面包烘焙品質虛擬仿真實驗設計及構建

王新偉，田雙起，趙仁勇，蔣洪新，婁海偉，牛永武，王香玉

（河南工業(yè)大學糧油食品學院，河南 鄭州 450001）

面包烘焙品質試驗是河南工業(yè)大學糧食工程專業(yè)和食品科學與工程專業(yè)本科生必修實踐課程“食品工藝綜合實驗”中的一個實驗項目，共6 個學時。教學大綱中要求學生采用直接發(fā)酵法、快速烘焙法和中種發(fā)酵法3 種方法制備面包，進行品質評價。但是因為課時和條件的局限，指導教師不得不在課前把很多工作都代替學生做了，學生上課時只能做部分工序，顯然不符合教學大綱要求，也沒有達到實驗目的。因此，有必要通過虛擬仿真技術，模擬面包生產過程的實景環(huán)境和生產狀態(tài)，使學生通過面包制備虛擬仿真實驗達到實地開展實驗的效果。

1 開展面包烘焙品質虛擬仿真實驗的必要性

1.1 當前實驗方法所用學時的限制

根據GB/T 14611—2008[1]，直接發(fā)酵法是將面粉和其他配料混合制成面團后，經90 min 發(fā)酵后成型，醒發(fā)45 min 后入烤箱烘烤，出爐后進行品質評價。除去和面及中間的操作，只計發(fā)酵和醒發(fā)就需135 min，即3 學時。

根據GB/T 35869—2018[2]，快速烘焙法是將面粉粉和其他配料混合制成面團后，經20 min 發(fā)酵后成型，醒發(fā)40 min 后入烤箱烘烤，出爐后進行品質評價。除去和面及中間的操作，只計發(fā)酵和醒發(fā)需要60 min。

根據GB/T 14612—2008[3]，中種發(fā)酵法是先將部分面粉及全部酵母揉混調制成中種面團，經過較長時間發(fā)酵，然后再與剩余的面粉、水及其他配料揉混調制成主面團，經短時間延續(xù)發(fā)酵，進行分割揉圓，中間醒發(fā)和成型，再經過最后醒發(fā)，入爐烘烤。出爐后進行品質評價。其中，中種面團發(fā)酵4 h，主面團延續(xù)發(fā)酵30 min，中間醒發(fā)12~15 min，最后醒發(fā)65 min。除去和面及中間的操作，只計發(fā)酵和醒發(fā)需要350 min，將近8 學時。

在實驗教學大綱要求的6 個學時內，要求學生完成8 個學時的實驗內容，采用3 種方法制備面包，并進行品質評價顯然是不可能的。

1.2 教育信息化時代的要求

為貫徹教育部2018 年發(fā)布《教育信息化2.0 行動計劃》 通知，結合學校特色與教育信息化規(guī)劃，糧油食品學院領導與“食品工藝綜合實驗”課程教學團隊積極開展課程信息化教改。經過多輪研討和論證，形成了“食品工藝綜合實驗”課程教學信息化的共識，并通過虛擬仿真技術手段對小麥粉面包烘焙品質實驗項目進行改革，提出了模擬直接發(fā)酵法、快速烘焙法和中種發(fā)酵法3 種方法制備面包、圍繞實驗室網絡環(huán)境基礎、多媒體可視交流系統(tǒng)、虛擬仿真實驗教學項目等建設內容，設定了課時信息化比例整體達100%。使學生通過虛擬仿真實驗達到實地開展3 種方法制備面包實驗的效果。

2 面包烘焙品質虛擬仿真實驗的實用性

2.1 破解實驗難以全部開展的困局

面包是主食品加工的重要品類之一，面包生產行業(yè)是我國重要的食品加工產業(yè)之一。同時，面包加工過程需要“食品化學”“食品微生物學”“食品工藝學”等多領域知識，掌握面包加工技能可擴展至發(fā)酵面制品加工等其他行業(yè)領域，對學生的食品工程能力培養(yǎng)發(fā)揮著不可替代的作用。針對面包生產實驗實訓時，“面包制備實驗學時不夠”“面包生產實驗勞動強度大”和學生數量大不易安排的老大難問題，教研團隊一直在探索更科學合理的實驗開展方式，但并未在實體環(huán)境下找到切實可行的方案。借助虛擬仿真技術，建設面包加工虛擬仿真項目可以破解學生無法在既定的6 個學時內開展3 種方法制備面包的困局，提升實驗質量。

2.2 貫徹“兩性一度”，融合“課程思政”

根據教育部對課程“兩性一度”的要求，在面包烘焙品質虛擬仿真實驗項目中構建接近實驗室狀態(tài)的虛擬環(huán)境，使學生有身臨其境的感受，并在此環(huán)境下，對學生開展的實驗提出3 種方法制備面包、品質評價、優(yōu)化工藝參數等高階要求；并通過生產不同類型面包，使學生在產品類型和生產工藝創(chuàng)新等多方面提出要求，提升學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)；使學生感受到實驗實操過程的挑戰(zhàn)度提高，激發(fā)學生實驗過程的興趣，從而積極完成虛擬仿真條件下的實驗實操學習。

在模擬仿真實驗實操過程中，將“生產安全”“食品安全”“工匠精神”等思政元素融入實驗過程。

3 面包烘焙品質虛擬仿真實驗的先進性

3.1 實驗資源具有鮮明的專業(yè)特色

虛擬仿真實驗項目依托學校特色——糧油食品加工，結合學校面包產品研發(fā)、工藝設計、品質評價的超強實力和突出能力，而且學校與面包加工的龍頭企業(yè)的良好合作關系，通過面包生產龍頭企業(yè)桃李、盼盼，小麥粉加工龍頭企業(yè)益海嘉里和五得利，面包發(fā)酵劑生產龍頭企業(yè)安琪酵母等一系列面包加工領域的企業(yè)，提供本項目建模所需的生產實景及實用、先進生產技術支持，為構建面包加工虛擬仿真實驗項目模型和數字影像庫提供了優(yōu)質實體實驗材料資源。

3.2 根據“新工科”建設要求進行系統(tǒng)設計

系統(tǒng)根據“新工科”建設和工程教育專業(yè)認證的要求，圍繞OBE 理念開展[4]。以學生為中心，包含有課前了解、實驗訓練、實驗考核、實驗報告、融合與拓展、學情分析、學習資料、研發(fā)團隊等模塊。滿足學生實操實驗需求，突出“兩性一度”和“課程思政融合”的要求，使學生進行創(chuàng)新性、探索性的實驗，并感受到思政元素傳遞的正能量。

3.3 研發(fā)具有知識產權的實驗教學系統(tǒng)

課程教學團隊依據教育部的《教育信息化2.0 行動計劃》，根據軟件系統(tǒng)知識產權法律法規(guī)的規(guī)定，在實驗教學系統(tǒng)中融入多種教學手段，利用“元認知策略”“虛擬現實技術”和“游戲化教學”等近幾年教育教學的新興理念與技術，在虛擬仿真實驗系統(tǒng)研發(fā)過程將沉浸性、交互性、虛幻性和逼真性等貫穿系統(tǒng)中。課程團隊教師與虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)公司的工程師協同合作，使用增強現實（AR）、3D仿真、虛擬現實（VR） 等開發(fā)技術，研發(fā)完全擁有自主知識產權的面包生產及品質評價虛擬仿真系統(tǒng)。

3.4 根據“元宇宙”新形態(tài)發(fā)展持續(xù)改進

根據“元宇宙”理念，依托VR 和Internet 發(fā)展與迭代更新，圍繞信息教育發(fā)展趨勢和糧油食品專業(yè)領域科研最新動態(tài)，在當前增強現實和虛擬仿真技術滿足實驗課程教學需求基礎上，在本項目的虛擬仿真系統(tǒng)中預留后期多次開發(fā)功能和模塊，為滿足持續(xù)改進提供升級空間，未來能與“元宇宙”體系有效對接，拓展本虛擬仿真系統(tǒng)的應用。

4 預期實施效果

面包生產及品質評價虛擬仿真實驗教學軟件開發(fā)后，不但能夠滿足本校師生的使用，還能滿足其他開設本實驗項目的大中院校使用；不僅可以成為傳統(tǒng)實驗操作的有力補充，還可以成為特殊條件下，如新冠疫情下學生進行實驗操作知識學習的重要手段。

4.1 實驗效率將大幅提高

目前，受實驗室面積和設備數量限制，一個實驗室只能容納30 名學生，并分為4~6 人一組同時實驗，而在實際操作中，多數的工藝環(huán)節(jié)只能有1 人進行實踐操作，其他學生只能觀看，采用虛擬仿真平臺可支持1 000 人并發(fā)訪問服務器。

4.2 實驗效果將實質增強

目前，實驗中很多工序都是指導教師在課前完成的，學生在課上只做部分工序。對學生來說，每個工序都是需要掌握的，無法全方位認知面包加工方法、工藝與品質之間的密切聯系，采用虛擬仿真實驗，則可實現全程參與，提高學生的實驗操作水平，激發(fā)學生的學習積極性。

5 結語

針對面包生產實驗實訓時，“面包制備實驗學時不夠”“面包生產實驗勞動強度大”和學生數量大不易安排的問題，借助虛擬仿真技術，建設和設計面包加工虛擬仿真實驗，從而破解學生無法在既定的6 個學時內開展3 種方法制備面包并進行品質評價的困局，提升實驗授課質量。