食品專業(yè)酸乳生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)習(xí)的實(shí)踐探索

肖瀛，周小理，周一鳴，孫敏，榮玉芝

上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)香料香精技術(shù)與工程學(xué)院（上海 201418）

實(shí)習(xí)教學(xué)是食品科學(xué)與工程類專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)重要的環(huán)節(jié)[1-2]，然而，學(xué)生實(shí)習(xí)教學(xué)的開展面臨著校內(nèi)建造中試生產(chǎn)線經(jīng)費(fèi)投入大、運(yùn)行成本高而難以實(shí)現(xiàn)，進(jìn)入企業(yè)實(shí)習(xí)面臨著增加企業(yè)負(fù)擔(dān)與崗前培訓(xùn)耗時(shí)長的困境，同時(shí)由于食品企業(yè)生產(chǎn)衛(wèi)生安全規(guī)范執(zhí)行與監(jiān)管日益嚴(yán)格存在安全風(fēng)險(xiǎn)，學(xué)校很難大批量地安排學(xué)生在食品企業(yè)一線進(jìn)行實(shí)踐學(xué)習(xí)。因此，目前實(shí)習(xí)類教學(xué)普遍存在學(xué)生實(shí)習(xí)安排難、學(xué)生生產(chǎn)一線崗位實(shí)訓(xùn)時(shí)間少、學(xué)生解決生產(chǎn)一線實(shí)際問題的能力弱的問題[3-4]。

為此，上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)食品科學(xué)與工程專業(yè)，以工程教育認(rèn)證與國家一流專業(yè)建設(shè)為契機(jī)（2020年通過工程教育認(rèn)證，2021年入選國家一流專業(yè)建設(shè)），大力開展虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)，虛擬仿真教學(xué)已融入學(xué)生實(shí)踐培養(yǎng)環(huán)節(jié)，有效增強(qiáng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)。文章以上海市重點(diǎn)仿真類課程建設(shè)項(xiàng)目-酸乳生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)習(xí)項(xiàng)目為例，以O(shè)BE理念為核心，以解決生產(chǎn)一線實(shí)際問題的能力培養(yǎng)為重點(diǎn)，探討虛擬仿真技術(shù)在食品科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)教學(xué)的應(yīng)用與實(shí)踐，以期提高應(yīng)用型人才實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)培養(yǎng)的成效。

1 虛擬仿真實(shí)習(xí)教學(xué)設(shè)計(jì)思路

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（實(shí)習(xí)）教學(xué)項(xiàng)目是結(jié)合新時(shí)代背景下人才培養(yǎng)的需求，注重學(xué)生創(chuàng)新和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，重點(diǎn)解決實(shí)際不具備或存在困難的實(shí)踐條件，結(jié)合理論知識(shí)與能力訓(xùn)練，通過虛實(shí)結(jié)合模式促使學(xué)生通過自主討論主動(dòng)學(xué)習(xí)和獲得專業(yè)知識(shí)，提高分析和解決問題的綜合實(shí)踐能力[5-6]。此次酸乳生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)習(xí)項(xiàng)目，以工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的面向產(chǎn)出教育（OBE）理念為核心[7]，通過深度校企合作，對(duì)接企業(yè)一線生產(chǎn)與品控崗位工作要求，對(duì)接現(xiàn)代酸乳生產(chǎn)全流程自動(dòng)化數(shù)字化的生產(chǎn)工藝與標(biāo)準(zhǔn)，采用虛擬仿真技術(shù)高度還原了“原料乳預(yù)處理”“配料”“殺菌”“發(fā)酵”四個(gè)工段的酸乳生產(chǎn)全過程，開發(fā)了基于真實(shí)崗位任務(wù)場(chǎng)景的交互操作。實(shí)習(xí)項(xiàng)目融合生產(chǎn)工藝、發(fā)酵技術(shù)、品質(zhì)控制等多學(xué)科知識(shí)與新技術(shù)，融入企業(yè)對(duì)一線高素質(zhì)應(yīng)用人才需求的法規(guī)、環(huán)保等綜合要素。教學(xué)目標(biāo)如表1所示，重點(diǎn)訓(xùn)練學(xué)生通過綜合運(yùn)用多學(xué)科理論并結(jié)合法規(guī)與環(huán)保知識(shí)等方面非技術(shù)能力，培養(yǎng)學(xué)生多維度地分析解決酸乳生產(chǎn)一線實(shí)際復(fù)雜問題的能力。

表1 實(shí)習(xí)項(xiàng)目的教學(xué)目標(biāo)

項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)充分利用仿真系統(tǒng)可多端口運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)，學(xué)生可隨時(shí)使用數(shù)字設(shè)備開展課前、課中、課后的實(shí)踐學(xué)習(xí)任務(wù)，構(gòu)建基于理論知識(shí)、實(shí)操技術(shù)、綜合能力三位一體的實(shí)習(xí)教學(xué)模式，旨在重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生解決生產(chǎn)一線實(shí)際問題方面的能力，通過培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用酸乳生產(chǎn)工藝、品質(zhì)控制、發(fā)酵技術(shù)、生產(chǎn)管理等多學(xué)科知識(shí)原理進(jìn)行綜合應(yīng)用、多維度分析與判斷以及設(shè)計(jì)新工藝或新產(chǎn)品等相關(guān)教學(xué)任務(wù)訓(xùn)練，從而有效地體現(xiàn)了實(shí)習(xí)項(xiàng)目的高階性與創(chuàng)新性，提高了實(shí)習(xí)項(xiàng)目的挑戰(zhàn)度，滿足了現(xiàn)代食品企業(yè)對(duì)一線高素質(zhì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求。

2 構(gòu)建仿真實(shí)習(xí)的三位一體的教學(xué)方式

項(xiàng)目基于仿真實(shí)習(xí)系統(tǒng)通過仿真實(shí)習(xí)與企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)相結(jié)合，采用了自主式學(xué)習(xí)教學(xué)法+探索式糾錯(cuò)教學(xué)法、真實(shí)問題導(dǎo)向教學(xué)法（PBL教學(xué)法）+項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法等以學(xué)生為中心的組合式教學(xué)法，推行“學(xué)生主導(dǎo)、教師引導(dǎo)”教學(xué)方式，構(gòu)建理論知識(shí)、實(shí)操技術(shù)、綜合能力（多學(xué)科綜合應(yīng)用、多維度分析、自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新思維等方面能力）三位一體的實(shí)習(xí)教學(xué)模式。

圖1 仿真實(shí)習(xí)教學(xué)模式圖

2.1 自主式學(xué)習(xí)教學(xué)法+探索式糾錯(cuò)教學(xué)法

以學(xué)生的體驗(yàn)感與獲得感為重點(diǎn)，采用學(xué)生自主式學(xué)習(xí)的教學(xué)方式，利用移動(dòng)端、PC端、VR端等多端口的仿真平臺(tái)，教學(xué)的全過程體驗(yàn)真實(shí)還原的酸乳生產(chǎn)實(shí)習(xí)，即“（課前）學(xué)生預(yù)習(xí)—自主學(xué)習(xí)—（課中）分組討論（提問）—教師指導(dǎo)—分組練習(xí)與總結(jié)—（課后）模擬考核-答疑輔導(dǎo)”，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。學(xué)生預(yù)習(xí)酸乳工藝、酸乳生產(chǎn)車間布局、設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)、產(chǎn)品質(zhì)量控制、安全與規(guī)范等方面知識(shí)。課堂中通過分組對(duì)仿真實(shí)踐各環(huán)節(jié)理論與實(shí)操進(jìn)行分組討論，教師對(duì)學(xué)生討論中提出的問題進(jìn)行針對(duì)性指導(dǎo)與演示，學(xué)生分組模擬不同崗位角色進(jìn)行仿真實(shí)習(xí)練習(xí)，完成后老師與學(xué)生共同進(jìn)行總結(jié)。課后根據(jù)教師布置的實(shí)習(xí)任務(wù)要求，學(xué)生進(jìn)行仿真實(shí)踐任務(wù)并完成報(bào)告，并對(duì)完成情況進(jìn)行考核。

同時(shí)將探索式糾錯(cuò)教學(xué)法與學(xué)生自主式學(xué)習(xí)的教學(xué)方式相結(jié)合，在虛擬仿真操作教學(xué)環(huán)節(jié)，通過講解—探索式操作—糾錯(cuò)三合一的模式，對(duì)錯(cuò)誤操作設(shè)置提醒，給出正確操作指引并進(jìn)行相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的提示，其目的是使學(xué)生更加深刻理解操作要領(lǐng)與原理，對(duì)多個(gè)學(xué)生共同的錯(cuò)誤，進(jìn)行針對(duì)性重點(diǎn)講解，這樣可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)個(gè)性化教學(xué)過程。通過規(guī)范化流程的在線操作，提升學(xué)生對(duì)酸乳生產(chǎn)工藝與品控等方面的理論與實(shí)操能力掌握程度，使學(xué)生全面掌握符合企業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的酸乳生產(chǎn)的實(shí)操技術(shù)。

2.2 真實(shí)問題導(dǎo)向教學(xué)法（PBL教學(xué)法）與項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法

通過構(gòu)建酸乳企業(yè)生產(chǎn)過程中真實(shí)案例問題，結(jié)合本仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)相關(guān)教學(xué)項(xiàng)目任務(wù)，以解決真實(shí)案例的問題作為學(xué)生學(xué)習(xí)與考核任務(wù)，在教師引導(dǎo)下，訓(xùn)練學(xué)生綜合應(yīng)用酸乳工藝、品質(zhì)控制、發(fā)酵技術(shù)等多學(xué)科理論的能力，培養(yǎng)從專業(yè)技術(shù)能力與管理、法規(guī)等非技術(shù)能力相結(jié)合，多方面多維度地分析問題，判斷解決該問題的關(guān)鍵因素，促進(jìn)學(xué)生與解決復(fù)雜工程問題的能力提升，同時(shí)通過特定生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)生產(chǎn)工藝改良或新產(chǎn)品開發(fā)的項(xiàng)目任務(wù)，助力學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)與能力的養(yǎng)成。

2.3 “虛實(shí)結(jié)合”教學(xué)方法

項(xiàng)目搭建了覆蓋實(shí)習(xí)“預(yù)習(xí)、實(shí)操、結(jié)果分析、考核”全過程的“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)施流程。項(xiàng)目教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過深化與企業(yè)的合作，深化校企協(xié)同合作育人，構(gòu)建由學(xué)校教師與企業(yè)工程師組建的雙師型師資隊(duì)伍，對(duì)接企業(yè)一線工程技術(shù)人員崗位工作標(biāo)準(zhǔn)，共同制定實(shí)習(xí)教學(xué)目的與內(nèi)容、實(shí)施方案與考核評(píng)價(jià)方式。項(xiàng)目通過校企合作將傳統(tǒng)實(shí)習(xí)和虛擬仿真實(shí)習(xí)相結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而彌補(bǔ)了學(xué)生直接進(jìn)入工廠實(shí)習(xí)效果差、學(xué)生實(shí)習(xí)安全等問題，并有利于充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣和積極性，助力學(xué)生解決酸乳生產(chǎn)一線崗位實(shí)際問題的能力提升，全面提高生產(chǎn)實(shí)習(xí)的實(shí)效。

3 仿真實(shí)習(xí)教學(xué)的實(shí)施

仿真實(shí)習(xí)教學(xué)的實(shí)施分為課前、課中、課后和考核四個(gè)部分。

課前：學(xué)生通過移動(dòng)端或PC端，自主學(xué)習(xí)（預(yù)習(xí)）酸乳工廠漫游認(rèn)知，學(xué)生通過主視角工人的視角在酸乳工廠，學(xué)習(xí)廠區(qū)選址要求、設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)、品控標(biāo)準(zhǔn)、安全規(guī)范等知識(shí)，并完全相關(guān)理論自測(cè)。

課中：①學(xué)生通過PC端或VR端，進(jìn)入相應(yīng)工段的酸乳生產(chǎn)仿真實(shí)習(xí)。仿真實(shí)習(xí)過程中，學(xué)習(xí)者根據(jù)“操作指引”依次進(jìn)入酸乳生產(chǎn)各車間，以團(tuán)隊(duì)合作或個(gè)人獨(dú)立形式完成相應(yīng)的操作。②進(jìn)入原料配料車間，學(xué)習(xí)者可自主設(shè)計(jì)酸乳配方，進(jìn)行選料和配料工藝參數(shù)設(shè)計(jì)，合理設(shè)計(jì)方案可以啟動(dòng)進(jìn)料生產(chǎn)。③進(jìn)入生產(chǎn)車間跟隨操作指引，根據(jù)酸乳生產(chǎn)工藝流程，依次完成原料乳驗(yàn)收及貯存、預(yù)處理、配料、殺菌、發(fā)酵等工藝的操作。④通過虛擬的中央控制系統(tǒng)平臺(tái)界面，設(shè)定和監(jiān)管各工藝過程、設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)；調(diào)節(jié)和監(jiān)控各個(gè)閥門和工藝設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；調(diào)整和監(jiān)測(cè)物料、工藝用水和蒸汽的使用情況；依據(jù)酸乳發(fā)酵的配方原則，進(jìn)行物料衡算，完成配料。⑤通過上述操作，完成一個(gè)批次的酸乳生產(chǎn)，導(dǎo)出實(shí)習(xí)結(jié)果，分組對(duì)實(shí)習(xí)結(jié)果進(jìn)行討論，教師進(jìn)行總結(jié)分析。

課后：①學(xué)生通過PC端，對(duì)仿真實(shí)操進(jìn)行反復(fù)模擬考核訓(xùn)練。②通過PC端或移動(dòng)端，根據(jù)平臺(tái)獲得仿真實(shí)習(xí)模擬反饋數(shù)據(jù)與結(jié)果進(jìn)行分組討論，在線完成實(shí)習(xí)報(bào)告。③通過查閱文獻(xiàn)資料，利用新技術(shù)新工藝，分組對(duì)實(shí)習(xí)過程中存在問題提出工藝改良或新產(chǎn)品開發(fā)思路或工藝。

仿真考核：學(xué)生通過PC端或VR端，由系統(tǒng)隨機(jī)抽取某一工段部分的生產(chǎn)實(shí)習(xí)任務(wù)或生產(chǎn)事故作為仿真實(shí)操考核內(nèi)容，由系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)實(shí)操按步驟進(jìn)行評(píng)分。

4 仿真實(shí)習(xí)實(shí)施效果與反思

學(xué)生進(jìn)入工廠實(shí)習(xí)前，先通過虛擬仿真實(shí)習(xí)，沉浸式體驗(yàn)酸乳工廠生產(chǎn)運(yùn)行得全過程，較全面掌握酸乳工廠生產(chǎn)工藝流程、設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)、品控標(biāo)準(zhǔn)、安全規(guī)范，以個(gè)人或團(tuán)隊(duì)模擬工廠生產(chǎn)與品質(zhì)控制各環(huán)節(jié)真實(shí)的工作任務(wù)，然后進(jìn)入工廠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)，從而有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)習(xí)方式學(xué)生實(shí)習(xí)效果與體驗(yàn)感差、解決生產(chǎn)一線實(shí)際問題能力弱的短板。同時(shí)，有利于充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣和積極性，提高實(shí)習(xí)效果，有效提升了學(xué)生的綜合判斷分析與解決實(shí)際復(fù)雜問題的能力及新產(chǎn)品新工藝設(shè)計(jì)的創(chuàng)新能力，解決企業(yè)一線實(shí)際復(fù)雜問題的能力。

雖然借助虛擬仿真技術(shù)具有高度還原的優(yōu)勢(shì)，但仍然不能完全替代現(xiàn)場(chǎng)工廠實(shí)習(xí)，因此，需要進(jìn)一步優(yōu)化傳統(tǒng)實(shí)習(xí)和虛擬仿真實(shí)習(xí)結(jié)合的相關(guān)措施，充分提升兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。另一方面，雖然仿真交互操作可實(shí)時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)分，然而仿真實(shí)習(xí)多樣化的考核方式與多維度的評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)效果方案仍待完善，從而提升考核方式與高素質(zhì)創(chuàng)新應(yīng)用型人才培養(yǎng)內(nèi)涵的匹配度，提高評(píng)價(jià)結(jié)果的效度。

5 結(jié)語

采用基于真實(shí)崗位任務(wù)場(chǎng)景開發(fā)的交互式操作虛擬仿真項(xiàng)目，通過與企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)方式，可較為有效地彌補(bǔ)目前實(shí)習(xí)類教學(xué)普遍存在學(xué)生一線崗位實(shí)訓(xùn)不足的短板，促進(jìn)學(xué)生解決食品企業(yè)實(shí)際問題能力的提升。然后，仍需進(jìn)一步深化校企協(xié)同合作，優(yōu)化仿真系統(tǒng)，不斷融入企業(yè)新技術(shù)、新工藝、新標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)不斷完善虛實(shí)結(jié)合的實(shí)習(xí)模式的實(shí)施與實(shí)習(xí)效果的評(píng)價(jià)方案。