混合式教學(xué)在食品工程原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

汪立君，劉毅，張博雅，周忻，殷麗君

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院（北京 100083）

食品工程原理是食品科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)必修課，是一門(mén)理論和實(shí)踐結(jié)合十分緊密的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課[1]。作為一門(mén)實(shí)踐性極強(qiáng)的課程，食品工程原理實(shí)驗(yàn)課對(duì)該理論課的學(xué)習(xí)有著重要的輔助作用和補(bǔ)充作用。目前，食品工程原理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)通常會(huì)引入課件、教學(xué)視頻等多媒體輔助教學(xué)手段，但由于該課程的專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)，所涉及的食品工程相關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，操作過(guò)程繁瑣，教學(xué)效果往往不理想[2]。近年來(lái)，“互聯(lián)網(wǎng)+”已改變著理論課堂的教學(xué)，也將同樣改變實(shí)踐教學(xué)，將互聯(lián)網(wǎng)和信息化技術(shù)運(yùn)用到實(shí)踐教學(xué)中具有重要意義[3]。虛擬仿真也逐漸運(yùn)用到各學(xué)科的教學(xué)中，如食品機(jī)械與設(shè)備[4]。在新冠肺炎疫情防控期間，各大高校均通過(guò)線(xiàn)上開(kāi)展教學(xué)工作，這也推動(dòng)了食品工程原理實(shí)驗(yàn)線(xiàn)上線(xiàn)下混合教學(xué)模式的改革。

1 食品工程原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

食品工程原理實(shí)驗(yàn)與生產(chǎn)實(shí)際密切相關(guān)。教學(xué)內(nèi)容涉及大量食品工業(yè)常用的機(jī)械設(shè)備、操作方法和工藝優(yōu)化等工程問(wèn)題。在現(xiàn)實(shí)實(shí)踐中，存在設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)、安全隱患大（易燃、易爆化學(xué)品的使用以及不規(guī)范的操作）、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備與實(shí)際生產(chǎn)有差別等問(wèn)題，教學(xué)過(guò)程難度較大[5]。目前國(guó)內(nèi)大部分食品專(zhuān)業(yè)院校在食品工程原理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)方面主要存在以下問(wèn)題：①學(xué)生參與度不高，課堂中教師講授的時(shí)間較多，教師對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行“填鴨式”講解，學(xué)生被動(dòng)參照老師的講解或者講義操作；②學(xué)生動(dòng)手率有限，部分院校儀器設(shè)備有限或損壞率高，不能滿(mǎn)足所有學(xué)生同時(shí)實(shí)驗(yàn)，只能以少數(shù)學(xué)生動(dòng)手操作為主；③操作不規(guī)范的現(xiàn)象普遍，課堂中由于老師精力有限，難以及時(shí)糾正每一位學(xué)生實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的不規(guī)范操作。課后由于實(shí)驗(yàn)具有一定的危險(xiǎn)性，學(xué)生沒(méi)有機(jī)會(huì)再次實(shí)際操作來(lái)復(fù)習(xí)鞏固，因此，該實(shí)驗(yàn)課的整體教學(xué)效果不盡如人意。近年來(lái)，許多新的教學(xué)模式和理念被提出和應(yīng)用在食品工程原理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，如翻轉(zhuǎn)課堂、SPOC（Small private online course，小規(guī)模限制性在線(xiàn)課程）教學(xué)模式和CDIO教學(xué)模式等[6-8]，均取得較好的效果。

為了更好地推動(dòng)食品工程原理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革、提高學(xué)生參與度、增進(jìn)學(xué)生對(duì)儀器原理和使用的掌握、減少儀器的誤操作和不必要的人為損壞，基于虛擬仿真平臺(tái)，對(duì)該課程的線(xiàn)上線(xiàn)下混合教學(xué)模式進(jìn)行了積極探索，并收到了良好教學(xué)效果。

2 基于虛擬仿真的線(xiàn)上線(xiàn)下混合教學(xué)探索

2.1 線(xiàn)上教學(xué)實(shí)施

2.1.1 虛擬仿真平臺(tái)簡(jiǎn)介

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過(guò)運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)模擬真實(shí)的環(huán)境和操作過(guò)程，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)操作[5]，擁有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。虛擬仿真平臺(tái)由北京歐倍爾公司提供。該平臺(tái)包括離心泵特性曲線(xiàn)、恒壓過(guò)濾、洞道干燥實(shí)驗(yàn)等8個(gè)3D虛擬仿真軟件，涵蓋食品工程原理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容。每個(gè)仿真軟件包括實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及目的、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)步驟、虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)分析、數(shù)據(jù)處理8個(gè)模塊。此外，還可以利用虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真考試、生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)突破傳統(tǒng)教學(xué)手段的限制，學(xué)生可以隨時(shí)訪問(wèn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)。

2.1.2 課前預(yù)習(xí)

在課前將電子指導(dǎo)書(shū)、教學(xué)課件、視頻資源材料上傳至微信群及雨課堂，供學(xué)生預(yù)習(xí)使用。同時(shí)，要求學(xué)生提前登陸虛擬仿真平臺(tái)，進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，練習(xí)相關(guān)操作。老師可以通過(guò)后臺(tái)查看所有學(xué)生對(duì)規(guī)定任務(wù)的預(yù)習(xí)情況。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

疫情期間，利用“雨課堂”和騰訊會(huì)議等軟件進(jìn)行線(xiàn)上實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在實(shí)驗(yàn)課開(kāi)課前，首先針對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中容易忽略和操作易錯(cuò)的知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)行隨堂小考，要求學(xué)生在線(xiàn)答題，檢驗(yàn)學(xué)生預(yù)習(xí)情況和掌握程度。接著集中講解實(shí)驗(yàn)相關(guān)理論知識(shí)與方法，這既解決了實(shí)驗(yàn)獨(dú)立設(shè)課后，理論課和實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容合理銜接問(wèn)題，又使學(xué)生充分理解相關(guān)原理。隨后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的視頻演示，幫助學(xué)生直觀地了解實(shí)驗(yàn)儀器和操作步驟。老師可提前在虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行操作，將重要的操作方法及結(jié)果進(jìn)行展示，也可以在線(xiàn)進(jìn)行操作示范。之后，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并與往年的線(xiàn)下實(shí)操得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。最后要求學(xué)生利用虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行課中及課后實(shí)操，并獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

2.1.4 課后互動(dòng)

針對(duì)學(xué)生出現(xiàn)的對(duì)儀器設(shè)備零部件掌握不熟、對(duì)設(shè)備運(yùn)行原理理解不夠、對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析討論不深入等問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)教學(xué)增加了專(zhuān)門(mén)的課后答疑環(huán)節(jié)。此環(huán)節(jié)為學(xué)生提供課下與老師深入探討實(shí)驗(yàn)結(jié)果和科研想法的機(jī)會(huì)，也幫助教師更好地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和困難，取得了良好的效果。學(xué)生還可以在虛擬仿真平臺(tái)的仿真考試模塊進(jìn)行測(cè)試以及回顧學(xué)習(xí)，進(jìn)一步鞏固所學(xué)知識(shí)。學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)上傳實(shí)驗(yàn)報(bào)告至系統(tǒng)，老師可評(píng)選出優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)報(bào)告并進(jìn)行展示。將實(shí)驗(yàn)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)編成課后小測(cè)試，要求學(xué)生在“雨課堂”上答題，答題完成后自動(dòng)給出答案和成績(jī)，以供學(xué)生們學(xué)習(xí)改正。教師可以在后臺(tái)隨時(shí)獲取學(xué)生在虛擬仿真平臺(tái)和“雨課堂”的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，包括學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)和答題正確率等，及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。線(xiàn)上教學(xué)的模式如圖1所示。

圖1 線(xiàn)上教學(xué)示意圖

2.2 線(xiàn)上教學(xué)使用反饋和思考

2.2.1 食品工程原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中虛擬仿真軟件使用情況

在一周內(nèi)，虛擬仿真軟件使用率達(dá)到83.2%；其中恒壓過(guò)濾實(shí)驗(yàn)3D虛擬仿真軟件使用人數(shù)達(dá)到193人，使用次數(shù)達(dá)到1274次，學(xué)生的平均使用次數(shù)在5次以上。學(xué)生的預(yù)習(xí)效果明顯提高，在課堂上回答問(wèn)題的學(xué)生多了起來(lái)?？梢?jiàn)虛擬仿真教學(xué)極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效果變得更好，課后練習(xí)題的正確率和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完成效果也大大提高。

為了了解學(xué)生在食品工程原理實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)過(guò)程中虛擬仿真軟件的使用情況，在學(xué)生層面上開(kāi)展調(diào)查，對(duì)2018屆學(xué)生232人進(jìn)行調(diào)查，收集有效問(wèn)卷201份，調(diào)查結(jié)果如下：

1) 虛擬仿真軟件對(duì)該課程學(xué)習(xí)有較大幫助

在調(diào)查使用虛擬仿真軟件對(duì)食品工程原理實(shí)驗(yàn)的幫助時(shí)，發(fā)現(xiàn)95.52%的學(xué)生表示虛擬仿真軟件對(duì)食品工程實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)有較大的幫助，其中76.12%的學(xué)生認(rèn)為使用虛擬仿真軟件可以幫助模擬使用現(xiàn)實(shí)中難以接觸到的儀器，72.64%的學(xué)生認(rèn)為使用虛擬仿真軟件可以幫助了解實(shí)驗(yàn)原理和目的，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的理解（圖2）。

圖2 虛擬仿真軟件對(duì)本課程學(xué)習(xí)的幫助

2) 使用虛擬仿真軟件過(guò)程的困難

在對(duì)虛擬仿真軟件操作難易程度進(jìn)行調(diào)查時(shí)，發(fā)現(xiàn)36.32%的學(xué)生認(rèn)為此虛擬仿真軟件操作簡(jiǎn)單，59.70%的學(xué)生表示虛擬仿真軟件操作略為復(fù)雜，僅有3.98%的學(xué)生表示操作非常復(fù)雜，增加了學(xué)習(xí)的難度（圖3）。

圖3 虛擬仿真軟件的操作難易程度

3) 學(xué)生對(duì)虛擬仿真軟件的使用反饋

基于虛擬仿真軟件在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的使用情況和存在的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中是否愿意使用虛擬仿真軟件進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)約94.03%的學(xué)生表示虛擬仿真軟件是一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助手段（圖4）。但是在對(duì)學(xué)生是否愿意在實(shí)際操作外進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)時(shí)，約有29.35%學(xué)生表示很愿意在實(shí)際操作外，輔以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)；約有60.20%的學(xué)生表示在時(shí)間充裕的情況下，愿意嘗試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)；而10.45%的學(xué)生則表示不愿意在實(shí)際操作外再進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)（圖5）。這可能與虛擬仿真軟件的操作略為復(fù)雜有關(guān)?？梢?jiàn)，提高虛擬仿真平臺(tái)的可操作性、開(kāi)發(fā)更加用戶(hù)友好的操作界面，是提升虛擬仿真教學(xué)效果的可嘗試途徑之一。

圖4 虛擬仿真軟件是否是一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助手段

圖5 在實(shí)際操作外，使用虛擬仿真軟件的意愿

此次調(diào)查的結(jié)果為更好地建設(shè)食品工程原理實(shí)驗(yàn)課程提供了很好的參考，也為教師在教學(xué)過(guò)程中如何引入虛擬仿真軟件提供啟示。

2.2.2 線(xiàn)上教學(xué)的優(yōu)缺點(diǎn)

虛擬仿真軟件使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)擺脫實(shí)驗(yàn)設(shè)備、場(chǎng)所和時(shí)間等的限制，學(xué)生可以隨時(shí)隨地反復(fù)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。運(yùn)用虛擬仿真平臺(tái)以及其他線(xiàn)上教學(xué)手段，提高了學(xué)生在課前、課中和課后三個(gè)階段的參與度。在食品工程原理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，使用虛擬仿真軟件有助于學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)原理。如在蒸餾（精餾）實(shí)驗(yàn)中，點(diǎn)擊精餾塔的原料輸送泵，系統(tǒng)就會(huì)彈出泵的相關(guān)介紹以及主要部件的拆解、剖面示意圖等，加深學(xué)生的印象。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中無(wú)法實(shí)施的高危單元操作可以以動(dòng)畫(huà)的形式展現(xiàn)。還可以通過(guò)設(shè)置參數(shù)模擬異常操作，幫助學(xué)生了解異常操作現(xiàn)象、產(chǎn)生原因以及處理方法，增加學(xué)生的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提高學(xué)生對(duì)緊急突發(fā)情況的處理能力。

但線(xiàn)上教學(xué)也有一定的局限性，如虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不能縱觀全部，只能觀察局部，對(duì)總體實(shí)驗(yàn)的把握不準(zhǔn)，與實(shí)際動(dòng)手操作存在一定的區(qū)別，以及記憶點(diǎn)不夠深刻等，因此對(duì)于在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬仿真軟件提出了更高的要求。不管是實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容上還是虛擬仿真軟件的使用上，都要以學(xué)生學(xué)習(xí)效果為主，在虛擬仿真軟件的展示上，充分引入其他教學(xué)資源，加深對(duì)虛擬仿真軟件展示上表現(xiàn)出的知識(shí)點(diǎn)的講解，使教學(xué)內(nèi)容在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)上更加生動(dòng)形象，最終可以達(dá)到加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作的理解與掌握以及啟發(fā)學(xué)生思考的目的。

2.3 線(xiàn)下教學(xué)的實(shí)施

疫情期間，基于虛擬仿真平臺(tái)的線(xiàn)上教學(xué)雖然發(fā)揮了重要作用，但傳統(tǒng)的教學(xué)模式仍不可替代。食品工程原理實(shí)驗(yàn)的線(xiàn)下教學(xué)，在使用傳統(tǒng)化學(xué)物料以外，還可使用食品物料，以更加真實(shí)地模擬食品加工的過(guò)程，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中更直觀地體會(huì)食品工程原理的各個(gè)單元操作在食品加工中的作用，更深入理解原理和計(jì)算公式，從而培養(yǎng)學(xué)生的工程研究能力。在不同加工條件（溫度，壓力等）下，不同食品物料的特性參數(shù)（黏度、傳熱系數(shù)等）會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致食品加工過(guò)程更具復(fù)雜性，促使學(xué)生開(kāi)動(dòng)腦筋，解決實(shí)際問(wèn)題，鍛煉動(dòng)手能力，培養(yǎng)工程研究能力。

以恒壓過(guò)濾實(shí)驗(yàn)為例，采用食品物料和碳酸鈣進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。將學(xué)生分為兩組，一組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)對(duì)象是豆?jié){或蘿卜渣、白菜渣等（復(fù)雜的懸濁液），另一組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)對(duì)象是碳酸鈣的水分散液（單一的分散體系）。碳酸鈣組的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展順利；但豆?jié){組的學(xué)生始終得不到濾液，學(xué)生積極思考原因，將實(shí)驗(yàn)理論與實(shí)驗(yàn)操作結(jié)合起來(lái)尋找問(wèn)題，最終發(fā)現(xiàn)助濾劑的缺失是導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗的原因。添加助濾劑后，實(shí)驗(yàn)得以順利進(jìn)行（圖6是蘿卜渣濾餅圖）。由于食品物料成分的復(fù)雜性，大大增加了實(shí)驗(yàn)的難度，學(xué)生通過(guò)此實(shí)驗(yàn)，不僅掌握了過(guò)濾的基本原理和設(shè)備，還加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，提高了其解決問(wèn)題和工程研究的能力。

圖6 蘿卜渣板框過(guò)濾濾餅圖（2019年學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果）

再以干燥特性曲線(xiàn)測(cè)定實(shí)驗(yàn)為例，通過(guò)研究不同干燥條件（干燥溫度和時(shí)間）下，白蘿卜（或蘋(píng)果片等食品物料）干燥特性以及產(chǎn)品品質(zhì)的變化，學(xué)生不僅可以學(xué)會(huì)食品干燥的基本原理，繪制干燥特性曲線(xiàn)，還可以學(xué)會(huì)如何設(shè)計(jì)工程實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生建立品質(zhì)與效率的工程研究能力。不同干燥條件下白蘿卜樣品見(jiàn)圖7，這樣直觀的實(shí)驗(yàn)效果是線(xiàn)上教學(xué)所不能達(dá)到的。因此，線(xiàn)上教學(xué)可以有效地介入學(xué)生的課前預(yù)習(xí)與課后復(fù)習(xí)中，在線(xiàn)下教學(xué)方面，應(yīng)注重盡量采用食品物料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力。

圖7 不同干燥條件下白蘿卜樣品圖（2019年學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果）

3 結(jié)語(yǔ)

食品工程原理實(shí)驗(yàn)是一門(mén)實(shí)踐性、工程性極強(qiáng)的課程?；谔摂M仿真平臺(tái)，結(jié)合“雨課堂”“歐貝爾的虛擬仿真平臺(tái)”等線(xiàn)上教學(xué)手段，可以突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中儀器設(shè)備和安全隱患等條件的限制，努力實(shí)現(xiàn)金課“兩性一度”的要求，就是高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度。在線(xiàn)下教學(xué)方面，應(yīng)注重彌補(bǔ)線(xiàn)上教學(xué)的不足，采用食品物料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的發(fā)散思維、設(shè)備與工藝的結(jié)合能力、食品物料品質(zhì)與效率的綜合工程研究能力。線(xiàn)上線(xiàn)下混合教學(xué)對(duì)提高實(shí)驗(yàn)的教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量有著積極的影響，為食品工程原理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革提供了參考。