“食品工程虛擬仿真”課程實踐與探索
——以湘潭大學食品科學與工程專業(yè)為例

陳秀梅，車金鑫，陳東方，黃師榮，陶能國

（湘潭大學 化工學院生物與食品工程系，湖南湘潭 411105）

0 引言

工程能力的培養(yǎng)貫穿食品科學與工程專業(yè)培養(yǎng)過程。我國加入華盛頓協議后，工程教育認證成為工科專業(yè)培養(yǎng)模式的一種檢驗手段，也是與國際接軌的重要途徑[1]。湘潭大學食品科學與工程專業(yè)于2019 年正式通過教育部工程教育專業(yè)認證，成為全國第30 個、湖南省第2 個通過工程教育專業(yè)認證的食品類專業(yè)。國內高校食品類專業(yè)工程能力培養(yǎng)體系大體分為基礎類課程、專業(yè)課程、課程設計和畢業(yè)設計等模塊，這些模塊之間的內在關聯非常密切。從目前文獻和各高校食品類專業(yè)人才培養(yǎng)方案來看，由于受實驗條件和場地的影響，這些環(huán)節(jié)很難在學校教學過程中得以完全展示?！靶鹿た啤北尘跋拢摂M仿真平臺是復合型卓越工程技術人才培養(yǎng)的必要手段，在本科教學攻堅戰(zhàn)中具有重要的戰(zhàn)略地位[2]，構建虛實結合、虛實互補的教學體系也是當前教學改革的方向之一[3]。因此，將虛擬仿真平臺和現有教學資源相結合，構建綜合性虛擬仿真實驗教學模式，對于充分發(fā)揮信息化教學的優(yōu)勢、解決傳統(tǒng)教學中面臨的諸多現實問題、促進創(chuàng)新人才的培養(yǎng)、工程能力的提高等方面具有重要意義[4-9]。湘潭大學食品科學與工程專業(yè)根據認證實踐，通過優(yōu)化人才培養(yǎng)方案，單獨設置了“食品工程虛擬仿真”課程，開創(chuàng)性將“虛實結合”深入融合虛擬仿真課程教學模式中，在全國范圍內的食品類專業(yè)中并不多見。對“食品工程虛擬仿真”的課程實踐進行了總結與分析，通過該課程的實踐與探討以期為國內其他院校食品類專業(yè)的學生工程能力培養(yǎng)，實現應用型人才知識、能力和素質的協調發(fā)展提供參考。

1 課程基本情況

課程面向學生工程知識和工程能力培養(yǎng)，基于啤酒生產2D/3D 虛擬仿真軟件，初步掌握運用模擬軟件，學習啤酒釀造的原理、單元操作，掌握相關儀器設備等，培養(yǎng)全面發(fā)展并靈活運用食品專業(yè)基礎理論解決復雜工程問題的綜合能力。

1.1 課程支撐畢業(yè)要求指標點

湘潭大學“食品工程虛擬仿真”課程于2019 年首次作為一門獨立的食品專業(yè)課程被寫入教學大綱，有利于其教學一體化模式的形成與發(fā)展。根據食品專業(yè)本科生的12 個畢業(yè)要求，“食品工程虛擬仿真”課程支撐了其中2 個要求，分別是：①工程知識：必須具有從事食品工程所需的數學、自然科學、工程基礎和專業(yè)知識，并用于解決復雜食品工程問題；②使用現代工具：開發(fā)、選擇和使用合適的現代儀器設備、資源、信息技術和專業(yè)軟件，獲取相關信息，對關鍵過程和參數進行預測、模擬和優(yōu)化，并能理解其局限性。這2 個畢業(yè)要求所對應支撐指標點是能夠將相關食品專業(yè)知識和數學模型方法用于推演、分析食品工程問題并進行模擬仿真和能夠針對復雜食品工程中的具體對象，開發(fā)或選用滿足特定需求的現代儀器設備、資源、信息技術和專業(yè)軟件，并對專業(yè)問題進行模擬和預測，分析其適用性。

1.2 課程目標

根據課程對畢業(yè)要求支撐的指標點，確定與其相對應的2 個課程目標。

（1）掌握啤酒發(fā)酵及生產工藝的基本過程；了解典型設備的構造、性能和操作原理，并具有設備選型及校核的基本知識；培養(yǎng)綜合運用化學、食品工藝學、食品機械與設備等專業(yè)基礎理論分析和解決食品工程問題的能力。

（2）能夠針對復雜食品工程中的對關鍵過程和參數進行預測、模擬和優(yōu)化，提出多種可能的解決方案，識別和判斷食品工程實驗、研究、設計和開發(fā)等問題的關鍵環(huán)節(jié)和參數，具有分析和解決單元操作中一般工程問題的初步能力。

2 課程實施

“食品工程虛擬仿真”的課程性質與屬性按照學科需求歸為食品科學與工程專業(yè)的專業(yè)選修課，設置32 學時與2 學分，其中理論課時為8 課時，主要講解啤酒發(fā)酵生產工藝、啤酒發(fā)酵設備介紹、啤酒發(fā)酵流程介紹等教材的理論知識；另外，24 課時為實踐課時，基于2D/3D 啤酒發(fā)酵工藝虛擬仿真軟件實踐為主，其中8 課時安排學生進行專題訓練，包括對啤酒生產廠3D 虛擬現實仿真軟件的認識及啤酒生產工藝仿真的學習，通過啤酒發(fā)酵工藝流程介紹、單元操作知識的講解與討論，相關檢測基本原理和相應的思考題，幫助學生深入了解啤酒發(fā)酵工藝知識等，為后續(xù)上機操作打好理論基礎。其余16 課時讓學生分組進行上機操作，通過3D 啤酒虛擬仿真軟件的操作學習掌握真實啤酒生產車間相關生產設備的操作，如相關儀器設備的布局，發(fā)酵工藝參數分析包括壓力、CO2濃度、流量、溫度及時間的監(jiān)控等，同時在軟件操作過程中讓學生通過與相關操作相互交會的動畫了解罐內的物料動態(tài)情況、直觀地觀察到溶氧曲線及糖度曲線的變化，還能根據質量評分對自己的操作進行實時反饋，此外還可以針對啤酒釀造過程中相關的知識點對學生進行實時考核，使學生充分掌握啤酒發(fā)酵生產工藝的操作，能夠對釀造過程中的常見問題進行分析和控制。

課程考核方式基于虛擬仿真軟件操作質量評分、相應的理論考試和平時成績3 個部分組成。成績的評定中期末成績和平時成績占總成績的比例為7∶3，平時成績根據學生的出勤情況、上機實操紀律、課堂討論、課后作業(yè)等計算，其中理論考核主要是考查啤酒原輔料、麥芽制備、酒花種類、過濾方法、穩(wěn)定技術，以及各個工藝流程的副產物利用方面的理論基礎知識的掌握情況。

3 教學效果分析

通過“食品工程虛擬仿課程調查問卷”，對2017 和2018 級食品科學與工程專業(yè)的本科生93 人借助于“問卷星”進行無記名問卷調查，內容涵蓋課程的設置、教學方法、考核方法，教學效果和建議5 個部分，對調查問卷結果進行統(tǒng)計分析。設置課程（理論課時8 +實踐課時24）的滿意度調查結果，學生對該課程設置的完全滿意達到59.21%，基本滿意是39.47%，不滿意僅占1.32%，學生對該課程的整體設置滿意度較高。

課程設置的滿意情況調查見圖1。

圖1 課程設置的滿意情況調查

對課堂教學方式調查結果顯示，40.79%的學生贊成課堂講授+虛擬仿真實訓，22.37%的學生贊成虛擬仿真實訓過程邊做邊講這種方式，而35.53%學生贊成課堂講授+虛擬仿真實訓+課堂討論的授課方式，僅有1.32%的學生贊成單純的課堂講授，同時52.63%的學生認為教師在課堂上播放知識點相關視頻，對課程學習幫助大，易于理解，44.74%的學生認為有一定幫助，可以活躍課堂氣氛，2.63%的學生認為幫助不大，相比較教師的講課，以上結果表明學生更歡迎教師多元化教學方式?！笆称饭こ烫摂M仿真”課程旨在提高學生的工程能力，通過學生對教師教學側重的培養(yǎng)能力的期待調查結果顯示注重學生工程能力培養(yǎng)要求的期待達到63.16%，而知識的傳授占25%，素質教育占9.21%，其他能力培養(yǎng)占2.63%，同時61.84%學生更注重工程知識傳遞的方式，18.42%注重知識廣度，19.74%的學生關注課堂氣氛，調查結果表明學生更注重工程能力方面的提高與課程的宗旨一致?？己朔绞降臐M意度結果顯示，98.68%的學生認為考核方式合理，表明學生對考核方式非常滿意。

學生通過理論與虛擬仿真實驗相結合的學習模式，能舉一反三地利用所學到的知識，強化學生的工程實踐和實際動手操作能力，是開設“食品工程虛擬仿真”課程初衷所在。

虛擬仿真實驗對學習的影響見圖2。

圖2 虛擬仿真實驗對學習的影響

所有學生都認為這種學習模式相較于傳統(tǒng)的課堂授課模式是有提升影響的，其中有40.79%的學生認為通過虛擬仿真的學習使書本上的知識原理更直觀和條理化，1.05%的學生認為可以彌補課堂上的不足，19.74%的學生認為增強了實際操作和相關食品工程技能。所以，相較于傳統(tǒng)的書本理論知識的講解，增加虛擬仿真實操，98.68%的學生認為更有助于原理等知識點的理解與學習。

學生對3D 啤酒工藝虛擬仿真教學工程知識關注程度調查見圖3。

圖3 學生對3D 啤酒工藝虛擬仿真教學工程知識關注程度調查

由圖3 可知，89.47%的學生認為通過該課程學習可以更加直觀掌握廠區(qū)布局及車間布置，包括粉碎車間、糖化車間、發(fā)酵車間、中控室、包裝車間等區(qū)域的工作原理。89.47%的學生認為可以直觀認識書本中提到的生產設備：包括麥芽粉碎機、發(fā)酵罐、糖化鍋、糊化鍋、煮沸鍋、過濾機、原位清洗系統(tǒng)（CIP）、灌裝機等。63.16%的學生認為可以熟悉和了解一些重點設備的內部結構。59.21%的學生認為可以熟悉主要生產工段的工藝操作，包括工藝條件控制、分散控制系統(tǒng)監(jiān)控（DCS）、安全生產操作規(guī)范等。44.74%的學生認為可以達到掌握和自行設計不同啤酒生產的工藝流程。因此，結合虛擬仿真軟件的應用，有助于學生對啤酒工藝的理解，能夠培養(yǎng)學生綜合發(fā)揮食品專業(yè)相關的理論知識和掌握的技能，縮短學生所學知識與職業(yè)崗位所需求的專業(yè)知識和職業(yè)技能之間的差距。根據調查結果顯示，通過特定模擬啤酒釀造生產工藝環(huán)境里進行綜合性和系統(tǒng)化的鍛煉，75%的學生對該課程設置的實用性、先進性總體評價是滿意，22.37%的學生較滿意。對教學效果滿意度的調查結果表明，學生對該課程的整體教學效果滿意度較高，其中完全滿意占44.2%，比較滿意占52.6%，但還是存在一些不足。

4 課程教學啟示

4.1 顯著提升了學生工程知識和工程能力

“新工科”建設背景下，食品相關專業(yè)實踐教學環(huán)節(jié)應以有機融合并加強實踐創(chuàng)新能力，通過虛擬仿真技術，構建虛實結合、虛實互補的教學模式，取得了一定的效果，但是“虛實結合”和“虛實互補”的教學思想尚未真正融入整個食品專業(yè)教學體系中，也沒有形成融合教學改革和人才工程能力培養(yǎng)于一體的教學教育模式，更沒有深入融合虛擬仿真教學實習、專業(yè)課程設計和畢業(yè)設計等多個環(huán)節(jié)。通過食品工程虛擬仿真教學實踐表明，將食品工程虛擬仿真課程與其他專業(yè)課程有機融合，多措并舉的教學模式能激發(fā)學生在教學中的主動參與意識與學習興趣，能有效提升課程教學效果，提升學生工程知識和工程能力。同時，通過調查問卷分析，60.53%的學生認為啤酒工藝虛擬仿真實驗教學對食品工廠設計的能力有提升作用，36.84%的學生認為一般，僅有2.63%的學生認為對食品工廠設計的能力沒有提升作用。

4.2 可持續(xù)改進之處

學生根據自己學習時的切身體會，對“食品工程虛擬仿真”課程提出了很多建設性的意見，有利于今后課程的優(yōu)化改進。通過對調查問卷的開放題統(tǒng)計分析，部分學生建議可以適當增加內容和課時，多安排一些食品工程相關虛擬仿真軟件。同時，關于食品工程虛擬仿真課程中除了啤酒生產工藝虛擬仿真軟件是否還需要增加其他食品相關的虛擬仿真軟件的問卷調查結果表明，84.21%的學生認為有必要增加其他食品工程相關的虛擬仿真軟件，僅有15.79%的學生認為不需要，學生訴求與開放題基本一致，表明大家對虛擬仿真技術融入其他相關食品工程課程的期待。例如，將“食品機械與設備”課程中引入虛擬仿真技術教學，包括機械設備結構認知仿真和虛擬仿真實驗操作，既解決了大型機械設備短缺、場地限制等問題，又充分發(fā)揮了虛擬仿真實驗生動、直觀和安全等優(yōu)勢，能促進學生更好地學習課程，幫助理解機械設備在食品加工生產過程中的重要性，從而強化學生的工程實踐能力[10-13]?！笆称饭こ烫摂M仿真”課程其積極意義毋庸置疑，部分也反映了軟件自身的問題，如軟件每個功能太單一、系統(tǒng)細節(jié)操作過于繁瑣、軟件漏洞較多、軟件建模效果需要提升等，有些按鈕不好用，按了沒反應，軟件性能有待完善升級。因此，學校需加大對食品工程軟件的資金投入，更新升級現有虛擬仿真軟件，選擇性能更好、仿真程度更高的軟件。

5 結語

“食品工程虛擬仿真”課程的實踐是一次有意義的探索，以3D 啤酒發(fā)酵工藝虛擬仿真教學為主得到了食品科學與工程專業(yè)學生的一致好評，虛擬仿真教學以其獨特的技術優(yōu)勢，極大程度上彌補了傳統(tǒng)教學的不足，提高了學生的工程能力，滿足社會對應用型人才需求目的，對后續(xù)其他食品類專業(yè)學生工程能力的培養(yǎng)有借鑒意義。