虛擬仿真技術(shù)在“食品工藝學(xué)”實驗教學(xué)中的應(yīng)用

劉麗莉，吳 彤，肖 楓，程偉偉，賀家亮，趙勝娟

（河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，食品加工與安全國家級教學(xué)示范中心，河南 洛陽 471023）

“食品工藝學(xué)”是食品類專業(yè)重要的生產(chǎn)實踐應(yīng)用性課程，教學(xué)內(nèi)容和課時中實驗內(nèi)容占據(jù)較大的比例，綜合性和實踐性也比較強。開設(shè)該課程主要是為了使學(xué)生掌握相應(yīng)的理論和實驗技能，具備開展科學(xué)研究的能力，熟知產(chǎn)品生產(chǎn)工藝和控制過程，成為全面發(fā)展的動手能力強的有用人才。如今社會競爭越來越激烈，擁有豐富專業(yè)知識和實驗動手能力的復(fù)合型人才將會更加受到歡迎。在實驗室進行實驗操作是培養(yǎng)學(xué)生能力的最直接有效的方法。同時，學(xué)生通過在實驗課上的實驗操作能夠?qū)σ褜W(xué)的知識進行驗證并熟練掌握，培養(yǎng)探索精神，提高想象力。因此實驗教學(xué)是提高學(xué)生知識運用能力的重要方法[1]。而食品工藝實驗需要購買大量的食品原輔料、加工生產(chǎn)設(shè)備及加工生產(chǎn)線及工藝條件設(shè)計等，這些都需要花費大量的經(jīng)費和時間，錯誤的實驗操作可能造成設(shè)備的損壞、食品原輔料和時間的浪費。再者由于教學(xué)方法的單一和考核方式的不合理，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效果不盡理想。

虛擬仿真技術(shù)是利用計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、人機交互技術(shù)、人工智能技術(shù)及傳感技術(shù)等交叉綜合集成產(chǎn)生的一種現(xiàn)代技術(shù)，由計算機硬件、軟件及多種傳感器構(gòu)成的三維虛擬環(huán)境。教師利用虛擬仿真技術(shù)將實驗教學(xué)中晦澀難懂的知識點直觀形象地傳達出來，使學(xué)生學(xué)習(xí)起來更加容易[2]。虛擬仿真實驗通過標準化的虛擬操作，不僅可以鞏固和加深學(xué)生已學(xué)過的食品生產(chǎn)設(shè)備的加工原理及理論知識，使學(xué)生掌握各種加工設(shè)備的使用方法，掌握不同食品加工方法，熟悉食品加工工藝操作；而且可以克服加工工藝條件限制；并且可以通過低成本且不枯燥的方式豐富課程內(nèi)容和完善考核制度，使更多的學(xué)生能夠更早地熟悉食品加工工藝過程，提高學(xué)生對食品工藝實驗的認知，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識、科研思維和動手能力。

1 “食品工藝學(xué)”傳統(tǒng)實驗教學(xué)中的不足

1.1 實踐教學(xué)資源有限

近年來，高校擴招已然成為一種趨勢，再加之部分院校本身經(jīng)費和資源投入不足，實驗的場地和設(shè)備不能夠滿足實驗教學(xué)的需求。在實驗課程中，學(xué)生通常都被分為小組，很難保證每個人都能動手操作。而對于價格昂貴的大型精密儀器，學(xué)生只能通過教師的演示操作進行簡單學(xué)習(xí)，不明白其中復(fù)雜的原理。學(xué)生到企業(yè)或工廠中實習(xí)也往往只能進行生產(chǎn)線中某一環(huán)節(jié)的簡單操作過程，無法單獨完成整個生產(chǎn)線的具體流程及掌握大型檢測設(shè)備的操作。此外，由于學(xué)校教育經(jīng)費有限，學(xué)生對實習(xí)企業(yè)的地點進行選擇時受到限制，達不到實踐的目的，學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力也得不到顯著提升。

1.2 教學(xué)方法和內(nèi)容單一

傳統(tǒng)的“食品工藝學(xué)”實驗教學(xué)都是基本加工操作，缺乏創(chuàng)新新穎的內(nèi)容；而且實驗課一般課時有限，只能挑選幾個具有代表性的實驗，由實驗教師準備實驗所需輔料和儀器后進行簡單講解，學(xué)生按照實驗步驟機械地完成操作，不會主動思考實驗流程和原理。學(xué)生處于被動接受的狀態(tài)進行實驗教學(xué)活動，限制了學(xué)習(xí)的主動性和積極性[3]。甚至有些學(xué)生認為完成實驗報告就是實驗的唯一宗旨，利用實驗課時間完成實驗報告。這種教學(xué)方法同時也是對實驗資源的浪費。

1.3 考核方式只重結(jié)果

一般來說，“食品工藝學(xué)”實驗課程的考核方式是出勤加上實驗報告，忽視實驗過程中的具體實驗操作細節(jié)。學(xué)生只要按部就班參加實驗課程，認真書寫實驗報告，往往就能取得很高的分數(shù)。這種考核方式不能客觀全面地評價學(xué)生的能力。完整的實驗課程應(yīng)從實驗預(yù)習(xí)、實驗原料的準備，到實驗的完整操作、實驗報告的書寫、反思與自我評價。

2 虛擬仿真技術(shù)在“食品工藝學(xué)”實驗教學(xué)中的優(yōu)勢

2.1 節(jié)省教學(xué)資源

“食品工藝學(xué)”實驗課上所用的食品加工類大型儀器設(shè)備原理和內(nèi)部構(gòu)造十分復(fù)雜，如果僅通過教師PPT圖片簡單展示講解，學(xué)生不能掌握儀器設(shè)備的原理。虛擬仿真系統(tǒng)采用虛擬的動畫和人物操作，形象地講述儀器設(shè)備的原理和整個生產(chǎn)工藝流程，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中進行類似于游戲的操作就能學(xué)習(xí)整個工藝流程，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，喚起學(xué)生的求知欲，使學(xué)生在體驗虛擬游戲的同時快樂學(xué)習(xí)，達到事半功倍的效果[4]。運用虛擬仿真技術(shù)能減少實驗教學(xué)花銷，提升學(xué)生的實操效果，增強了教學(xué)的趣味性。接觸虛擬仿真技術(shù)后，其方便性和趣味性也會驅(qū)使學(xué)生在課后繼續(xù)進行實驗的開展，同時也能夠提高學(xué)生的創(chuàng)新精神[5]。通常學(xué)生只有通過到相關(guān)單位進行參觀來了解工廠實際操作。但是為了確保工序的正常進行和產(chǎn)品的質(zhì)量與安全，學(xué)生只能觀看不能動手隨意操作儀器設(shè)備[6]，因此沒有辦法實際了解掌握各種大型儀器設(shè)備的操作步驟和工藝參數(shù)，無法獲得全面的知識。利用虛擬仿真技術(shù)搭建虛擬工廠場景，再現(xiàn)食品加工整個工藝流程、加工廠設(shè)備操作講解和操作提示等內(nèi)容，能夠使學(xué)生深入了解食品生產(chǎn)流程及行業(yè)先進技術(shù)，有助于鞏固學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)知識提高實際動手能力，從而使學(xué)生適應(yīng)未來食品加工企業(yè)的要求。

2.2 豐富課程內(nèi)容

由于“食品工藝學(xué)”實驗學(xué)時有限，不能保證學(xué)生在實驗課程中將所有的實驗都操作一遍，再者有些實驗對儀器設(shè)備的要求較高，學(xué)生只能依靠課下自行了解或課上教師的系統(tǒng)性闡述進行簡單學(xué)習(xí)。利用虛擬仿真技術(shù)進行實驗?zāi)M操作，學(xué)生可以在有限的實驗課時內(nèi)了解更多的食品加工機械和設(shè)備，掌握更多的食品加工原理和過程，豐富了課程內(nèi)容，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。同時通過虛擬仿真實驗的進行可以開闊學(xué)生眼界，即使沒有親手接觸到實物，學(xué)生也能在虛擬實驗操作中了解學(xué)習(xí)實驗操作的整個流程，提高了學(xué)生就業(yè)能力[7]。

2.3 考核評價更客觀

只有通過考核才能檢驗教學(xué)質(zhì)量，利用科學(xué)、合理和全面的考核方式能夠幫助教師檢查學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，從而改進教學(xué)方法，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果[8]。教師事先設(shè)定評分細則，虛擬仿真系統(tǒng)依據(jù)評分細則針對學(xué)生的實驗操作進行評分，進而了解學(xué)生實驗前的預(yù)習(xí)準備、實驗操作情況及課后的鞏固復(fù)習(xí)情況，能夠更加全面地了解學(xué)生的整個實驗學(xué)習(xí)掌握情況。利用虛擬仿真技術(shù)改變了原有的簡單考核方式，使學(xué)生在實驗學(xué)習(xí)中化被動為主動，喜歡動手操作并不斷思考，使實驗成績考核評價全面客觀，提高實驗教學(xué)的效果[9]。

3 虛擬仿真技術(shù)的局限性與解決措施

3.1 虛擬仿真技術(shù)的局限性

虛擬仿真實驗雖然在實驗教學(xué)方面有一定的優(yōu)勢，但是與使用真實儀器設(shè)備進行的實驗相比，其實驗條件設(shè)定得太過理想，包括所用的器材、操作的實驗流程。設(shè)置一定的工藝參數(shù)后，運行仿真軟件就只能準確無誤地得到一種結(jié)果。通過真實的實驗操作，學(xué)生在觀察到食品原料的各種變化細節(jié)和儀器設(shè)備的運行情況的同時還能得到更多感性認知，如面包的烘烤過程中發(fā)生的美拉德反應(yīng)[10]。同時，虛擬仿真技術(shù)在代替實物操作的情況下，也會減少學(xué)生團隊合作和交流的機會。

3.2 解決措施

由于虛擬實驗還存在局限性，使用時要盡可能有機地把兩者結(jié)合起來。通過結(jié)合虛擬仿真實驗軟件進行實驗教學(xué)能夠得到更加多元化的教學(xué)模式，促進高新技術(shù)和教學(xué)實踐活動的融合，形成“虛實結(jié)合”的教學(xué)體系[11]。在進入實驗室進行實際操作之前，學(xué)生先通過仿真軟件進行實驗操作的模擬來熟悉實驗步驟。課上，教師講解重難點，答疑解惑，必要時進行演示，介紹相關(guān)工藝過程和設(shè)備運行方式。課下學(xué)生再次操作，鞏固復(fù)習(xí)。當(dāng)學(xué)生考核達標后即可在實體設(shè)備上進行操作[12]。虛擬實驗是真實實驗的理想化狀態(tài)，能夠克服干擾幫助學(xué)生快速掌握實驗原理，拓展學(xué)習(xí)和探索的空間；真實實驗是虛擬實驗在客觀真實條件下的驗證，在動手操作的過程中有助于學(xué)生加深了解實驗過程和現(xiàn)象[13]。先預(yù)習(xí)、實驗，再進行復(fù)習(xí)、實踐這樣系統(tǒng)的實驗教學(xué)過程能夠提高學(xué)生的邏輯思維和實踐能力。

4 虛擬仿真技術(shù)在“食品工藝學(xué)”實驗教學(xué)中的具體實施

以“新型酸奶加工工藝”的實驗教學(xué)為例。在新型酸奶加工工藝中，加工過程涉及許多技術(shù)難題：如菌種活力不足、加工工藝操作過于簡單、產(chǎn)品品質(zhì)差等；同時涉及到無菌操作、殺菌系統(tǒng)、發(fā)酵罐、灌裝設(shè)備等自動化設(shè)備缺乏，學(xué)生只能在實驗室做出家庭式自制酸奶，無法實現(xiàn)理論和實踐相結(jié)合的學(xué)習(xí)目的，不能實現(xiàn)學(xué)生對現(xiàn)代化生產(chǎn)過程的了解和熟悉加工設(shè)備的原理及操作能力的培養(yǎng)，同時使學(xué)生產(chǎn)生課程實驗過于簡單的概念，調(diào)動不了學(xué)生對實驗教學(xué)的積極性和主動性。目前學(xué)院缺乏完整的酸奶加工的生產(chǎn)線，而且針對乳制品加工企業(yè)，由于廠區(qū)安全生產(chǎn)管理嚴格，生產(chǎn)規(guī)模大，生產(chǎn)過程集成化、自動化、連續(xù)化；同時廠區(qū)分塊，相對封閉，許多區(qū)域非生產(chǎn)人員一般不允許進入，學(xué)生也只能在指定參觀區(qū)域?qū)W習(xí)，無法接觸到實際的工藝操作和生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)線只能在參觀通道參觀，對于一些加工設(shè)備內(nèi)部原理和操作無法近距離接觸和觀看。這些因素對“食品工藝學(xué)”課程中實驗教學(xué)的開展產(chǎn)生了極大的影響，不利于創(chuàng)新人才培養(yǎng)。因此，圍繞新型酸奶加工工藝開展虛擬仿真實驗教學(xué)具有重要的現(xiàn)實意義。

學(xué)生通過虛擬仿真軟件，能夠熟悉進入酸奶生產(chǎn)車間前的更衣消毒全過程，按照原輔料的不同，掌握新型酸奶的加工工藝流程。而酸奶加工的工藝流程中最重要的是反應(yīng)條件的控制，如原料配比、接種量、發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間、殺菌溫度和時間、均質(zhì)溫度和壓力等。借助虛擬仿真軟件進行實驗教學(xué)，能夠幫助學(xué)生熟悉主要的加工生產(chǎn)設(shè)備、了解實際生產(chǎn)操作數(shù)據(jù)，設(shè)計工藝參數(shù)標準及相應(yīng)的判斷方法。由于不同的操作條件將改變不同參數(shù)，從而生產(chǎn)的產(chǎn)品量和產(chǎn)品也不相同，真正做到一人一個實驗結(jié)果。在不斷的實踐中，學(xué)生可以探索最優(yōu)條件，最大化地對新型酸奶加工工藝流程過程有深入的認識。

凝固型酸奶生產(chǎn)工藝流程：

攪拌型酸奶生產(chǎn)工藝流程：

4.1 實驗教學(xué)流程

實驗教學(xué)流程圖見圖1。

圖1 實驗教學(xué)流程圖

（1）實驗預(yù)習(xí)。課前學(xué)生進入河南科技大學(xué)食品加工與安全國家級實驗教學(xué)示范中心——虛擬仿真實驗中心平臺，點擊實驗教學(xué)資源模塊，輸入學(xué)號和密碼，在虛擬實驗管理信息系統(tǒng)中選擇“新型酸奶工藝虛擬仿真實驗教學(xué)軟件”，通過觀看平臺提供的工藝講解視頻，了解主要加工工藝，熟悉整個實驗操作流程。同時，完成實驗報告的預(yù)習(xí)部分。

再通過對加工過程的在線觀看和操作，進一步鞏固主要實驗內(nèi)容，學(xué)習(xí)人物操作后進入仿真工廠進行相應(yīng)操作，并就視頻網(wǎng)課和初次仿真模擬學(xué)習(xí)中所遇到的問題，學(xué)生之間進行討論并反饋給教師。

（2）課堂講解及實驗操作。教師發(fā)布問題檢測試題，學(xué)生在教學(xué)平臺答測試題、反饋問題，教師根據(jù)測試反饋信息檢查學(xué)生預(yù)習(xí)情況。之后教師進行實驗講解，通過圖文并茂的課件形式將重點知識和操作呈現(xiàn)給學(xué)生，必要時可進行重點操作演示。課后學(xué)生再次操作軟件并根據(jù)教師布置任務(wù)進行復(fù)習(xí)鞏固，分數(shù)達標后才能進入實驗室操作儀器設(shè)備。

（3）報告及評價。課堂教學(xué)完成后，學(xué)生將基于實驗內(nèi)容完成實驗報告和軟件上的測試題。學(xué)生的成績包括虛擬軟件操作評分、測試題得分和實驗報告得分。前兩者評分由虛擬軟件的系統(tǒng)自動評分，實驗報告則由教師進行批改評分。

4.2 虛擬仿真軟件的具體操作

在虛擬仿真界面，通過回車鍵控制虛擬人物做酸奶加工廠介紹。認識原料車間、預(yù)處理車間、發(fā)酵車間、灌裝車間、包裝車間等區(qū)域，了解各車間的廠區(qū)布置。

車間參觀見圖2。

圖2 車間參觀

進入原料間和鮮奶貯存間，了解儲奶罐、流量泵等設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造。切換到水果預(yù)處理車間，鼠標滑在水果粉碎機、打漿機等控制箱等設(shè)備，將有相應(yīng)的名稱、功能及規(guī)格信息提示。

原料間見圖3。

圖3 原料間

進入原料乳預(yù)處理間及控制系統(tǒng)，了解相關(guān)設(shè)備的原理等。進入原料混合、預(yù)熱、均質(zhì)、殺菌和冷卻、灌裝工藝、酸奶接種、發(fā)酵。查看發(fā)酵罐清潔過程控制，乳酸菌活化、擴培控制，將發(fā)酵劑接種到發(fā)酵罐中，注意接種量、溫度和時間等因素的選擇，發(fā)酵罐開始發(fā)酵。點擊發(fā)酵罐溫控選項卡，查看發(fā)酵情況，直至發(fā)酵結(jié)束。

進入包裝車間學(xué)習(xí)典型的包裝工藝流程，熟悉各種設(shè)備加工原理等。切換到中控室，對不同的生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)控。

酸奶加工過程的實時監(jiān)控見圖4。

圖4 酸奶加工過程的實時監(jiān)控

5 結(jié)語

“食品工藝學(xué)”的實驗具有很強的綜合性，掌握理論知識和了解加工工藝和操作流程二者相輔相成。新型酸奶加工工藝的虛擬仿真軟件，通過三維模擬方式，以現(xiàn)實的酸奶生產(chǎn)工廠為藍本，營造出一個現(xiàn)代化的新型酸奶虛擬生產(chǎn)工廠，在計算機屏幕將真實的酸奶廠生產(chǎn)場景生動再現(xiàn)，虛擬剖析部分重點設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生理解、掌握設(shè)備的工作原理和操作規(guī)范，允許改變原料配比和工藝條件，模擬生產(chǎn)不同風(fēng)味的產(chǎn)品。用網(wǎng)絡(luò)化的人機互動方式，讓更多的未接觸過實際工廠新型酸奶加工生產(chǎn)的學(xué)生在虛擬的環(huán)境中獲得真實的體會，達到理論與實踐的完美結(jié)合。虛擬仿真實驗和真實實驗二者結(jié)合，相輔相成，培養(yǎng)學(xué)生對于設(shè)備的操作能力和創(chuàng)新能力，有效提高“食品工藝學(xué)”實驗課程的學(xué)習(xí)效果。