虛擬仿真實驗在“食品機械與設備”教學中的應用

張 崟，陳衛(wèi)軍，周 闖，劉文龍，余 華，劉達玉

（成都大學食品與生物工程學院，四川成都 610106）

虛擬仿真實驗是指通過對實物信息收集、軟件模擬、仿真重現(xiàn)、系統(tǒng)組裝等過程，構(gòu)建的可以模擬現(xiàn)實實驗過程的軟件[1]。學生可以利用虛擬仿真實驗，體驗現(xiàn)場參與實驗的場景，進而達到更直觀地掌握實驗技能的效果。虛擬仿真實驗，可以有效避免錯誤操作引起的實驗安全風險。同時，可以替代一些高溫、高壓、易制毒、易致爆等不適合，或者現(xiàn)有的實驗條件不具備開設的極端實驗項目。因此，虛擬仿真實驗在學生實踐能力培養(yǎng)過程中的作用，越來越受到各國重視。我國教育部于2017 年以來，批準了多項虛擬仿真實驗項目[2]。成都大學的“吐司面包生產(chǎn)工藝3D 虛擬仿真實驗”，2018 年獲教育部認定，并在教學中廣泛應用[3-4]。

“食品機械與設備”是專門介紹食品加工過程中所用典型設備的課程，主要講解設備的分類、工作原理、基本構(gòu)造、操作參數(shù)及維護維修等內(nèi)容。通過該課程的學習，學生具備操作和改進食品加工設備的能力。成都大學的“食品機械與設備”課程2020 被評為省級應用型示范課。為了更好地提高該課程的教學質(zhì)量，結(jié)合團隊的教學實踐，討論了虛擬仿真實驗在“食品機械與設備”課程中的應用。

1 虛擬仿真實驗對“食品機械與設備”課程教學的積極作用

1.1 可以激發(fā)學生的學習興趣

大學生在經(jīng)歷初中、高中的題海訓練后，大部分學生已經(jīng)對傳統(tǒng)的教學方式產(chǎn)生了厭倦。將虛擬仿真實驗與“食品機械與設備”課程教學有機結(jié)合，通過透視化的演示，就能使學生更加直觀、快速地了解和掌握設備的工作原理及其工作過程。不僅減少了教師的講解負擔，而且有利于激發(fā)學生主動學習的興趣。

1.2 讓學生沉浸式感受機械的多維場景

在“食品機械與設備”課程教學中，將VR（Virtual Reality） 眼鏡或頭盔應用于設備工作原理及其現(xiàn)實應用的教學，可以使學生通過沉浸式感受，從多角度、多層次直觀地體驗設備內(nèi)部及其周圍環(huán)境狀況，使學生不僅能夠很快地對食品加工機械產(chǎn)生定性認識，而且可以通過點擊使用說明，了解設備材質(zhì)、工作條件、工藝參數(shù)、安全注意事項等信息；通過輸入?yún)?shù)，觀察設備的工作過程，甚至可以通過輸入錯誤參數(shù)，觀察設備在錯誤操作情況下可能出現(xiàn)的安全事故等。

1.3 讓學生與設備實現(xiàn)實時信息互動

虛擬仿真實驗不是單純的直觀演示，更不是走馬觀花。在進入實驗后，在不同的階段都有語音講解。在收聽語音講解時，學生需要記錄有關(guān)的知識點。在講解結(jié)束后，還會設置一定的問題，回答正確后才能進入下一個操作環(huán)節(jié)。通過這樣的實驗設計，就能使學生與機械之間實現(xiàn)實時信息互動，加深對機械工作原理及關(guān)鍵運行參數(shù)的記錄和記憶。在進入自主體驗階段，學生可以根據(jù)個人興趣，設計設備的運行參數(shù)，通過自主輸入設備運行參數(shù)，觀察在不同操作條件下設備的工作狀態(tài)。

1.4 激發(fā)學生深入學習的興趣

由于設備的虛擬仿真模擬，往往與現(xiàn)實設備存在一定的差距。在課程教學設計中，可以通過布置課外作業(yè)等方式，激發(fā)學生去學校的實驗室查看并記錄實際設備的信息，或者通過市場調(diào)查，了解最新的同類設備及其市場價格等信息，達到舉一反三，引導學生了解和掌握更多相關(guān)設備信息的效果。

2 虛擬仿真實驗的應用方式

2.1 設備工作原理的講解

工作原理是“食品機械與設備”課程的教學重點和難點，只有很好地掌握機械與設備的工作原理，學生才能更好地理解食品設備在食品加工過程中的作用，并在此基礎上與其他學科融會貫通，實現(xiàn)新的理論創(chuàng)新和對設備工作參數(shù)根據(jù)實際需求做適當調(diào)整。在該課程講解過程中，會有許多機械的工作原理難以講解，如板框過濾機、碟式分離機等。這些設備在用平面示意圖講解其工作原理時比較抽象，這時將板框過濾機和碟式分離機的虛擬仿真設備，通過網(wǎng)絡鏈接實現(xiàn)在線播放，能使學生更直觀地了解其工作原理。

2.2 設備運行過程演示

食品機械與設備的運行過程是輔助講解其工作原理不可缺少的組成部分，更應該有相應的虛擬仿真軟件輔助講解，尤其對一些需要有過程演示才能更加清楚的加工過程，如水環(huán)式真空泵、羅茨鼓風機等。在講解這些輸送設備的工作過程時，采用靜態(tài)的圖示很難講清楚。如果采用虛擬仿真軟件輔助教學，可以通過動態(tài)演示物料的行徑，清楚地展示其運行過程。不但可以使復雜的設備運行過程講解變得更加生動有趣，而且容易促進學生在理解的基礎上很好地掌握設備的工作原理。

2.3 設備操作參數(shù)設置

在“食品機械與設備”課程教學中，除了設備的工作原理及其工作過程是重點之外，學生掌握相應的設備操作參數(shù)也非常重要。教師在講解殺菌鍋在不同食品的殺菌中應用時，可以通過虛擬仿真軟件輔助教學，使學生通過軟件，輸入相關(guān)食品的設備操作參數(shù)，進而鍛煉和加深其對不同食品所需殺菌工藝參數(shù)的掌握，達到學即能用的良好效果。

2.4 展示設備在生產(chǎn)線中的作用

有些“食品機械與設備”教材，在介紹食品加工機械時是采用分類方式進行的，如運輸設備、尺寸減少設備、分離設備、成形設備、殺菌設備等。學完這類教材后，學生無法將設備與其在實際生產(chǎn)線中的應用緊密聯(lián)系。這時有必要采用虛擬仿真方法，讓學生認識一些食品加工生產(chǎn)線，掌握設備在生產(chǎn)過程中所發(fā)揮的作用。有些高校已經(jīng)將該類仿真實驗用于輔助完成學生的認識實習、生產(chǎn)實習及畢業(yè)實習等教學。成都大學的食品科學與工程類專業(yè)，利用已建有的省級虛擬仿真中心，輔助完成學生的生產(chǎn)實習和畢業(yè)實習。

2.5 設備維護及安全操作

食品設備在使用前，通常要進行安全教育，使用后要進行日常檢修和維護，否則不僅會影響制作的食品質(zhì)量，甚至會產(chǎn)生安全隱患。比如，在飲料及液態(tài)殺菌乳加工過程中，都會用到CIP 清洗系統(tǒng)。在講解該套清洗設備時，如果能結(jié)合虛擬仿真軟件，在講解CIP 系統(tǒng)的操作過程的同時，講解其在乳制品及飲料加工生產(chǎn)線的清洗和維護中的應用。這樣不但可以使學生輕松掌握CIP 系統(tǒng)的工作原理，而且可以認識到CIP 清洗系統(tǒng)在液態(tài)食品加工生產(chǎn)線中對設備維護的重要作用。

3 虛擬仿真實驗的應用案例

3.1 虛擬仿真技術(shù)在啤酒釀造工藝設備講解中的應用

在講解啤酒釀造設備時，可以將啤酒釀造設備與制作工藝同時講解，內(nèi)容包括麥芽汁制備、冷卻、酵母菌投放、發(fā)酵罐發(fā)酵等。

（1） 原料粉碎。在虛擬仿真軟件設計時，將大米、麥芽的粉碎機粉碎過程制作成虛擬操作，使學生了解粉碎操作過程的重要性。盡管粉碎只是通過簡單的機械擠壓，使大米、麥芽變成小顆粒，但是該操作對后期淀粉的糖化、麥汁的發(fā)酵及過濾等都非常重要。

（2） 糖化、糊化。將淀粉糊化和糖化利用虛擬仿真試驗進行演示，學生可以通過手動將大米及麥芽粉，加入糊化鍋，在溫水作用下使淀粉糊化和糖化。通過該操作，使學生了解和掌握淀粉在啤酒釀造過程中的糊化條件及發(fā)生的生化反應；掌握麥芽中的酶對大米中的淀粉及蛋白質(zhì)的作用機理。

（3） 麥芽汁過濾。利用虛擬仿真軟件，演示淀粉糖化后，將糖化醪液利用泵推作用，輸送到過濾機，并將麥芽汁與麥芽糖分離，得到澄清的麥芽汁。通過該操作，使學生理解麥芽汁的過濾過程及過濾對后期發(fā)酵的重要作用。

（4） 高溫煮沸，加啤酒花。學生通過虛擬操作，將麥芽汁輸送到麥汁煮沸鍋中，再加入啤酒花調(diào)味的過程，使學生掌握啤酒花在煮沸條件下對麥芽汁的成分、香味、苦味及其他有效成分的影響。

（5） 澄清冷卻。將煮沸后的麥汁泵入冷卻器后，冷卻至10 ℃左右，以備接種啤酒酵母的過程。學生通過虛擬操作，掌握麥汁溫度對啤酒酵母發(fā)酵的重要性。

（6） 加入酵母發(fā)酵。經(jīng)過冷卻的麥芽汁，往其中加入啤酒酵母和無菌空氣，輸送到發(fā)酵罐中，開始在一定溫度條件下發(fā)酵不同時間的工藝過程。通過該操作，使學生掌握發(fā)酵條件對啤酒中酒精含量及風味物質(zhì)形成的重要作用。

（7） 硅藻過濾。利用虛擬仿真軟件演示發(fā)酵液成熟后，經(jīng)過離心及多重過濾，去掉發(fā)酵液中的發(fā)酵殘留物、酵母等，成為均勻的膠體，再經(jīng)巴氏滅菌制成啤酒產(chǎn)品的工藝過程。通過該操作，使學生掌握過濾對啤酒產(chǎn)品形態(tài)形成的重要性。

（8） 灌裝。利用虛擬仿真軟件操作，使學生掌握發(fā)酵成熟的啤酒經(jīng)過負壓或常壓灌裝，制得成品的過程，掌握產(chǎn)品包裝對啤酒貯藏穩(wěn)定性的重要性。

3.2 虛擬仿真技術(shù)在管殼式熱交換器設計講解中的應用

管殼式熱交換器是食品加工過程中有冷熱能量傳遞過程的共性操作單元，對掌握熱交換設備的工作原理非常重要，理論虛擬仿真實驗，通過逐級演示和操作演練，可以使學生充分掌握其工作原理及使用注意事項。

（1） 開始前準備。利用虛擬仿真軟件，演示管殼式熱交換器的開機前狀態(tài)，當換熱器處于常溫常壓下，每個可調(diào)閥均處于手動關(guān)閉狀態(tài)，各手操閥處于關(guān)閉狀態(tài)。通過該操作，使學生掌握管殼式熱交換器操作前的安全注意事項。

（2） 啟動冷物流進料泵。利用虛擬仿真軟件，演示打開換熱器管程排氣閥，打開泵前閥，按下啟動按鈕，再打開泵的后閥等操作。通過該操作，使學生掌握進料泵的工作壓力及工作過程。

（3） 冷物流進料。利用虛擬仿真軟件，演示打開換熱器的進料泵的前后閥，打開冷物料進料閥，手動控制調(diào)節(jié)閥。觀察換熱器殼程上的排氣閥、冷物流出口閥的運行情況。通過該操作，使學生掌握冷物料流量等工作參數(shù)。

（4） 啟動熱物流入口泵。利用虛擬仿真軟件，演示打開殼程排氣閥，開物料泵的操作過程，觀察進料壓力表的指示值。通過該操作，使學生掌握冷物料的流動過程及工作壓力。

（5） 熱物流進料。利用虛擬仿真軟件，演示打開開閥給換熱器管程注液的過程，觀察進出口溫度變化。通過該操作，使學生掌握管殼式熱交換器的換熱工作原理。

4 結(jié)語

“食品機械與設備”課程對培養(yǎng)學生的工程實踐能力非常重要，尤其對增強學生解決復雜工程問題的能力具有積極作用。在該課程講解時，通過獨立設置實驗課，或者通過網(wǎng)絡鏈接等方式，將虛擬仿真實驗用于輔助理論教學，可以達到事半功倍的教學效果。學生可以通過體驗式參與，幫助其理解設備的工作原理、工作過程等理論內(nèi)容。此外，還可以通過將學生帶入現(xiàn)實應用場景等方式，促進學生將所學習的食品設備恰當?shù)赜糜谑称飞a(chǎn)線?？傊?，虛擬仿真實驗在“食品機械與設備”課程的理論講解中的輔助應用，可以獲得較傳統(tǒng)教學方式更好的教學效果。