食用菌罐頭加工虛擬仿真實驗在教學中的應用

魏泉增 孫軍濤 張永清 郭孝輝

罐頭食品是我國的傳統(tǒng)加工食品，由于攜帶和食用方便，儲存時間長，因此備受世界各國消費者的青睞。2021年，我國出口食用菌罐頭量在23萬噸以上，貿(mào)易總額約11億美元。罐頭加工被全國眾多高校食品類專業(yè)列入理論或?qū)嵺`教學環(huán)節(jié)，但卻存在罐頭生產(chǎn)實驗成本高、難以復制罐頭生產(chǎn)現(xiàn)場、實踐教學環(huán)節(jié)課時少及工廠實習存在安全隱患等問題，導致食品相關(guān)專業(yè)罐頭加工實踐教學環(huán)節(jié)存在嚴重不足，直接影響了專業(yè)人才工程實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

虛擬仿真實驗是國家信息化教育戰(zhàn)略的重要實踐內(nèi)容，依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，學生可以隨時隨地在虛擬環(huán)境中開展實驗活動，對實體實驗進行了有益補充。利用虛擬仿真技術(shù)，教師可以將實驗教學中難以理解的知識點傳神地表達出來，使學生更容易掌握、理解、運用，還可以克服實驗場地的不足，實現(xiàn)低成本且不枯燥地授課，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識、科研思維和動手能力。

為解決食品工藝學、果蔬加工工藝學、果蔬貯運學等課程存在的授課方式單一、教學成本高、學生參與度低等問題，許昌學院食品與藥學院采用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建了食用菌罐頭加工制作虛擬仿真實驗系統(tǒng)，用于輔助學生開展食用菌罐頭加工技能學習和生產(chǎn)實習。本虛擬仿真實驗系統(tǒng)包括認識、加工過程、自主練習和線上考核4個模塊，通過系統(tǒng)中的人機交互學習模式，強化了學生對食用菌罐頭加工制作技能和相關(guān)專業(yè)知識的學習，為培養(yǎng)食品專業(yè)高水平人才提供了新的教學思路。

一、傳統(tǒng)實驗教學存在的不足

1.實踐教學資源嚴重不足。近年來，高校的招生人數(shù)逐年增多，再加之有些院校經(jīng)費投入不足，實驗室面積與學生人數(shù)不匹配現(xiàn)象十分突出，導致上實驗課時，一個班的學生被分成若干小組，以小組為單位開展實驗，每個人能夠動手操作的僅是實驗的一部分。對于價格不菲的大型精密儀器，學校通常開展演示實驗，學生很難有動手練習的機會，到企業(yè)實習時又無法對整個產(chǎn)品的制作過程有一個全面的認識，限制了學生的創(chuàng)新能力和動手能力。

2.實驗教學方法簡單、內(nèi)容偏少。傳統(tǒng)的食品加工實驗教學缺乏創(chuàng)新的教學內(nèi)容，實驗課的時間也有限，教師只能挑選容易實現(xiàn)、時間短的實驗，先對實驗原料和所需儀器進行簡單講解，學生再按照講義重復實驗，無法提高學生的學習主動性和積極性。有些學生甚至利用實驗課的時間完成實驗報告，這完全偏離了開設實驗的初衷，也是對實驗資源的浪費。

3.考核方式單一。食品加工實驗課程的考核方式一般是出勤加上實驗報告，并沒有對實驗過程的細節(jié)進行考核。學生只要按照實驗指導書寫好實驗預習，并完成實驗報告書寫，一般就能取得很高的分數(shù)，但這并不能反映學生真實的實驗能力。

二、虛擬仿真實驗教學的優(yōu)勢

1.重復利用教學資源，減少教學投入。食品實驗課上所用的食品加工儀器設備大多笨重且結(jié)構(gòu)復雜，通過教師的簡單講解，學生在短時間內(nèi)并不能完全掌握。虛擬仿真實驗采用動畫，使學生在虛擬環(huán)境中學習整個工藝流程，可以達到事半功倍的效果。虛擬仿真技術(shù)能夠減少實驗教學的投入，減少實驗員準備實驗的工作量，提升學生的實操能力。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，隨時進行講解和答疑，能夠使學生深入了解食品加工過程中的現(xiàn)有技術(shù)，有助于鞏固學生的專業(yè)基礎知識，提高實際動手能力，從而更好地適應未來食品加工企業(yè)的要求。

2.教學內(nèi)容更加充實。由于實驗學時有限，食品加工過程中等待時間長，導致開設的實驗僅是整個食品加工過程中的一小部分，學生只能依靠課下的學習和課上教師簡要的講解了解食品加工的整個過程。而利用虛擬仿真技術(shù)可以充實教學內(nèi)容，學生也可以在有限的實驗課上了解并掌握食品加工原理和過程，取得較好的學習效果。

3.考核評價更加及時?？茖W合理的考核方式能夠幫助教師及時了解學生的學習效果，從而改進教學質(zhì)量、提高教學效果。傳統(tǒng)的考核方法是教師制定評分細則，學生完成教師布置的作業(yè)后，教師根據(jù)評分細則對學生進行評價，而后反饋給學生，具有一定的滯后性。利用虛擬仿真技術(shù)對學生的學習效果進行評分，能夠更加及時全面地掌握學生對整個實驗的掌握情況，使學生在實驗學習中化被動為主動，讓實驗考核評價更及時、全面、客觀，從而提高實驗教學的效果。

三、虛擬仿真實驗的局限性及解決方案

1.虛擬仿真實驗的局限性。與真實場景實驗相比，虛擬仿真技術(shù)在實驗教學方面雖有一定的優(yōu)勢，但是實驗過程太過理想，只要進行相似的操作，就一定能得到相同的結(jié)果，這與實際情況不符。如果是真實的實驗操作，學生可能會遇到這樣或那樣的意外，但虛擬仿真實驗沒有意外，減少了學生之間的團隊合作和交流機會。同時，虛擬仿真實驗大多沒有特色，相似的場景、相似的過程可能會使學生慢慢失去興趣。

2.解決方案。針對虛擬仿真實驗存在的局限性，應盡可能把仿真實驗和真實實驗有機結(jié)合起來，促進高新技術(shù)和實驗教學活動的融合，形成“虛實結(jié)合”的教學體系。

第一，通過線上線下混合教學，即線上設計綜合訓練題目及工藝參數(shù)模擬操作，線下對加工工藝各環(huán)節(jié)進行實際操作，可以讓學生牢記加工的關(guān)鍵步驟，保證操作正確、規(guī)范，大幅提高實驗的正確性與效率，彌補真實實驗在教學資源、設備、流程方面的不足，同時幫助學生克服對實際蔬果罐頭加工環(huán)境陌生造成的迷茫及對現(xiàn)場操作無從下手的畏懼感。罐頭加工虛擬仿真平臺主要包括信息管理、模擬仿真、報告提交和在線交流模塊，通過虛擬仿真技術(shù)，學生可以實現(xiàn)選課預約、預習、實驗、提交實驗報告、提問、討論、在線測驗；教師可以實現(xiàn)規(guī)劃課程、管理學生、發(fā)布公告、發(fā)布課程、問卷調(diào)查、在線批改作業(yè)、在線發(fā)布試題、答疑、分組、成績統(tǒng)計。虛擬仿真平臺也可為學生提供標準實驗模擬、仿真實驗設計、實驗結(jié)果預測等功能，提高學生的邏輯思維能力、創(chuàng)新實驗設計能力和綜合實踐能力。

第二，立足許昌學院，建設有特色的虛擬仿真實驗。立足輕工行業(yè)需求及罐頭在中國食品行業(yè)的影響力，依托許昌學院食品與藥學院食品科學河南省重點學科、食品質(zhì)量與安全河南省一流本科專業(yè)、河南省食品安全生物標識快檢技術(shù)重點實驗室、食品醫(yī)藥與健康專業(yè)集群、食品醫(yī)藥與健康產(chǎn)業(yè)學院等平臺，與河南世紀香食用菌開發(fā)有限公司合作，為學生開展探究性學習、自主實驗和創(chuàng)新實踐提供先進手段，解決了罐頭加工實驗投入大、能耗高、風險大、難觀測等問題，以及由于罐頭生產(chǎn)過程耗時長且不可逆而不便于采用真實實驗進行教學的問題。

四、食用菌罐頭加工制作

虛擬仿真實驗教學的具體實施

以白靈菇為原料，設計完整的罐頭加工工藝，將分散的專業(yè)知識點串聯(lián)成一個系統(tǒng)工程，通過三維構(gòu)建與數(shù)值模擬，將系統(tǒng)設計、教學實施以及學生評價三方面有機結(jié)合。

1.實驗教學流程。（1）實驗預習。學生在課前進入許昌學院教學示范中心，點擊虛擬仿真模塊，選擇“白靈菇虛擬仿真實驗”，輸入學號和密碼，通過觀看平臺提供的認知模塊，了解白靈菇的相關(guān)信息，包括白靈菇簡介、形態(tài)特征、生長條件、栽培技術(shù)和營養(yǎng)價值；通過加工過程模塊，學習任務操作后進入仿真工廠進行相應操作，對于初次仿真模擬學習中遇到的問題，學生之間要進行討論并反饋給教師；通過自主練習模塊，使學生加深對白靈菇生產(chǎn)過程的了解。（2）課堂實驗操作。教師進行白靈菇罐頭的加工講解，通過屏幕廣播的形式將操作要點呈現(xiàn)給學生；學生再次操作軟件，完成實驗過程；學生掌握了白靈菇的操作要點后，進入線上考試模塊，完成自我測試。（3）報告及評價。學生完成現(xiàn)實考試模塊后，成績會立即反饋給教師，成績包括虛擬軟件操作評分、測試題得分和實驗報告得分。教師根據(jù)學生成績，當堂對學生進行有針對性的講解，使學生更快掌握白靈菇罐頭的操作要點。

2.虛擬仿真軟件的具體操作。在虛擬仿真界面，用鼠標點擊進入白靈菇罐頭加工的不同生產(chǎn)模塊，包括原料驗收、去除包裝、漂洗、預煮護色、冷卻、清洗、挑選分級、灌裝等單元，了解各個單元操作的布局。

進入生產(chǎn)車間，首先是原料驗收，了解原料驗收的基本過程及檢測項目；再切換到包裝，鼠標滑過白靈菇的包裝帶；接下來進入漂洗環(huán)節(jié)，這里有相應的功能及方法信息提示；然后是預煮護色，如圖1所示。

圖1：白靈菇預煮護色單元操作

接著是冷卻單元操作，了解冷卻溫度和冷卻時間，進入冷卻、清洗、挑選分級、灌裝、殺菌、入庫、儲藏單元進行操作，同時切換到不同視角，對不同的單元操作過程進行回顧。車間整體布局如圖2所示。

圖2：車間整體布局

綜上，許昌學院食品科學與工程專業(yè)注重“虛實結(jié)合”實踐教學體系建設，學生通過虛擬仿真實驗教學平臺完成在線學習及真實操作，提高了自主學習和實踐能力，為之后從事研發(fā)、生產(chǎn)、管理等工作打下了堅實基礎。

基金項目：教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目（220606707194726）；河南省2021年度本科高校虛擬仿真實驗教學項目（253）；許昌學院招標教研項目（XCU2022-ZB-03）；許昌學院研究性教學系列項目（XCU2022-YJXJG-007）。

作者簡介：魏泉增（1983-），男，副教授，博士，研究方向為發(fā)酵食品成分檢測。