虛擬仿真技術(shù)在“食品工程原理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究＊

王 英，陳 錚，韓 江，孔令明

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊830052）

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)指學(xué)生借助虛擬仿真技術(shù)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，達(dá)到實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的目的和要求。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)與“食品工程原理”課程相結(jié)合，不但有利于提高教師教學(xué)質(zhì)量，并且能夠讓學(xué)生直觀、生動(dòng)地學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革目的

食品工程原理實(shí)驗(yàn)是“食品工程原理”課程教學(xué)必不可少的重要環(huán)節(jié)[1-2]，但在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中，會(huì)遇到兩個(gè)主要問題：①實(shí)踐教學(xué)資源不足。若想使每一位學(xué)生都獨(dú)立自主操作實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)器材必須充足且多樣，而大多數(shù)高校擁有的設(shè)備和教學(xué)條件由于教學(xué)成本的原因基本難以滿足，無法達(dá)到理想的教學(xué)效果；若學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，則難以評(píng)價(jià)學(xué)生之間的交流活動(dòng)、個(gè)人的學(xué)習(xí)效果，某些教學(xué)環(huán)節(jié)在實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)成為盲點(diǎn)。②學(xué)習(xí)難度大?！笆称饭こ淘怼睘槭称房茖W(xué)與工程專業(yè)一門理論性和實(shí)踐性很強(qiáng)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，涉及動(dòng)量傳遞、熱量傳遞及質(zhì)量傳遞內(nèi)容，并且包含流體流動(dòng)與輸送、沉降與過濾、傳熱、蒸發(fā)、傳質(zhì)、干燥等操作流程，學(xué)生理解起來較不易[3-4]。

而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是通過應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)比傳統(tǒng)的實(shí)地操作，其教學(xué)過程可做到“人手一機(jī)”，滿足每一位學(xué)生單獨(dú)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的要求。在授課計(jì)劃的編排上，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可隨時(shí)將實(shí)驗(yàn)教學(xué)穿插于每個(gè)單元的理論教學(xué)活動(dòng)中，突破了時(shí)間和地點(diǎn)的限制，完成實(shí)地操作所不具備或是難以完成的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和教學(xué)目的，對(duì)促進(jìn)學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)方法、了解實(shí)驗(yàn)原理具有很大幫助，避免了實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中存在的限制因素。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)依據(jù)真實(shí)的食品工程操作過程，利用虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，調(diào)整虛擬元器件的參數(shù)設(shè)置，運(yùn)行仿真得出結(jié)果。學(xué)生可在虛擬系統(tǒng)內(nèi)反復(fù)訓(xùn)練，利用虛擬數(shù)字化的教學(xué)手段，使學(xué)生通過視覺及思維流程訓(xùn)練熟練掌握實(shí)驗(yàn)原理、操作過程及各知識(shí)要點(diǎn)。

2.1 仿真軟件架構(gòu)

教師通過對(duì)學(xué)員和試題的管理操作，從而對(duì)整個(gè)仿真系統(tǒng)進(jìn)行部署和維護(hù)。教師端通過網(wǎng)絡(luò)通訊程序與學(xué)員端進(jìn)行連接，可控制每臺(tái)仿真電腦，啟動(dòng)和控制每位學(xué)員的電腦端。

教師和學(xué)生可通過訪問管理平臺(tái)進(jìn)行應(yīng)用統(tǒng)計(jì)。登錄管理平臺(tái)后，可隨時(shí)查詢登錄統(tǒng)計(jì)和成績(jī)分析等數(shù)據(jù)信息，管理平臺(tái)也可通過通訊啟動(dòng)和控制學(xué)員端仿真程序。

仿真程序?qū)W員端部署在學(xué)生的電腦上。學(xué)員端的應(yīng)用管理程序負(fù)責(zé)提供智能評(píng)分、工況管理、仿真程序生命周期管理等服務(wù)，并提供這些服務(wù)對(duì)仿真運(yùn)行平臺(tái)的訪問功能。仿真運(yùn)行平臺(tái)創(chuàng)建仿真數(shù)據(jù)和計(jì)算單元，實(shí)現(xiàn)和維護(hù)仿真算法邏輯的運(yùn)行。運(yùn)行平臺(tái)向應(yīng)用管理程序提供仿真運(yùn)算的實(shí)時(shí)結(jié)果。

開發(fā)者通過仿真開發(fā)端提供的工具集進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)算法、圖元和工藝的組態(tài)，對(duì)仿真程序中的工況和評(píng)分進(jìn)行配置。數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)所有信息，并可以獨(dú)立導(dǎo)出文件。

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程按照教師講解理論、學(xué)生完成虛擬實(shí)驗(yàn)的流程進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)包括以下實(shí)施過程：①教師通過教學(xué)軟件系統(tǒng)中的3D 虛擬交互式軟件引導(dǎo)學(xué)生回顧相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)；②教師通過3D 虛擬軟件進(jìn)行講解、操作示范；③學(xué)生進(jìn)行操作練習(xí)；④教師逐一指導(dǎo)，檢查學(xué)生受訓(xùn)情況內(nèi)容掌握的程度，批閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并將批閱結(jié)果反饋給學(xué)生。

2.3 教學(xué)評(píng)價(jià)體系

學(xué)生操作結(jié)束后，軟件自帶評(píng)分系統(tǒng)，可依據(jù)系統(tǒng)給出評(píng)分提示，操作正確時(shí)得分，錯(cuò)誤時(shí)扣分，每個(gè)步驟扣分最多只扣3 次。評(píng)價(jià)體系的特點(diǎn)如下：①評(píng)價(jià)體系采用生動(dòng)形象的語音、動(dòng)畫、文字、視頻等多媒體方式進(jìn)行錯(cuò)誤操作提示，更便于學(xué)生理解；②評(píng)分系統(tǒng)可分為練習(xí)模式和考核模式，練習(xí)時(shí)有步驟提示、教學(xué)演示、注意要點(diǎn)，考核模式屏蔽所有提示作用，僅有少量提示，并可設(shè)置考察陷阱，考核學(xué)生對(duì)操作的掌握程度；③學(xué)生可隨時(shí)進(jìn)行自動(dòng)評(píng)價(jià)，采用即時(shí)扣分機(jī)制，實(shí)時(shí)了解實(shí)驗(yàn)過程中的操作不足；④考核完成后可調(diào)出操作日志，查閱正確操作情況及操作者的操作情況；⑤評(píng)價(jià)體系可通過互動(dòng)操作、實(shí)習(xí)完成度和分歧選項(xiàng)對(duì)實(shí)行情況進(jìn)行科學(xué)完整的總體評(píng)價(jià)。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施效果

虛擬仿真軟件提供了豐富的設(shè)備型號(hào)、完備的分析手段和獨(dú)特的模擬模塊等，有較強(qiáng)的仿真能力，主要有以下優(yōu)點(diǎn)。

3.1 學(xué)習(xí)環(huán)境具有沉浸性

虛擬仿真技術(shù)可創(chuàng)造出“身臨其境”的操作環(huán)境，通過系統(tǒng)中的3D 虛擬交互式軟件可更加有畫面感地促進(jìn)學(xué)生對(duì)設(shè)備的操作使用。虛擬仿真軟件可在電腦上模擬出一個(gè)三維空間的虛擬世界，并構(gòu)建出高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓學(xué)生可以沒有限制地360°旋轉(zhuǎn)觀察三維空間內(nèi)的事物，界面友好，互動(dòng)操作，形式活潑，降低學(xué)生學(xué)習(xí)難度，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)趣味。使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中可以自由操作，就像在真正的工廠環(huán)境中一樣。

3.2 實(shí)驗(yàn)操作具有構(gòu)想性

學(xué)生在虛擬環(huán)境中操作設(shè)備，可對(duì)教學(xué)內(nèi)容中復(fù)雜、危險(xiǎn)、反應(yīng)周期過長(zhǎng)及在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室無法完成的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行安全、直觀地展示，并能夠快速顯示最終的操作結(jié)果，達(dá)到構(gòu)想性教學(xué)的效果。通過記錄數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理功能，仿真軟件可將操作過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)記錄下來并能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成對(duì)應(yīng)的圖表，從而找出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中存在的問題。

3.3 仿真過程具有動(dòng)作性

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，可進(jìn)行超臨界二氧化碳流體萃取裝置、天平、粉碎機(jī)、分光光度計(jì)、液相色譜儀、容量瓶、移液管等設(shè)備的選擇和操作，并進(jìn)行原材料、純凈水、乙醇、挾帶劑、對(duì)照品、亞硝酸鈉、硝酸鋁和氫氧化鈉等所需試劑的定性和定量添加，以實(shí)際動(dòng)作方式來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生感覺到操作的真實(shí)性。

3.4 操作過程具有自主性

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作過程中，學(xué)生可自主選擇感興趣的模塊，添加不同的操作參數(shù)。軟件的每個(gè)模塊都有具體的操作流程，能夠模擬試驗(yàn)操作中的每個(gè)步驟，并加以文字或語言說明和解釋。在虛擬世界中設(shè)備可按不同參數(shù)產(chǎn)生不同的效果，使學(xué)生置身其中，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教學(xué)。

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效反饋

如今，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在課程教學(xué)中發(fā)揮著越來越大的作用，其教學(xué)實(shí)施成效主要體現(xiàn)在以下3 個(gè)方面。

4.1 學(xué)生有良好的反饋

學(xué)生普遍認(rèn)為全景模擬的虛擬實(shí)驗(yàn)比傳統(tǒng)模式實(shí)驗(yàn)更有趣，能夠在虛擬環(huán)境中最大限度地實(shí)現(xiàn)自己的思路，自由進(jìn)行各種試劑的添加和配比，自主地選擇各種處理設(shè)備，而不用擔(dān)心在實(shí)驗(yàn)中發(fā)生失誤或意外事故，大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)熱情與興趣、對(duì)整體流程的熟悉度及掌控度。

4.2 教學(xué)有良好的反饋

采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，教師在教學(xué)的過程中可進(jìn)行程序化的實(shí)驗(yàn)演示，減輕了教學(xué)任務(wù)，提升了授課效率。通過虛擬仿真軟件，依托虛擬仿真形式，形成了以學(xué)生為主導(dǎo)的實(shí)踐教學(xué)模式，受到教師的廣泛好評(píng)，新模式下的授課方式吸引了更多的師生加入，樹立了良好的口碑。

4.3 為其他課程的建設(shè)提供了借鑒

虛擬仿真技術(shù)為“食品工程原理”實(shí)驗(yàn)課程的講授提供了全新的教學(xué)方法，是對(duì)原傳統(tǒng)教學(xué)方法的有益補(bǔ)充，是一種使學(xué)生更直觀更快捷掌握食品工程原理設(shè)備操作的教學(xué)方式，并為其他課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)提供了借鑒。

5 結(jié)語

食品工程原理虛擬實(shí)驗(yàn)可提供一個(gè)三維的、高仿真度的、高交互操作的虛擬的食品模擬操作平臺(tái)，使學(xué)生通過在本平臺(tái)上的操作練習(xí)，進(jìn)一步了解食品工廠實(shí)際操作環(huán)境、熟悉主要食品設(shè)備原理，為進(jìn)行實(shí)際操作奠定良好基礎(chǔ)。通過虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為學(xué)生提供了一個(gè)自主發(fā)揮的實(shí)驗(yàn)舞臺(tái)，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生動(dòng)腦思考，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，同時(shí)也增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的趣味性。