“新工科”視域下食品科學與工程專業(yè)虛擬仿真教學與創(chuàng)新平臺的構(gòu)建

吳永祥，胡長玉，王德青，金聲瑯，呂順清

(1.黃山學院 生命與環(huán)境科學學院，安徽 黃山245041；2.黃山學院 旅游學院，安徽 黃山245041)

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等技術(shù)的快速發(fā)展，在“中國制造2015”、“工業(yè)4.0”等強國戰(zhàn)略背景下，新興工業(yè)強勢崛起，推動了食品工程與信息化、數(shù)據(jù)化、智能化等領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型升級，同時也為我國高校培養(yǎng)食品科學與工程專業(yè)應(yīng)用型創(chuàng)新人才提供了良好契機[1]。食品科學與工程主要涉及食品加工工藝、產(chǎn)品保藏與包裝、工廠設(shè)計與制圖、現(xiàn)代儀器分析、機械與設(shè)備、企業(yè)管理等學科。實踐教學中相關(guān)的加工設(shè)備、現(xiàn)代分析儀器、企業(yè)車間布局設(shè)計等成本投入高，但因資金和場地有限，導(dǎo)致教學中學生的工程實踐鍛煉只能停留在表面，達不到預(yù)期的教學效果，不能滿足當前社會對“新工科”背景下食品科學與工程專業(yè)應(yīng)用型創(chuàng)新人才的需求[2,3]。黃山學院食品科學與工程專業(yè)起步較晚，專業(yè)師資與專業(yè)基礎(chǔ)薄弱，尚未形成科學的學科專業(yè)體系，且在培養(yǎng)工科應(yīng)用型創(chuàng)新人才過程中暴露出理論知識與實踐應(yīng)用結(jié)合性不強等問題[4]。作為傳統(tǒng)的食品科學與工程專業(yè)，要在新時代環(huán)境中生存與發(fā)展，只有不斷轉(zhuǎn)型升級和改革創(chuàng)新。

“新工科”作為工程教育的新理念、新模式，為工程教育的創(chuàng)新發(fā)展提供了諸多思路。與傳統(tǒng)工科比較，“新工科”理念更加注重多學科的交叉融合，著重培養(yǎng)人才的工程意識、工程素質(zhì)、實踐能力和創(chuàng)新能力[5]。2017 年 4 月，教育部發(fā)布了《2017-2020 年示范性虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)規(guī)劃》，提出了以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，開展虛擬仿真教學項目的建設(shè)，延伸教學的時間與空間，以增強學生的工程實踐和創(chuàng)新設(shè)計能力。虛擬仿真教學作為先進的教學手段，是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)字多媒體技術(shù)、人機交換技術(shù)等信息技術(shù)，模擬虛擬現(xiàn)實下的環(huán)境，使現(xiàn)有條件下無法完成的教學活動在虛擬條件下進行，并實現(xiàn)教學資源的共享開發(fā)與數(shù)字化[6]。虛擬仿真教學具有較強的演示性、實踐性、趣味性和安全性，不僅能將理論教學和實驗實訓(xùn)連接成一個有機整體，強化學生對理論更深層次的理解，而且能加強學生的工程實踐鍛煉，有效提升學生的創(chuàng)新能力[7]。黃山學院食品科學與工程專業(yè)亟需運用“新工科”的工程教育理念，構(gòu)建食品科學與工程專業(yè)虛擬仿真教學與創(chuàng)新平臺，整合與完善現(xiàn)有的教學資源，深化教學改革，構(gòu)建完整的學科專業(yè)體系，以滿足當今社會對新型工科食品科學與工程專業(yè)應(yīng)用型創(chuàng)新人才的需求。

1 平臺構(gòu)建目標

食品科學與工程專業(yè)虛擬仿真教學與創(chuàng)新平臺的建設(shè)以當今社會對人才需求為導(dǎo)向，結(jié)合專業(yè)定位，構(gòu)建合理的虛擬仿真教學項目，建立科學的食品科學與工程專業(yè)課程教育體系，豐富教學內(nèi)容。以學生為中心，從大學生的理解和實踐能力入手，充分調(diào)動學生主動學習的積極性，注重培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)。充分利用數(shù)字多媒體技術(shù)、人機交換技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、傳感器技術(shù)等信息技術(shù)，革新傳統(tǒng)教學方式，利用互動式、競賽式、項目式的教學方法，訓(xùn)練學生的工程項目思維和團隊協(xié)作能力，延伸教學的時間與空間，推動教學方式多樣化。以虛擬仿真教學項目開發(fā)的科學性、課程的教學效果、學生工程實踐和創(chuàng)新能力的提升為標準，建立多元、動態(tài)的評價體系，確保虛擬仿真教學評價體系的有效性。

2 平臺構(gòu)建思路

為解決食品科學與工程專業(yè)傳統(tǒng)教學存在的問題，將虛擬仿真技術(shù)引入到現(xiàn)代教學中，可以彌補實體教學受儀器設(shè)備、場地環(huán)境、時間與空間等因素制約的缺陷，充分發(fā)揮虛擬仿真教學的生動形象、直觀易懂，有助于激發(fā)學生主動學習的熱情和推動學生積極進行實踐綜合訓(xùn)練。同時需要注意的是不能簡單地將虛擬仿真教學附屬于實體教學，真正的動手能力與技能還需要在現(xiàn)實中去實踐與鍛煉，應(yīng)遵循“虛實融合互補，多元協(xié)同工作”的理念來確定兩者的關(guān)系，構(gòu)建虛實兼顧的一體化教學體系[8]。

黃山學院生命與環(huán)境科學學院在食品科學與工程專業(yè)大學生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)中引入虛擬仿真教學模式，不斷完善軟硬件條件，充分發(fā)揮虛擬仿真教學對實體教學的補充作用、對大型或加工環(huán)境實體實驗實訓(xùn)的替代功能，以滿足當今社會對新型工科食品科學與工程專業(yè)應(yīng)用型創(chuàng)新人才的迫切需求。結(jié)合實際，學院積極探索新型工科應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，構(gòu)建食品科學與工程專業(yè)虛擬仿真教學與創(chuàng)新綜合平臺，如圖1。

圖1 黃山學院食品科學與工程專業(yè)虛實結(jié)合的一體化教學體系

3 平臺構(gòu)建內(nèi)容

黃山學院食品科學與工程專業(yè)虛擬仿真教學與創(chuàng)新平臺主要分為專業(yè)理論教學虛擬仿真模塊、專業(yè)實驗虛擬仿真模塊、專業(yè)實訓(xùn)虛擬仿真模塊、創(chuàng)新設(shè)計虛擬仿真模塊4個部分。整個平臺構(gòu)建內(nèi)容按照虛實融合互補的原則進行建設(shè)，形成了多元協(xié)同的較為完善的教學新體系，具有多學科的綜合與交叉的特征。

3.1 專業(yè)理論教學虛擬仿真模塊

食品科學與工程專業(yè)核心課程如食品機械與設(shè)備、食品工程原理、食品工廠設(shè)計基礎(chǔ)等知識結(jié)構(gòu)復(fù)雜分散，內(nèi)容抽象難懂，要求學生有較強的空間想象能力，因此在傳統(tǒng)教學過程中面臨較大困難。專業(yè)理論教學虛擬仿真模塊能將不同食品加工工作原理、不同食品加工設(shè)備的運作和操作過程、不同食品工廠生產(chǎn)車間平面設(shè)計等相關(guān)知識內(nèi)容系統(tǒng)化，并以3D 動畫形式一一呈現(xiàn)出來，極大增強了教學的直觀性和生動性，讓學生有種親臨其境的學習氛圍。如圖2 所示，以食品機械與設(shè)備為例的專業(yè)理論虛擬仿真教學，可以結(jié)合學院現(xiàn)有的加工設(shè)備，采用虛擬現(xiàn)實和三維技術(shù)重點教學食品物料輸送機械、原料預(yù)處理設(shè)備、食品分離機械、加熱殺菌設(shè)備、濃縮與干燥設(shè)備、包裝技術(shù)裝備等幾十種典型食品加工設(shè)備的工作原理、加工操作和維修維護。通過虛擬仿真教學，以3D動畫形式呈現(xiàn)機械與設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組裝及運行過程。同時，學生可隨時隨地進行相應(yīng)的學習，通過反復(fù)訓(xùn)練，強化學生對理論更深層次的理解。在此過程中教師與學生可以進行線上和線下的互動交流與答疑，針對教師的解答效果和學生項目的完成情況進行互評，針對性地提出改進意見，完善平臺建設(shè)。

圖2 食品機械與設(shè)備的專業(yè)理論虛擬仿真教學模塊

3.2 專業(yè)實驗虛擬仿真模塊

為彌補傳統(tǒng)實驗教學中大型儀器設(shè)備和場地不足，專業(yè)實驗虛擬仿真模塊以虛實結(jié)合的原則對實驗教學進行改革，通過對典型大型儀器單元操作，如氣相色譜、高效液相色譜、原子吸收光譜、紅外吸收光譜、掃描電鏡、核磁共振波譜等的仿真，強化學生對儀器單元結(jié)構(gòu)及工作原理的理解，提升學生對儀器單元操作的實踐能力。如以食品分析實驗課程中“原子吸收光譜法在農(nóng)產(chǎn)品重金屬檢測中的應(yīng)用分析”為例，學生可在原子吸收光譜虛擬實驗室進行儀器結(jié)構(gòu)認知、樣品預(yù)處理、分析條件設(shè)定、火焰法檢測、石墨爐法檢測及日常維護與故障維修6個模塊的實踐訓(xùn)練。虛擬實驗內(nèi)容包括各種樣品的預(yù)處理、氣體流量調(diào)節(jié)、儀器操作條件設(shè)定與優(yōu)化、測量操作、數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析等多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。學生在虛擬實驗中，可選擇不同類型的樣品在實驗臺上模擬試劑配制操作，完成標準樣品與試樣的配制，并可以通過改變虛擬儀器的分析條件，觀察比較吸光度數(shù)值的變化來確定最佳實驗條件。此外，學生能根據(jù)選擇的樣品，通過3D 仿真實驗裝置交互式操作，模擬出該樣品的分析全過程，包括標準樣品與試樣的分析、標準曲線繪制、數(shù)據(jù)處理過程等。每個學生都能親自動手實驗、觀察實驗現(xiàn)象、記錄與分析實驗數(shù)據(jù)，促進學生對理論知識的掌握。

3.3 專業(yè)實訓(xùn)虛擬仿真模塊

實訓(xùn)虛擬仿真模塊是食品科學與工程專業(yè)教學體系中培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力最重要的模塊。根據(jù)專業(yè)建設(shè)要求，構(gòu)建啤酒發(fā)酵工藝虛擬仿真實訓(xùn)、果酒發(fā)酵工藝虛擬仿真實訓(xùn)、蘋果汁飲料生產(chǎn)加工虛擬仿真實訓(xùn)、香腸加工虛擬仿真實訓(xùn)、雞蛋分級加工虛擬仿真實訓(xùn)、面膜生產(chǎn)加工虛擬仿真實訓(xùn)、軟糖3D 工廠車間虛擬仿真設(shè)計等。采用虛擬工廠的形式可以展現(xiàn)食品生產(chǎn)企業(yè)的廠區(qū)總平面設(shè)計、生產(chǎn)車間管道設(shè)計、生產(chǎn)工藝路線和加工設(shè)備等，將產(chǎn)品生產(chǎn)良好操作規(guī)程、SSOP 衛(wèi)生標準操作程序、ISO22000質(zhì)量標準和車間管理等內(nèi)容融合到虛擬仿真實訓(xùn)中，并進行仿真互動。實訓(xùn)虛擬仿真模塊含有評判功能，由預(yù)設(shè)的智能化評分系統(tǒng)對學生的實際操作進行科學打分，將成績自動統(tǒng)計并輸出。學生通過虛擬仿真實訓(xùn)能夠全面系統(tǒng)地掌握產(chǎn)品的生產(chǎn)全過程，強化學生的工程意識、工程素質(zhì)、實踐能力和創(chuàng)新能力，為學生進入生產(chǎn)企業(yè)實習與就業(yè)打下良好的基礎(chǔ)。

3.4 創(chuàng)新設(shè)計虛擬仿真模塊

創(chuàng)新設(shè)計虛擬仿真模塊主要是學生經(jīng)過專業(yè)理論、專業(yè)實驗和綜合實訓(xùn)后進行的創(chuàng)新設(shè)計實踐，該模塊以專業(yè)的各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學科競賽、教師的縱向與橫向項目、國家級與省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目為訓(xùn)練資源（如圖3 所示），鞏固學生專業(yè)理論知識，啟發(fā)學生創(chuàng)新思維，有助于提升教學效果。結(jié)合虛擬仿真實踐教學資源豐富和實踐性強的特點，以競賽或項目的形式培養(yǎng)學生團隊協(xié)作及解決實際問題的能力，進而從整體上提升學生的創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)能力。創(chuàng)新設(shè)計虛擬仿真模塊具備跨學科、跨年級等特點，可以將多個專業(yè)領(lǐng)域的學生匯聚在一起，推動學生學習面的擴展。黃山學院食品科學與工程專業(yè)在教學中使用創(chuàng)新設(shè)計虛擬仿真模塊取得了較好的教學效果。近3 年，學生參加省部級以上創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽并獲獎20余項，包括全國大學生生命科學競賽三等獎3 項、安徽省大學生食品設(shè)計創(chuàng)新大賽一等獎2 項和二等獎5 項、安徽省“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽銀獎3項、安徽省大學生“創(chuàng)新、創(chuàng)意及創(chuàng)業(yè)”挑戰(zhàn)賽二等獎1項等；學生主持或參加國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目12項、省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目25項；參與申請國家專利15項；學生參與發(fā)表學術(shù)論文20余篇。

圖3 食品科學與工程專業(yè)創(chuàng)新設(shè)計虛擬仿真模塊

4 小 結(jié)

在“新工科”的建設(shè)背景下，虛擬仿真技術(shù)在教學中的應(yīng)用已成為發(fā)展趨勢。食品科學與工程專業(yè)虛擬仿真教學與創(chuàng)新平臺的構(gòu)建和應(yīng)用，無疑會極大地豐富教學內(nèi)容和創(chuàng)新教學方式，能有效地深化教學改革，完善教學體系，大大提高學生主動學習的積極性，促進學生工程實踐能力和創(chuàng)新能力的提升，有效提高教學質(zhì)量。本平臺的建設(shè)今后還能共享于生物技術(shù)、烹飪與營養(yǎng)、生物科學以及環(huán)境工程等專業(yè)，并為工程教育的改革發(fā)展提供一定的借鑒。但現(xiàn)行的虛擬仿真教學仍處于起步階段，需要在平臺建設(shè)過程中積極探索，在教學實踐中不斷思考和總結(jié)，才能推動虛擬仿真教學體系的可持續(xù)發(fā)展。