虛擬仿真在食品工程原理實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)教學(xué)中的有機(jī)結(jié)合

陳燕萌，柳富杰，覃逸明

(廣西科技師范學(xué)院 食品與生化工程學(xué)院，廣西 來賓 546199)

食品工程原理是食品類專業(yè)必修的一門基礎(chǔ)專業(yè)課，有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，且與食品工業(yè)生產(chǎn)密切聯(lián)系，在課程體系中起著承前啟后和由理及工的重要紐帶作用[1]。食品工程原理實(shí)驗(yàn)課程是食品工程原理課程的重要補(bǔ)充和實(shí)踐，是學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的重要途徑，對(duì)學(xué)生工程意識(shí)和工程思維的培養(yǎng)起著重要作用。虛擬仿真教學(xué)是一種共享型虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，是以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為核心，利用多媒體、人機(jī)交互和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，為學(xué)習(xí)者提供一個(gè)生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，是目前國(guó)際先進(jìn)的教學(xué)模式[2]。

1 食品工程原理實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)與不足

1.1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)

1.1.1 提高學(xué)生的感知認(rèn)識(shí)

傳統(tǒng)的食品工程原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是指學(xué)生到食品工程原理實(shí)驗(yàn)室親自操作真實(shí)的儀器開展真實(shí)的實(shí)驗(yàn)。從心理學(xué)的角度出發(fā)，學(xué)生總是對(duì)自己能夠親身接觸的實(shí)物記憶得更加深刻和透徹[3]。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生可以看到真實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備構(gòu)造和組成，可以通過實(shí)體的儀器理清管路和閥門的作用，可以學(xué)習(xí)某些重要設(shè)備的實(shí)際操作方法，如離心泵、板框壓濾機(jī)的使用等，這種通過視覺、觸覺、聽覺等來認(rèn)識(shí)事物并獲得感性認(rèn)知的過程，可提高學(xué)生對(duì)食品工程原理實(shí)驗(yàn)的興趣，同時(shí)也會(huì)加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解與掌握。

1.1.2 培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力

學(xué)生在進(jìn)行傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)時(shí)，總會(huì)遇到各種各樣的問題，學(xué)生能否正確、快速解決這些問題，將會(huì)直接或間接影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如，在雷諾演示實(shí)驗(yàn)過程中，水箱液位的波動(dòng)幅度將會(huì)直接影響紅墨水呈現(xiàn)出來的流動(dòng)形狀，間接影響學(xué)生所觀察到的流體流動(dòng)形態(tài)，對(duì)此，要求學(xué)生在操作過程中必須隨時(shí)根據(jù)出水流量的變化，調(diào)節(jié)正確的閥門，控制水箱的液位達(dá)到平衡，以防進(jìn)、出水量失衡造成的水箱液位波動(dòng)嚴(yán)重、或水箱水量不足、或水箱水量溢出等現(xiàn)象的出現(xiàn)。學(xué)生通過經(jīng)歷傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，不僅提高了動(dòng)手操作的能力，也培養(yǎng)了分析和解決問題的能力。

1.2 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足

1.2.1 教學(xué)設(shè)備守舊，數(shù)量不足

目前，傳統(tǒng)的食品工程原理實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備大多是流體力學(xué)、恒壓過濾、吸收、傳熱、干燥、精餾等操作單元的教學(xué)儀器，這些教學(xué)儀器與化工原理實(shí)驗(yàn)的儀器大體相同，大多是一些基礎(chǔ)型、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，缺乏一些綜合性、設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。此外，食品工程原理實(shí)驗(yàn)的每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)H有一臺(tái)儀器設(shè)備，而上課對(duì)象一般多達(dá)15人/組以上，學(xué)生操作工位非常擁擠，使得在實(shí)際教學(xué)中往往會(huì)出現(xiàn)部分學(xué)生操作、部分學(xué)生圍觀等現(xiàn)象，不利于學(xué)生的學(xué)習(xí)探索。

1.2.2 儀器易出現(xiàn)異常，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器有一定的使用壽命，常因使用率高、或?qū)W生操作不當(dāng)?shù)纫蛩貢?huì)出現(xiàn)異常，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如，在流體流動(dòng)阻力的測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，其中一個(gè)步驟是對(duì)倒U型壓差計(jì)進(jìn)行排氣，學(xué)生對(duì)這步操作經(jīng)常做不對(duì)，需要重重復(fù)復(fù)操作，增加了對(duì)儀器的使用率，使高壓閥、低壓閥超負(fù)荷扭轉(zhuǎn)，最終出現(xiàn)漏水，影響了儀器的性能；在傳熱實(shí)驗(yàn)中，由于溫度探頭接觸不良，使得測(cè)量冷流體的出口溫度間歇性出現(xiàn)異常，也會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.2.3 教學(xué)內(nèi)容單一，范圍狹窄

傳統(tǒng)的食品工程原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要是雷諾演示實(shí)驗(yàn)、流體阻力測(cè)定實(shí)驗(yàn)、離心泵特性曲線測(cè)定實(shí)驗(yàn)、洞道干燥實(shí)驗(yàn)、填料吸收塔實(shí)驗(yàn)、恒壓過濾實(shí)驗(yàn)、篩板精餾實(shí)驗(yàn)、傳熱實(shí)驗(yàn)這八大實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，內(nèi)容都較偏向化工原理實(shí)驗(yàn)方向，缺乏一些與食品工業(yè)相近的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和綜合性設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)、噴霧干燥實(shí)驗(yàn)、流化床干燥實(shí)驗(yàn)、超臨界流體萃取實(shí)驗(yàn)等。

1.2.4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)受時(shí)間、場(chǎng)地限制

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般都是在規(guī)定的時(shí)間到特定的實(shí)驗(yàn)室開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，基本是一周學(xué)習(xí)一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目安排3學(xué)時(shí)。對(duì)于原理抽象、過程復(fù)雜的食工原理實(shí)驗(yàn)，3學(xué)時(shí)的學(xué)習(xí)時(shí)間肯定是不夠的，學(xué)生需要更多的時(shí)間和機(jī)會(huì)對(duì)所學(xué)項(xiàng)目進(jìn)行練習(xí)和更深入的探討。然而，高校的食品工程原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)普遍存在學(xué)生人數(shù)眾多、儀器數(shù)量較少、食品工程原理實(shí)驗(yàn)的教師和實(shí)驗(yàn)員人數(shù)不足的現(xiàn)象，這些因素在很大程度上限制了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，導(dǎo)致學(xué)生不能根據(jù)自己的時(shí)間自主規(guī)劃自己的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)與不足

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

2.1.1 教學(xué)內(nèi)容全面，綜合性實(shí)驗(yàn)增多

食品工程原理實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比較全面，除了傳統(tǒng)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目外，還包括了流體黏度測(cè)定實(shí)驗(yàn)、氣體液體擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)、蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)、噴霧干燥實(shí)驗(yàn)、流化床干燥實(shí)驗(yàn)、液液萃取實(shí)驗(yàn)、超臨界萃取、葡萄酒發(fā)酵單元虛擬實(shí)驗(yàn)等，既包含了所有化工操作單元的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，又包含了一些綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，教學(xué)內(nèi)容全面，符合國(guó)家對(duì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求。

2.1.2 操作思路清晰，安全簡(jiǎn)便

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在程序設(shè)定過程中會(huì)遵循安全操作的原則，對(duì)于學(xué)生操作不當(dāng)、設(shè)置不合理的地方，系統(tǒng)會(huì)立即出現(xiàn)提示或安全警告，讓學(xué)生意識(shí)到錯(cuò)誤和危險(xiǎn)，從而提高了學(xué)生的安全防患意識(shí)。如，在虛擬仿真恒壓過濾實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)操作界面如圖1所示，當(dāng)配料桶的懸浮液未經(jīng)“泵入口閥-離心泵-回流閥”混合均勻時(shí)，就點(diǎn)擊采出閥輸送液體到高位槽，這時(shí)系統(tǒng)就會(huì)提示“懸浮液未混合均勻”的提示；若加水量少了，配制的懸浮液濃度過高，點(diǎn)擊采出閥時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示“懸浮液濃度太高，請(qǐng)加水”；當(dāng)未打開排氣閥，就點(diǎn)擊采出閥輸送樣品時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示“請(qǐng)先打開高位槽排氣閥”。此外，還有更多不正確的操作，系統(tǒng)都會(huì)給予正確的提示，引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)一步步有序進(jìn)行?？梢姡摂M仿真實(shí)驗(yàn)避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程中可能出現(xiàn)的泄露、高壓等危險(xiǎn)事故的發(fā)生，避免了學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)操作手忙腳亂、一片混亂的場(chǎng)景。

圖1 虛擬仿真恒壓過濾實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作界面

2.1.3 可無(wú)限重復(fù)，數(shù)據(jù)更接近理論值

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是在仿真軟件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的，不受實(shí)體物料、設(shè)備的限制，學(xué)生只要有電腦、軟件就能開展相關(guān)的學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生可根據(jù)自己的時(shí)間，進(jìn)行重復(fù)練習(xí)，同時(shí)也可通過更改參數(shù)條件，采集不同的數(shù)據(jù)，比較實(shí)驗(yàn)參數(shù)變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程中的種種故障和異常，即減少了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差、人為誤差和偶然誤差等，故采集出來的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較理想，學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證出來的結(jié)果也會(huì)更接近理論值。

2.1.4 虛擬實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間、場(chǎng)地的限制

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不同的是，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)施的條件是電腦+軟件，學(xué)生可在自己的筆記本電腦裝上食品工程原理仿真實(shí)驗(yàn)軟件，隨時(shí)隨地開展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的自主學(xué)習(xí)，不再受傳統(tǒng)教學(xué)學(xué)時(shí)、儀器設(shè)備、場(chǎng)所的限制。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的不足

2.2.1 缺乏實(shí)驗(yàn)的氛圍

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用人機(jī)交互的模式，學(xué)生面對(duì)的是冰冷的電腦和一些不真實(shí)的軟件。授課時(shí)教師一般是通過主機(jī)控制方式與學(xué)生互動(dòng)，這會(huì)給學(xué)生帶來一種感覺：他們面對(duì)只是一個(gè)會(huì)講解實(shí)驗(yàn)知識(shí)的機(jī)器，而并非真正的人。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭话悴扇∫蝗艘粰C(jī)，無(wú)法提供真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的人文環(huán)境，難以實(shí)現(xiàn)核心素養(yǎng)中提出的培養(yǎng)學(xué)生合作交流能力的要求[3]。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)過程過于理想化

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)完全是在虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行，每個(gè)步驟的進(jìn)行都是通過操控鼠標(biāo)或鍵盤來完成的。食品工程原理實(shí)驗(yàn)注重培養(yǎng)學(xué)生面對(duì)實(shí)際事件時(shí)分析問題和解決問題的能力，而虛擬實(shí)驗(yàn)過程都非常理想，對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程中的一些細(xì)節(jié)，特別是易出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)故障等問題缺乏模擬，不利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力[3]。

3 傳統(tǒng)教學(xué)與虛擬仿真的有機(jī)結(jié)合

3.1 從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的構(gòu)架將兩者有機(jī)結(jié)合

根據(jù)國(guó)家教育部對(duì)高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求，實(shí)驗(yàn)課的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)包含基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性、綜合性、設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在食品工程原理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，教師可采用傳統(tǒng)教學(xué)模式開展一些基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，采用虛擬仿真教學(xué)模式開展一些綜合性、設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以此合理安排框架完整的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

3.2 從實(shí)驗(yàn)的操作可行性將兩者有機(jī)結(jié)合

食品工程原理實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)教學(xué)中，個(gè)別實(shí)驗(yàn)操作繁瑣、數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、存在安全隱患等問題，如，在恒壓過濾實(shí)驗(yàn)中，由于學(xué)生控制壓力不恒定、所裝板框?yàn)V布漏液、實(shí)驗(yàn)存在高壓風(fēng)險(xiǎn)，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的常不能順利開展全部實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，或采集出來的原始數(shù)據(jù)也不理想。因此，教師針對(duì)操作不穩(wěn)定、操作存在安全隱患等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可結(jié)合虛擬軟件開展仿真教學(xué)，以此實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

食品工程原理實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)教學(xué)模式與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式各有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)與不足，兩者不應(yīng)獨(dú)立存在，而應(yīng)相互共存、相互補(bǔ)足、相互促進(jìn)的統(tǒng)一體。為了使食品工程原理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果達(dá)到最優(yōu)，在高校的食品工程原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)將兩種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式有機(jī)結(jié)合起來，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。