食品科學(xué)與工程類專業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐環(huán)節(jié)混合式教學(xué)模式創(chuàng)新與實(shí)踐
——以“NFC果蔬汁生產(chǎn)實(shí)踐與設(shè)計(jì)”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例

易俊潔，劉志佳*，周林燕，蔡圣寶，胡小松,2

1(昆明理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院，云南 昆明，650500) 2(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，北京，100083)

食品科學(xué)與工程是一門注重培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的學(xué)科，其中生產(chǎn)實(shí)踐環(huán)節(jié)是學(xué)生順利完成課程實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)的前提，是學(xué)生將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐能力、感受真實(shí)大型食品加工生產(chǎn)工藝的過程。然而食品科學(xué)與工程專業(yè)工廠生產(chǎn)實(shí)踐環(huán)節(jié)受時(shí)間、空間、經(jīng)費(fèi)限制難以開展，導(dǎo)致培養(yǎng)的學(xué)生難以滿足現(xiàn)代食品產(chǎn)業(yè)的需求?；ヂ?lián)網(wǎng)時(shí)代背景下，虛擬仿真、多媒體、人機(jī)交互等技術(shù)的發(fā)展為傳統(tǒng)教學(xué)模式的革新帶來了新思路。將傳統(tǒng)教學(xué)與現(xiàn)代化數(shù)字或網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合形成的混合式教學(xué)模式，既能充分發(fā)揮教師的組織、引導(dǎo)、啟發(fā)、監(jiān)控教學(xué)的主導(dǎo)作用，又能調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性、積極性與創(chuàng)造性[1]。探討混合式教學(xué)在食品科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用是結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式的革新和對(duì)新型教學(xué)模式的探索。

NFC(not from concentrate，非濃縮還原)果蔬汁，由新鮮果蔬直接榨汁、除雜、乳化、殺菌、灌裝后制得。與市面上其他類型果蔬汁相比，NFC果蔬汁加工步驟少、無添加、能較好保留新鮮水果的營養(yǎng)價(jià)值和風(fēng)味，更符合消費(fèi)者對(duì)營養(yǎng)健康食品的追求，具有廣闊的市場前景[2]。NFC果蔬汁加工生產(chǎn)工藝代表著國際果蔬汁加工產(chǎn)業(yè)的先進(jìn)技術(shù)，涉及到的生產(chǎn)衛(wèi)生規(guī)范、食品工廠建造與管理規(guī)范、工藝流程、加工參數(shù)、機(jī)械設(shè)備等知識(shí)點(diǎn)均為食品科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，具有一定代表性。本文以昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院搭建的NFC果蔬汁生產(chǎn)實(shí)踐與設(shè)計(jì)虛擬仿真平臺(tái)為例，探討虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在食品科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)的應(yīng)用，探索虛實(shí)結(jié)合的混合教學(xué)模式在生產(chǎn)實(shí)踐環(huán)節(jié)中的可行性，以期解決相關(guān)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)存在的問題并提高整體教學(xué)質(zhì)量。

1 傳統(tǒng)食品科學(xué)與工程類專業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐教學(xué)的局限性

1.1 課程實(shí)踐教學(xué)設(shè)施難以與時(shí)俱進(jìn)

現(xiàn)代食品工業(yè)發(fā)展迅速，生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化、智能化、復(fù)雜化水平不斷提升，更新迭代速度快，相應(yīng)地對(duì)食品生產(chǎn)企業(yè)的管理、生產(chǎn)工藝、設(shè)備操作模式產(chǎn)生了巨大的改變，也對(duì)高校食品相關(guān)專業(yè)課程教學(xué)及技術(shù)培訓(xùn)提出了更高更新的要求。食品科學(xué)與工程專業(yè)的教學(xué)涉及食品加工工藝、食品保藏、食品工廠設(shè)計(jì)、相關(guān)儀器分析、機(jī)械設(shè)備等學(xué)科；實(shí)踐環(huán)節(jié)包括食品加工生產(chǎn)設(shè)備認(rèn)知維護(hù)操作、工藝流程學(xué)習(xí)、現(xiàn)代分析儀器使用、生產(chǎn)車間布局參觀認(rèn)識(shí)等方面[3]；相關(guān)設(shè)施涉及學(xué)科多，搭建成本投入高，多數(shù)高校因資金和場地有限，無法及時(shí)更新相關(guān)實(shí)踐教學(xué)設(shè)施，導(dǎo)致目前大部分高校食品相關(guān)專業(yè)仍采用小規(guī)模實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)和工廠參觀的方法開展這類課程的實(shí)踐教學(xué)。而現(xiàn)代化的食品工廠采用計(jì)算機(jī)中央化控制自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)，已不再是單元設(shè)備的簡單連接[4]。實(shí)驗(yàn)室小型設(shè)備構(gòu)造簡單，操作單元獨(dú)立，生產(chǎn)流程銜接多由人工完成。學(xué)生無法對(duì)現(xiàn)代化食品工廠中控制連接和設(shè)備布局有詳細(xì)了解，難以對(duì)整體加工工藝流程建立起系統(tǒng)、全面的認(rèn)識(shí)，造成了掌握技能與實(shí)際生產(chǎn)脫節(jié)嚴(yán)重。

1.2 大型工廠實(shí)踐過程學(xué)生參與度低

目前，眾多高校都面臨著工廠生產(chǎn)實(shí)踐學(xué)生參與度低的問題，一方面食品生產(chǎn)企業(yè)出于生產(chǎn)衛(wèi)生安全考慮，難以容納大量學(xué)生進(jìn)入工廠參觀實(shí)習(xí)，另一方面，現(xiàn)代化食品加工設(shè)備自動(dòng)化、連續(xù)化程度高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜難懂，學(xué)生們在生產(chǎn)實(shí)踐過程中難以在短時(shí)間內(nèi)掌握[5]。在工廠實(shí)踐活動(dòng)中學(xué)生沒有機(jī)會(huì)近距離對(duì)大型食品生產(chǎn)加工設(shè)備上手操作及拆分以了解內(nèi)部構(gòu)造和工作原理。走馬觀花式的工廠實(shí)踐，學(xué)生對(duì)這些設(shè)備的了解只能停留在外觀辨識(shí)階段，對(duì)抽象內(nèi)部構(gòu)造和工作原理無法形成具體認(rèn)識(shí)。學(xué)生學(xué)到的知識(shí)較為片面，不能直接接觸、參與真實(shí)大型實(shí)踐生產(chǎn)，致使知識(shí)與技能的轉(zhuǎn)化效率低，難以發(fā)現(xiàn)存在的問題，學(xué)生獨(dú)立思考、解決問題的能力得不到提升，培養(yǎng)的學(xué)生難以滿足當(dāng)前相關(guān)行業(yè)對(duì)應(yīng)用型創(chuàng)新人才的需求[6]。

1.3 傳統(tǒng)生產(chǎn)實(shí)踐環(huán)節(jié)評(píng)價(jià)形式單一

食品科學(xué)與工程專業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐環(huán)節(jié)是學(xué)生知識(shí)綜合運(yùn)用能力、實(shí)踐創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)合作能力的綜合考查。傳統(tǒng)的工廠實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)中，學(xué)生人數(shù)多，實(shí)踐崗位分散，指導(dǎo)教師少，教師難以做到具體了解每一位學(xué)生的實(shí)習(xí)情況[7]?？己嗽u(píng)價(jià)僅通過學(xué)生出勤率和實(shí)習(xí)報(bào)告完成度打分，無法及時(shí)了解學(xué)生在實(shí)踐活動(dòng)中遇到的問題，難以根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行指導(dǎo)和幫助，不能客觀評(píng)價(jià)學(xué)生真實(shí)表現(xiàn)。最終導(dǎo)致學(xué)生只關(guān)心結(jié)果，以完成實(shí)習(xí)報(bào)告為主，不注重實(shí)習(xí)過程，僅僅是對(duì)實(shí)習(xí)工作的簡單重復(fù)，無法形成自己的見解。單一的評(píng)價(jià)模式難以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)踐教學(xué)的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的考察，實(shí)踐環(huán)節(jié)最終變成走過場的形式主義教學(xué)[7-8]。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)與混合式教學(xué)實(shí)踐

2017年國家教育部發(fā)布的《2017—2020年示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)規(guī)劃》為食品相關(guān)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)提供了新的發(fā)展思路[9]。虛擬仿真教學(xué)利用虛擬現(xiàn)實(shí)、傳感器、數(shù)字多媒體、人機(jī)交換等信息技術(shù)模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，在虛擬環(huán)境下完成現(xiàn)有條件無法完成的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的共享[3]。虛擬仿真技術(shù)以其沉浸性、虛幻性、逼真性和交互性等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在本科課程的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過構(gòu)建可控的、逼近真實(shí)、多感知一體化的學(xué)習(xí)環(huán)境，使學(xué)生由被動(dòng)接受者變成課程的主導(dǎo)者。通過人與虛擬世界的多元感知和自然交互及虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的逐漸成熟，給教學(xué)方法和教學(xué)效果帶來革命性升級(jí)。利用虛擬仿真技術(shù)，基于原有教學(xué)資源，將工廠實(shí)踐與理論學(xué)習(xí)巧妙結(jié)合，構(gòu)建虛擬大型現(xiàn)代化食品生產(chǎn)加工實(shí)踐與創(chuàng)新平臺(tái)，將有助于解決諸多食品科學(xué)與工程教學(xué)實(shí)踐的難題，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、現(xiàn)代化的教學(xué)改革，完善學(xué)科專業(yè)體系建設(shè)，以滿足當(dāng)今社會(huì)對(duì)食品行業(yè)新型人才的需求。

2.1 混合式教學(xué)構(gòu)建理念

根據(jù)云南果蔬產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特色，為滿足云南食品制造產(chǎn)業(yè)對(duì)技術(shù)創(chuàng)新型人才的需求，構(gòu)建了以NFC果蔬汁生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)為核心，集知識(shí)學(xué)習(xí)、工廠虛擬實(shí)踐、考試考核于一體的虛擬仿真平臺(tái)。該虛擬仿真平臺(tái)以“虛實(shí)結(jié)合，能實(shí)不虛”的目的，1∶1還原真實(shí)NFC果蔬汁工廠生產(chǎn)場景，模擬工廠實(shí)習(xí)體驗(yàn)，融合果蔬汁生產(chǎn)衛(wèi)生規(guī)范、生產(chǎn)加工工藝、儀器設(shè)備工作原理、操作要領(lǐng)、維護(hù)方法等知識(shí)體系，并設(shè)置趣味闖關(guān)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的多維度考核模式，充分體現(xiàn)了“高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度”的“兩性一度”教學(xué)要求，形成“課堂教學(xué)-課程試驗(yàn)-虛擬仿真-工廠實(shí)踐”虛實(shí)結(jié)合，線上線下混合式教學(xué)模式，填補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模生產(chǎn)與真實(shí)現(xiàn)代化工廠生產(chǎn)的差距，促進(jìn)理論知識(shí)學(xué)習(xí)與工程實(shí)踐能力的轉(zhuǎn)化。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新理念

(1)開放的教學(xué)資源提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力?；诨ヂ?lián)網(wǎng)和人機(jī)交互建設(shè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)化和教學(xué)資源的開放化，學(xué)生可借助互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)。在2020年疫情防控期間，大規(guī)模停學(xué)停課的情況下，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不受空間和時(shí)間限制的優(yōu)勢得到了充分的體現(xiàn)。學(xué)生在家依然可以享用優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，進(jìn)行反復(fù)學(xué)習(xí)和虛擬實(shí)踐訓(xùn)練，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)效率。

(2)與時(shí)俱進(jìn)的新工藝、新技術(shù)、新裝備。教學(xué)團(tuán)隊(duì)圍繞先進(jìn)的NFC果蔬汁生產(chǎn)實(shí)踐數(shù)據(jù)、生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備為教學(xué)樣本和模型，融入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握最前沿的果蔬加工工藝、最少加工技術(shù)和現(xiàn)代化、數(shù)字化連續(xù)加工裝備。未來還可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝的進(jìn)步對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行更新和升級(jí)，確保學(xué)生在第一時(shí)間有機(jī)會(huì)了解和認(rèn)識(shí)果蔬汁加工的最新工藝、技術(shù)和設(shè)備。

(3)多樣形式理論知識(shí)教學(xué)增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。學(xué)生可在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)操縱虛擬人物在3D仿真場景進(jìn)行自由巡航學(xué)習(xí)。除此之外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件結(jié)合視頻講解、圖片介紹和文字解析形式對(duì)NFC果蔬汁相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解。同時(shí)針對(duì)復(fù)雜的設(shè)備以Flash動(dòng)畫加講解的方式介紹儀器設(shè)備的構(gòu)成部件、工作原理、內(nèi)部關(guān)鍵元件運(yùn)行；通過3D仿真進(jìn)行元件拆裝、原理講解、物料走向透視示意的方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行介紹，學(xué)生可多角度觀察、認(rèn)識(shí)復(fù)雜設(shè)備各個(gè)部件。多樣化的理論教學(xué)模式增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，解決了現(xiàn)代化食品加工設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、抽象難懂的問題。

(4)虛實(shí)結(jié)合多維教學(xué)模式克服教學(xué)難題。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件采用虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合，理論與實(shí)踐結(jié)合，注重創(chuàng)新能力培養(yǎng)的趣味教學(xué)方法。此新式教學(xué)方法中，學(xué)生在虛擬現(xiàn)實(shí)場景中實(shí)現(xiàn)了知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)和考核、生產(chǎn)設(shè)備的操作、生產(chǎn)流程的設(shè)計(jì)與搭建，不僅解決了食品相關(guān)專業(yè)工廠生產(chǎn)實(shí)踐難以開展的問題，還可幫助學(xué)生真正掌握實(shí)際生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)。

(5)全面趣味創(chuàng)新考核系統(tǒng)考察學(xué)生能力。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件摒棄傳統(tǒng)單一的考試評(píng)價(jià)體系，采用關(guān)卡式的闖關(guān)模式，在虛擬仿真環(huán)境中，通過習(xí)題作答，模擬實(shí)際生產(chǎn)過程設(shè)備開啟、關(guān)閉、關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置方式對(duì)學(xué)生重要知識(shí)掌握度和實(shí)踐能力進(jìn)行考查。在開放性的創(chuàng)新設(shè)計(jì)模塊，學(xué)生可根據(jù)需要在虛擬環(huán)境中搭建生產(chǎn)線，有利于學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

(6)注重師生互動(dòng)形成多樣化評(píng)價(jià)體系。缺乏師生交流互動(dòng)是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的一大缺陷。為了彌補(bǔ)這一問題，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為每位教師和學(xué)生開設(shè)獨(dú)立賬號(hào)，系統(tǒng)將學(xué)生使用過程中的學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)效果、操作記錄、學(xué)習(xí)效果記錄到數(shù)據(jù)庫進(jìn)行評(píng)價(jià)和統(tǒng)計(jì)，并生成分?jǐn)?shù)。教師通過訪問管理平臺(tái)，可查看學(xué)生的訪問次數(shù)、學(xué)習(xí)時(shí)長，統(tǒng)計(jì)學(xué)生考試成績，評(píng)閱實(shí)習(xí)報(bào)告，了解學(xué)生學(xué)習(xí)效果以及未掌握的知識(shí)點(diǎn)，從而及時(shí)調(diào)整教學(xué)方法，做到因材施教。同時(shí)可通過教師引導(dǎo)幫助、學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作、相互評(píng)價(jià)方式完成創(chuàng)新設(shè)計(jì)模塊，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，促進(jìn)師生交流。為了持續(xù)提升混合式教學(xué)模式效果，教學(xué)團(tuán)隊(duì)開設(shè)了教學(xué)服務(wù)群，并發(fā)放學(xué)生調(diào)查問卷，積極為學(xué)生提供服務(wù)，收集學(xué)生反饋。

2.2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)構(gòu)架

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以NFC果蔬汁加工為對(duì)象，利用3D仿真和多媒體技術(shù)構(gòu)造虛擬生產(chǎn)工廠，模仿工廠實(shí)習(xí)體驗(yàn)，再現(xiàn)果蔬汁生產(chǎn)工藝全過程。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目巧妙融合果蔬汁工廠設(shè)計(jì)、工廠管理、衛(wèi)生生產(chǎn)規(guī)范、生產(chǎn)加工工藝、儀器設(shè)備工作原理、操作要領(lǐng)、維護(hù)方法等知識(shí)，并設(shè)置趣味闖關(guān)和果蔬汁生產(chǎn)線創(chuàng)新設(shè)計(jì)作為考核。如圖1所示，NFC果蔬汁生產(chǎn)實(shí)踐與設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)共分為“衛(wèi)生規(guī)范”和“生產(chǎn)實(shí)踐”2個(gè)模塊。在“衛(wèi)生規(guī)范”模塊，通過操作虛擬人物根據(jù)提示在仿真場景中完成更換工作服、清潔消毒等進(jìn)入生產(chǎn)線工作前的衛(wèi)生管理步驟，其間穿插相關(guān)衛(wèi)生規(guī)范知識(shí)點(diǎn)，可幫助學(xué)生加深對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的理解和記憶。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)內(nèi)容示意

“生產(chǎn)實(shí)踐”模塊下設(shè)“認(rèn)知學(xué)習(xí)”“闖關(guān)挑戰(zhàn)”“創(chuàng)新設(shè)計(jì)”3個(gè)部分?！罢J(rèn)知學(xué)習(xí)”部分將果蔬汁營養(yǎng)健康知識(shí)、不同果蔬汁生產(chǎn)工藝流程、果蔬汁生產(chǎn)設(shè)備介紹嵌入仿真工廠場景，采用視頻、圖片、語音、Flash動(dòng)畫、3D虛擬拆分等方式對(duì)知識(shí)點(diǎn)、重點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行展示和講解(圖2)。同時(shí)學(xué)生可操控虛擬人物在廠房中漫游，在不同工段觀察物料走向，點(diǎn)擊設(shè)備學(xué)習(xí)相應(yīng)工段知識(shí)點(diǎn)、關(guān)鍵加工參數(shù)、重要設(shè)備。與傳統(tǒng)教學(xué)模式中學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)不同，在此模塊，學(xué)生可根據(jù)自己感興趣或不懂的部分進(jìn)行反復(fù)學(xué)習(xí)，有效提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)設(shè)備拆分講解示意

為了提高學(xué)習(xí)趣味性，虛擬仿真軟件采用“闖關(guān)挑戰(zhàn)”模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)考試。模塊共設(shè)置了4個(gè)關(guān)卡，每個(gè)關(guān)卡考察的知識(shí)點(diǎn)不同，分別為“菁菁學(xué)子”“氣質(zhì)學(xué)霸”“超凡大師”“最強(qiáng)王者”。第一關(guān)為自動(dòng)解鎖，進(jìn)入場景后需根據(jù)所學(xué)知識(shí)完成習(xí)題作答、設(shè)備啟停、參數(shù)設(shè)置。圖3列舉了闖關(guān)挑戰(zhàn)模式場景及任務(wù)。完成一關(guān)挑戰(zhàn)，并達(dá)到一定正確率后，可獲得一顆星并解鎖下一關(guān)。完成4個(gè)關(guān)卡的挑戰(zhàn)后即完成該模塊的學(xué)習(xí)。充滿挑戰(zhàn)和趣味的考核模式，既能考查學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握能力，又能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

圖3 闖關(guān)挑戰(zhàn)場景示意

為了培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)綜合利用能力和創(chuàng)新能力，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還設(shè)置了創(chuàng)新設(shè)計(jì)模塊(圖4)。學(xué)生可根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程，通過設(shè)備辨識(shí)和選型將設(shè)備拖拽入空廠房中進(jìn)行安放和連接，并通過小組合作的方式，完成對(duì)生產(chǎn)線的合理性評(píng)價(jià)、物料衡算、水電汽消耗計(jì)算、成本核算、投資回報(bào)估算，最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的重組并記錄到實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。教師可通過后臺(tái)系統(tǒng)查看實(shí)習(xí)報(bào)告，對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)的工藝流程、技術(shù)經(jīng)濟(jì)核算進(jìn)行評(píng)價(jià)。生產(chǎn)流程的整體設(shè)計(jì)、設(shè)備的選擇、安放、連接以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)核算可幫助學(xué)生對(duì)工廠整體布局、設(shè)備連接、生產(chǎn)工藝、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)形成全面和詳細(xì)的認(rèn)識(shí)，為下一步進(jìn)入工廠實(shí)習(xí)及完成畢業(yè)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。

圖4 創(chuàng)新設(shè)計(jì)場景示意

目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已完成搭建，并成功用于本?！笆称房茖W(xué)與工程”和“食品質(zhì)量與安全”專業(yè)大三本科生生產(chǎn)實(shí)習(xí)和大四本科生畢業(yè)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)的輔助教學(xué)。同時(shí)為了促進(jìn)教學(xué)資源的開放和共享，通過教學(xué)團(tuán)隊(duì)的推廣，該虛擬仿真平臺(tái)被本省一所兄弟院?！笆称焚|(zhì)量與安全”專業(yè)用于《食品工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)》的輔助教學(xué)，以及為云南果蔬汁生產(chǎn)企業(yè)提供試用，輔助企業(yè)員工培訓(xùn)。在未來的開發(fā)中，團(tuán)隊(duì)將不斷升級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)容和功能，擴(kuò)充系統(tǒng)容量，提升教學(xué)內(nèi)容質(zhì)量及系統(tǒng)穩(wěn)定性，并逐步開放資源為更多的高等院校和相關(guān)企業(yè)提供服務(wù)。

2.3 混合式教學(xué)實(shí)踐實(shí)例

教學(xué)團(tuán)隊(duì)以培養(yǎng)服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的應(yīng)用型工程人才為目標(biāo)，以綠色健康NFC 果蔬汁生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)為核心，通過與當(dāng)?shù)毓咧庸堫^企業(yè)——“云南實(shí)建褚橙果汁有限公司”開展合作，以工廠真實(shí)生產(chǎn)線為原型，開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。堅(jiān)持“虛實(shí)結(jié)合，能實(shí)不虛，以虛補(bǔ)實(shí)”的原則，在生產(chǎn)實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)中，課堂教師引導(dǎo)、師生互動(dòng)，實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)合作、生產(chǎn)實(shí)踐為主，虛擬仿真平臺(tái)為輔，探索虛實(shí)結(jié)合，線上線下混合式教學(xué)模式在生產(chǎn)實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)的應(yīng)用(圖5)。

圖5 混合式教學(xué)實(shí)踐方式

第一階段(2學(xué)時(shí))：教師以課堂引導(dǎo)和師生互動(dòng)方式對(duì)果蔬汁加工和生產(chǎn)過程種的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解，使學(xué)生對(duì)果蔬汁加工生產(chǎn)形成初步認(rèn)識(shí)。

第二階段(4學(xué)時(shí))：以學(xué)院搭建的小型果蔬汁生產(chǎn)線為線下實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以團(tuán)隊(duì)合作方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，使學(xué)生進(jìn)一步理解果蔬汁加工過程中的關(guān)鍵技術(shù)。

第三階段(4學(xué)時(shí))：通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)練習(xí)，幫助學(xué)生掌握實(shí)際生產(chǎn)過程果蔬挑選、清洗、榨汁、精制除雜、均質(zhì)、滅菌、灌裝各個(gè)工段的意義、相關(guān)參數(shù)、所用設(shè)備、品質(zhì)控制原理和方法，對(duì)食品加工工廠形成初步認(rèn)識(shí)，使其對(duì)生產(chǎn)過程有更直觀的感受，把所學(xué)理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，幫助學(xué)生克服對(duì)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境的陌生感、迷茫感及操作現(xiàn)場無從下手的畏懼感[10]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在這一階段的教學(xué)安排為：(1)衛(wèi)生規(guī)范知識(shí)學(xué)習(xí)(15 min)；(2)生產(chǎn)實(shí)踐認(rèn)知部分學(xué)習(xí)(45 min)；(3)生產(chǎn)實(shí)踐闖關(guān)挑戰(zhàn)考核(30 min)；(4)生產(chǎn)實(shí)踐創(chuàng)新設(shè)計(jì)訓(xùn)練(90 min)。

第四階段(70學(xué)時(shí))：組織學(xué)生進(jìn)入真實(shí)工廠進(jìn)行實(shí)習(xí)，參與不同工段的生產(chǎn)實(shí)踐，進(jìn)一步了解真實(shí)生產(chǎn)活動(dòng)的注意事項(xiàng)，并結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)創(chuàng)新設(shè)計(jì)模塊，進(jìn)一步在果蔬汁生產(chǎn)工廠設(shè)計(jì)、產(chǎn)品研發(fā)、工藝改進(jìn)方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合訓(xùn)練，提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

通過四個(gè)階段混合式的教學(xué)，以線下理論教學(xué)和生產(chǎn)實(shí)踐為核心，結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，解決實(shí)際教學(xué)活動(dòng)存在的問題，形成理論到實(shí)踐、抽象到具體、局部到整體、認(rèn)知到創(chuàng)新全面覆蓋的教學(xué)體系。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)混合式教學(xué)效果評(píng)價(jià)

混合式教學(xué)模式實(shí)施以來，不斷更新改進(jìn)，獲得了師生的一致好評(píng)。通過問卷調(diào)查，如圖6所示，81%的學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)情況相比能還原真實(shí)場景并能融入學(xué)習(xí)場景，幾乎所有學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真平臺(tái)在一定程度上能替代工廠實(shí)習(xí)，但是0%的學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能100%代替真實(shí)工廠實(shí)踐，充分說明了該平臺(tái)作為教學(xué)和工廠實(shí)踐的補(bǔ)充，“虛實(shí)結(jié)合互補(bǔ)”仍是目前主流的教學(xué)方式。對(duì)于混合式教學(xué)模式的學(xué)習(xí)效果(圖7)，超過60%的學(xué)生認(rèn)為學(xué)習(xí)后能基本和完全明白果蔬汁工廠衛(wèi)生規(guī)范、生產(chǎn)流程和重要參數(shù)；超過61%學(xué)生認(rèn)為基本清楚和完全了解了生產(chǎn)設(shè)備工作原理和注意事項(xiàng)；超過90%學(xué)生一定程度了解了生產(chǎn)設(shè)備的組成和內(nèi)部構(gòu)造，然而完全明白和基本了解的學(xué)生比例明顯低于前兩個(gè)選項(xiàng)，說明生產(chǎn)設(shè)備的組成和內(nèi)部構(gòu)造仍為教學(xué)的難點(diǎn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在此方面輔助教育雖然有一定幫助，但還需要繼續(xù)完善。同時(shí)大部分學(xué)生認(rèn)為混合式教學(xué)可把課堂知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來，彌補(bǔ)了課堂講解的不足，復(fù)習(xí)、學(xué)習(xí)、鞏固了果蔬汁生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備相關(guān)知識(shí)。超過60%的學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)包括場景和設(shè)備還原度高、多形式講解結(jié)合，在混合式教學(xué)模式下，虛擬仿真平臺(tái)可供反復(fù)學(xué)習(xí)、可避免工廠實(shí)習(xí)中遺漏的知識(shí)點(diǎn)、有助于加深鞏固所學(xué)知識(shí)、提高了自主學(xué)習(xí)效率、節(jié)省了工廠實(shí)習(xí)的時(shí)間和成本。這些數(shù)據(jù)顯示了混合式教學(xué)模式的良好學(xué)習(xí)效果。同時(shí)，也有85%的同學(xué)認(rèn)為混合式教學(xué)模式是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的改革，具有一定發(fā)展?jié)摿Γ柽M(jìn)一步改善和完善，充分說明了學(xué)生對(duì)虛擬仿真平臺(tái)的認(rèn)可和期待，也為未來進(jìn)一步完善虛擬仿真平臺(tái)及混合式教學(xué)模式提供了參考。

圖6 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)使用感受

圖7 混合式教學(xué)模式學(xué)習(xí)效果

4 結(jié)論

隨著互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，社會(huì)已進(jìn)入信息化時(shí)代。把互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢應(yīng)用于高校教育必將成為未來高校教育改革的方向。NFC果蔬汁生產(chǎn)實(shí)踐與設(shè)計(jì)虛擬仿真平臺(tái)巧妙結(jié)合果蔬汁加工生產(chǎn)理論、食品機(jī)械設(shè)備、食品工廠設(shè)計(jì)管理，并設(shè)置趣味考核模式與師生互動(dòng)評(píng)價(jià)體系，既注重學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，又便于教師管理學(xué)生，用于本科生生產(chǎn)實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)輔助已取得良好效果。以該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為例的混合式教學(xué)模式有利于解決食品相關(guān)專業(yè)實(shí)踐活動(dòng)難以展開的問題，幫助學(xué)生加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的印象，促進(jìn)理論知識(shí)與實(shí)際操作的轉(zhuǎn)化，是信息化時(shí)代教學(xué)改革的新趨勢。同時(shí)，隨著技術(shù)的發(fā)展和普及，VR實(shí)景體驗(yàn)技術(shù)用于食品相關(guān)專業(yè)中的食品檢測分析、大型復(fù)雜檢測設(shè)備使用、工廠大型加工設(shè)備的操作、拆分和組裝有望成為新一代食品相關(guān)專業(yè)教學(xué)改革的突破點(diǎn)。與計(jì)算機(jī)端虛擬仿真技術(shù)相比，VR實(shí)景體驗(yàn)技術(shù)更逼真、更有沉浸感，真正能做到模擬上手操作， 將作為本虛擬仿真平臺(tái)食品加工機(jī)械模塊未來更新升級(jí)的主要方向。

虛擬仿真技術(shù)作為傳統(tǒng)教學(xué)的輔助，雖然可以有效提升實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量，但在教學(xué)過程中，仍應(yīng)以課堂實(shí)驗(yàn)實(shí)踐為基礎(chǔ)，不能一味依賴虛擬仿真平臺(tái)。虛擬仿真技術(shù)無法完全反映實(shí)際實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的問題、細(xì)微操作差別產(chǎn)生的不同結(jié)果，在食品加工、檢測相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，無法替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)中嗅覺和味覺的判別，因此，虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)，在課程中合理分配。同時(shí)，虛擬仿真教學(xué)技術(shù)作為互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的產(chǎn)物，應(yīng)更注重資源的共享和知識(shí)的轉(zhuǎn)化。教學(xué)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃擴(kuò)充平臺(tái)容量，把該虛擬平臺(tái)作為共享資源供其他高校和企業(yè)使用。高校和企業(yè)可根據(jù)自身需求，選擇性使用虛擬仿真平臺(tái)中的部分或整體作為教學(xué)和培訓(xùn)內(nèi)容，以提高資源的利用率。