗室、實驗教師、相關(guān)平臺和項目資源真正投入于本科教學(xué)，是提升高校辦學(xué)水平、發(fā)揮實驗室人才培養(yǎng)功能的有效措施［4］。依據(jù)教育信息化的特點與要求，結(jié)合新時代背景下食品學(xué)科人才需求的特點，在傳統(tǒng)實驗教學(xué)資源整合的基礎(chǔ)上，利用信息技術(shù)建立多層次、全方位的實驗實踐開放管理系統(tǒng)，最大程度將實驗教學(xué)資源應(yīng)用于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)具有重要意義。

1 傳統(tǒng)食品工程實驗教學(xué)組織管理現(xiàn)狀

1.1 無法實現(xiàn)實驗教學(xué)活動的多元化

傳統(tǒng)的食品工程實驗教學(xué)內(nèi)容以“食品產(chǎn)品如何生產(chǎn)”為主，教學(xué)范圍以“食品工藝如何實現(xiàn)”為主，教學(xué)方式以“工藝技能如何掌握”為主，傳統(tǒng)的食品工程實驗教學(xué)組織模式無法滿足現(xiàn)代食品產(chǎn)業(yè)對于學(xué)生食品創(chuàng)新研發(fā)能力的需求。作為食品專業(yè)學(xué)習(xí)的核心實驗課程，食品工程實驗是食品專業(yè)理論學(xué)習(xí)到實踐操作的重要環(huán)節(jié)，既實現(xiàn)學(xué)生對于食品加工基本工藝和典型設(shè)備應(yīng)用能力的訓(xùn)練，又強調(diào)實驗項目內(nèi)容的創(chuàng)新性和學(xué)生的自主實驗活動［5］；食品工程實驗教學(xué)實驗室既是學(xué)校開展實驗教學(xué)活動、培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的重要空間，同時也是開發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維、提升學(xué)生專業(yè)技能、塑造學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要基地［6］。傳統(tǒng)的食品工程實驗教學(xué)資源管理模式以“課堂模式”為主，無法滿足實驗教學(xué)活動資源豐富化、形式多樣化、實驗自主化創(chuàng)新發(fā)展的新需求。

1.2 無法保障實驗教學(xué)資源的數(shù)字化

食品工程實驗涉及原料分析、產(chǎn)品加工、成品分析等儀器設(shè)備，其工作原理學(xué)習(xí)和設(shè)備操作訓(xùn)練具有一定的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法無法滿足原理講解、試錯訓(xùn)練、過程操作、技能考核等實驗環(huán)節(jié)的開放化運行需求［7］。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)受限于設(shè)備臺套數(shù)有限、單元設(shè)備結(jié)構(gòu)講解較難、重復(fù)實驗成本較高、特殊實驗較為危險等因素，很難接近真實的生產(chǎn)實踐場景；虛擬仿真實驗技術(shù)發(fā)展迅速，可以實現(xiàn)與計算機虛擬系統(tǒng)進行人機互動，可以幫助學(xué)生通過視覺觀察、聽覺感受和觸覺體驗等多種傳感模式實現(xiàn)更加安全真實的實驗試錯體驗。傳統(tǒng)的“課堂模式”食品工程實驗教學(xué)資源管理方法無法實現(xiàn)虛擬仿真等數(shù)字教學(xué)資源自主訓(xùn)練、自由實踐的新需求。

1.3 無法實現(xiàn)實驗實訓(xùn)平臺的開放化

傳統(tǒng)組織管理模式下，實驗教學(xué)內(nèi)容基本固定，實驗原理、儀器設(shè)備以及操作流程等模塊基本固定，教學(xué)時間、實驗流程、實驗考核等方式基本固定；實驗過程缺乏學(xué)生自己的設(shè)計和創(chuàng)新，學(xué)生實驗積極性不高，動手操作時數(shù)較少，導(dǎo)致實驗訓(xùn)練效果不佳［8］。傳統(tǒng)的實驗室開放活動大多為學(xué)生課外實驗和興趣小組等自發(fā)形式，缺乏系統(tǒng)性規(guī)劃和前瞻性引導(dǎo)；實驗室開放時間較長、次數(shù)較多，但開放項目缺乏綜合性和創(chuàng)新空間，實驗訓(xùn)練影響不深，缺乏科學(xué)統(tǒng)一的規(guī)劃和系統(tǒng)完善的管理［9］。傳統(tǒng)的“課堂模式”管理方法難以滿足新工科背景下學(xué)生對實驗項目自由選擇、工藝技術(shù)自主設(shè)計、實驗研究自主進行的新需求［10］。

1.4 無法實現(xiàn)平臺社會服務(wù)功能的最大化

食品是社會經(jīng)濟發(fā)展的支柱性產(chǎn)業(yè)，改革開放以來，中國的食品產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大。食品作為一種商品，其消費模式已由傳統(tǒng)的追求溫飽轉(zhuǎn)變?yōu)樽非蠼】?、營養(yǎng)和享受。健康食品、功能食品、特殊膳食、休閑食品等食品類型不斷發(fā)展，轉(zhuǎn)基因食品、食品添加劑、傳統(tǒng)食品工業(yè)化等食品產(chǎn)業(yè)相關(guān)熱點備受關(guān)注。食品的生產(chǎn)與研究關(guān)系到千家萬戶的日常生活，但是食品加工生產(chǎn)相關(guān)的工程技術(shù)、科學(xué)原理和發(fā)展現(xiàn)狀卻不為普通消費者熟知。通過食品工程實驗資源的社會化開放，開展各種通識教學(xué)、科普實驗等社會實踐活動，將食品相關(guān)的生產(chǎn)技術(shù)、科學(xué)知識、產(chǎn)業(yè)信息和發(fā)展動態(tài)傳達給消費者，是擴大食品工程實驗資源社會服務(wù)功能的重要內(nèi)容［11］。傳統(tǒng)的“課堂模式”管理方法無法實現(xiàn)高校實驗資源的社會化充分開放。

2 食品工程實驗教學(xué)信息化組織管理模式

食品產(chǎn)業(yè)的人才需求、食品工程實驗教學(xué)的課程模式都發(fā)生了新的轉(zhuǎn)變。食品工程實驗教學(xué)以國家級實驗教學(xué)示范中心為依托，在堅持“提升學(xué)生能力，發(fā)展學(xué)生個性”為教學(xué)理念的基礎(chǔ)上，采用驗證性、綜合性、設(shè)計性等不同實驗教學(xué)方法，設(shè)置“基本＋可選”實驗項目庫，結(jié)合實驗室開放、學(xué)生參與教師科研或承擔課外科技創(chuàng)新項目研究等實踐活動，構(gòu)建“超市化”自選實驗?zāi)Ｊ剑μ嵘龑W(xué)生的技術(shù)應(yīng)用能力、科學(xué)創(chuàng)新能力、系統(tǒng)思維能力和工程實踐能力，并實現(xiàn)學(xué)生專業(yè)能力和科學(xué)素養(yǎng)的個性化發(fā)展。新的課程模式、人才培養(yǎng)和社會服務(wù)需求，對食品工程實驗教學(xué)的信息化水平提出了更高的要求（見圖1）。

圖1 食品工程實驗教學(xué)新需求

2.1 食品工程實驗教學(xué)信息化管理系統(tǒng)的構(gòu)建

食品工程實驗教學(xué)信息化管理系統(tǒng)主要包括網(wǎng)站管理中心、虛擬仿真系統(tǒng)和微信交流平臺3 個模塊，管理系統(tǒng)由實驗項目庫、開放設(shè)備庫、技術(shù)資料庫、企業(yè)案例庫、仿真項目庫、在線試題庫、科普實驗庫等7 個資源模塊作為支撐，可以實現(xiàn)專業(yè)實驗選課、專業(yè)設(shè)備開放、競賽項目開放、仿真試錯實訓(xùn)、線上考試考核、通識科普開放及師生互動交流等功能。新的信息化管理系統(tǒng)的構(gòu)建，實現(xiàn)了理論與實踐、課堂與開放、虛擬與現(xiàn)實的有機融合和互動互通（見圖2）。

圖2 食品工程實驗教學(xué)信息化管理系統(tǒng)

2.2 交互式網(wǎng)站管理中心建設(shè)與成效

中心開發(fā)建設(shè)網(wǎng)站管理系統(tǒng)（http：／ ／lcf. zjgsu.edu.cn／），利用網(wǎng)站資源，建立專業(yè)教學(xué)實驗與實踐信息共享平臺，形成線上與線下、課內(nèi)與課外一條互相補充和交互融合的信息紐帶，在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中發(fā)揮了重要作用。一方面，中心網(wǎng)站提供實驗課程資源（包括教學(xué)課件、關(guān)鍵工藝答疑指導(dǎo)、教學(xué)視頻、企業(yè)案例等）、創(chuàng)新實踐資源及學(xué)科前沿動態(tài)等資源，構(gòu)建多元化的數(shù)字實驗教學(xué)資源。項目開放模塊發(fā)布面向?qū)I(yè)學(xué)生開放的教師科研科研項目信息，競賽開放模塊發(fā)布校級、省級、國家級大學(xué)生專業(yè)競賽信息，設(shè)備預(yù)約系統(tǒng)提供食品產(chǎn)品開發(fā)小試、中試及品質(zhì)分析設(shè)備，線上選課系統(tǒng)為專業(yè)教學(xué)提供課前線上實驗項目自選功能，科普預(yù)約系統(tǒng)外中小學(xué)生、食品企業(yè)、社區(qū)居民等社會大眾提供開放預(yù)約窗口；通過網(wǎng)站管理系統(tǒng)實現(xiàn)了實驗資源的高效運行。通過建立中心網(wǎng)站開放實驗室信息共享，將開展實驗的預(yù)約系統(tǒng)以鏈接的模塊形式加入共享系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)資源中，使用者可通過網(wǎng)站與管理者進行預(yù)約及交流，來實現(xiàn)實驗室的信息化管理，而達到實驗室的完全開放［12］。中心教學(xué)實驗管理與教務(wù)管理系統(tǒng)實現(xiàn)全面的貫通，開通實驗教學(xué)選課系統(tǒng)，學(xué)生可通過自己的賬號登錄中心網(wǎng)站，完成課前預(yù)習(xí)、課后的實驗報告，下載教學(xué)資源等；教師也可以通過系統(tǒng)查閱學(xué)生的預(yù)習(xí)及報告的完成情況，給學(xué)生答疑，錄入實驗成績等。充分利用信息資源與手段，實現(xiàn)實驗教學(xué)的全方位開放和系統(tǒng)管理。

2.3 開放式虛擬仿真實驗平臺構(gòu)建與應(yīng)用

虛擬仿真是一種可以實現(xiàn)與計算機虛擬系統(tǒng)進行人機互動的新型實驗訓(xùn)練輔助手段。實驗室基于多年教學(xué)素材積累和科研成果，聯(lián)合軟件開發(fā)機構(gòu)，開發(fā)構(gòu)建基于食品創(chuàng)新研究全鏈條的虛擬仿真實驗系統(tǒng)；如圖3 所示，實驗系統(tǒng)包括單元設(shè)備解析、生產(chǎn)線設(shè)計、新型技術(shù)認知等基礎(chǔ)模塊，食品新產(chǎn)品研發(fā)、食品安全溯源系統(tǒng)等工程模塊，食品智能感官、食品安全快速檢測等科研模塊在內(nèi)的全產(chǎn)業(yè)鏈實驗實訓(xùn)模塊的虛擬仿真。通過虛擬系統(tǒng)與顯示資源的互動互通，充分發(fā)揮了虛實結(jié)合、以虛促實的資源優(yōu)勢，對于提升平臺的人才培養(yǎng)能力可以發(fā)揮積極作用［13］。學(xué)生可以隨時隨地自由登錄虛擬仿真系統(tǒng)，既有利于充分利用實驗室的有限空間和資源，又有利于學(xué)生自主進行實驗活動，自主安排實驗學(xué)習(xí)時間，滿足學(xué)生自選課題和科研課題模式，從而調(diào)動和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，進而達到培養(yǎng)創(chuàng)新素質(zhì)的目的。

圖3 虛擬仿真交互實驗訓(xùn)練平臺

結(jié)合學(xué)院“工商融合”的人才培養(yǎng)理念，以食品全產(chǎn)業(yè)鏈認知、食品創(chuàng)新開發(fā)、科學(xué)與工程深度融合3 個維度為著力點，構(gòu)建理論與實踐高度融合的“沉浸式”教學(xué)環(huán)境［14］，通過虛實結(jié)合的實驗手段破解實驗時間長、工業(yè)實踐不能試、出錯代價高、實驗考核不真實難題，拓展教學(xué)深度和廣度，豐富實驗實踐教學(xué)體系。

2.4 自媒體交流平臺建設(shè)與應(yīng)用

自媒體時代的到來改變了日常生活，自媒體手段也廣泛應(yīng)用于高等教育的諸多領(lǐng)域［15］；自媒體以其方便快捷、休閑有趣的特點，有效豐富實驗教學(xué)手段，促進實驗室開放水平的提升［16］。中心自主建設(shè)“食品微科技”“味芝坊”等微信自媒體交流平臺見圖4；“食品微科技”微信平臺定期發(fā)布食品工程領(lǐng)域的加工技術(shù)理論和食品科學(xué)領(lǐng)域的最新發(fā)展動態(tài)等前沿信息；傳統(tǒng)實驗課程實踐訓(xùn)練內(nèi)容受課時時間的限制，很難做到系統(tǒng)性全鏈條式的深入學(xué)習(xí)，通過“食品微科技”的課堂補充、行業(yè)動態(tài)等模塊可以發(fā)布實驗設(shè)備單元、生產(chǎn)技術(shù)和商品化流通過程的相關(guān)推送，構(gòu)建集課堂講解、課前虛擬體驗、實驗實踐訓(xùn)練、課后自主拓展為一體的多維度訓(xùn)練體系，有效的補充課堂內(nèi)容、拓展實驗內(nèi)容；“味芝坊”微信平臺發(fā)布食品工程及食品感官實驗室的開放預(yù)約信息，進行師生問答討論。微平臺還會定期發(fā)布專業(yè)競賽、創(chuàng)新項目、教師課題等專業(yè)訓(xùn)練開放信息，由學(xué)生自由選題、自主實驗。

圖4 微信自媒體交流平臺

3 結(jié) 語

信息化實驗室管理系統(tǒng)將食品工程實驗教學(xué)與實驗資源自主開放二者緊密結(jié)合起來，實現(xiàn)了課堂內(nèi)外資源共享，極大地豐富了教學(xué)資源，提高了實驗效率。通過信息化實驗系統(tǒng)的建立，實現(xiàn)了跨學(xué)科知識交叉，促進了課堂實驗教學(xué)與課外自主實踐的貫通，使學(xué)生能夠更好地將理論學(xué)習(xí)與實驗實踐結(jié)合在一起，提升了適應(yīng)食品產(chǎn)業(yè)真實需求的創(chuàng)新研究能力和工程技術(shù)能力。教師在施教過程中也能更好地、全方位地了解學(xué)生可接觸的資源信息、實驗過程中存在的問題以及開展自主創(chuàng)新實驗的需求?；谛畔⒒夹g(shù)的實驗教學(xué)組織模式能夠充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高其獨立思考和自主創(chuàng)新的能力，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的崇尚科學(xué)、樂于創(chuàng)新、勤于實踐的專業(yè)素養(yǎng)。