基于互聯(lián)網(wǎng)的免費食品加工虛擬實驗

趙學偉,張 華

(1.鄭州輕工業(yè)大學食品與生物工程學院,河南 鄭州 450001;2.河南省冷鏈食品質(zhì)量安全控制重點實驗室,河南 鄭州 450001)

實驗教學有利于學生加深對理論教學內(nèi)容的理解,是整個教學活動的重要環(huán)節(jié)。通過實驗教學還可以增強學生的動手能力、溝通能力、合作能力等。工程教育認證現(xiàn)已成為我國高等教育的重要組成部分,其最終目標是培養(yǎng)一名合格的工程師[1],而實驗教學是培養(yǎng)學生解決復雜問題能力的重要環(huán)節(jié)。

由于受學時和實驗條件的限制,傳統(tǒng)的動手實驗很難保證每個學生得到均等的訓練機會,也很難驗證多個假設條件下的實驗結果。虛擬實驗除具有投資少等優(yōu)點外,通常以形象生動的畫面顯示結果,很容易激起學生的學習興趣[2]。在虛擬實驗平臺上,學生可以方便地改變輸入條件,基于不同的假設和模型輸入,得到不同的結果,驗證不同的方案或預想[3],這有助于培養(yǎng)學生的發(fā)散思維能力,還可以提高學生的參與度,觀察到難以測定的參數(shù)。

虛擬實驗在國外早有應用,這幾年在我國也得到了很大發(fā)展。Zillesen最早于1993年[4]將教學模擬軟件應用于食品及生物工程的教學。Rabi等[5]將食品自然對流冷卻的計算機流體力學模擬引入食品工程的教學中。近年來,虛擬實驗在我國食品專業(yè)的教學實踐中已有應用,但重點是實驗操作[6]或檢測[7]。與此相比,國外的虛擬實驗更注重基于工程原理對加工過程進行理論計算[8],近幾年在可視化、復雜程度[9,10]以及應用范圍[11]方面也在逐步提高。盡管文獻中報道了一些虛擬實驗軟件[2,6,7,11],但都不能免費使用。這里介紹一些筆者在教學過程中接觸到的幾個免費的食品加工虛擬實驗網(wǎng)絡資源,這些資源,有的僅可以在線運行,有的還可以下載,在一定的計算機環(huán)境下運行。希望這些資源能夠?qū)處煹膶嶒灲虒W有幫助,提高學生的工程計算和分析能力。

1 R. Paul Singh教授建立的虛擬實驗平臺

該平臺(http://www.rpaulsingh.com/learning/virtual/virtual.html)為美國加利福尼亞大學戴維斯分校生物與農(nóng)業(yè)工程系、食品科學與技術系的食品工程教授R. Paul Singh所創(chuàng)建。共包括23個實驗,點擊每個實驗后,彈出該實驗的界面,每個實驗都包含如下內(nèi)容:概述:主要介紹實驗目的和教學目標;工業(yè)系統(tǒng):主要介紹該實驗內(nèi)容在工業(yè)上的應用或重要性;實驗步驟:十分簡要地描述了實驗過程,必要時附有圖片;理論:介紹該實驗的理論基礎,必要時給出了數(shù)學公式;虛擬實驗:該軟件的特點是涉及的很多參數(shù)(包括食品的、介質(zhì)的)都可以人為設定,采用滑塊或直接輸入數(shù)據(jù),點擊開始實驗,曲線呈動態(tài)變化顯示結果,有些實驗還配有云圖,實驗數(shù)據(jù)輸出為csv文件,可以采用Excel打開后自己進行數(shù)據(jù)分析;數(shù)據(jù)分析:這是該軟件的亮點,一步步地介紹了如何在Excel中處理實驗數(shù)據(jù),必要時還輔以圖片;此外,還有討論、網(wǎng)絡資源、參考文獻3方面的內(nèi)容。現(xiàn)將該平臺中各實驗的名稱、內(nèi)容簡介及分析操作的主要內(nèi)容匯總于表1,便于教學過程中合理選用。

表1 R. Paul Singh虛擬實驗平臺實驗項目主要信息匯總

R. Paul Singh于2004年編寫了《Virtual experiments in food processing》一書,2009年又與土耳其安卡拉大學食品工程系的F. Erdogdu教授合編了該書的第二版,將實驗增加到27個。與新書配套的虛擬實驗軟件僅有光盤版。目前已有30多個國家購買了該軟件,美國有10多所大學將該虛擬實驗用于教學[12]。

2 FEPSIM虛擬實驗平臺

該平臺的網(wǎng)址為http://fepsim.food.teithe.gr/fepsim/Default.aspx,來自希臘亞歷山大技術教育學院食品技術系的食品工程過程模擬模塊(FEPSIM)項目。該項目的目的是為教師提供一個可視化的計算工具以加強課堂教學的理論分析部分,幫助學生更好地理解食品加工過程中的一些現(xiàn)象。平臺構建所需的底層數(shù)據(jù)來自采用Matlab、ANSYS CFX/FLUENT軟件對過程的模擬計算[9]。該平臺共有9個虛擬實驗,每個實驗的界面包括3部分:上方為參數(shù)輸入窗口、過程示意圖或模擬動圖及模擬結果線圖;中間有背景知識和使用說明兩個按鍵;下面有多道測試題,采用選擇題的形式。下面簡要介紹各實驗的特點和功能:

(1)等溫管流?？蛇x用的物料包括水、油、果汁、西紅柿醬、淀粉懸混液,管徑0.1m、管長30m。在選定流體、流速和管壁的粗糙度以后,點擊“update”按鈕,物性參數(shù)自動賦值。然后點擊運行按鈕,開始顯示流體流動的動圖,運行結束后,在最下面以線圖形式給出壓力降沿管長的變化。

(2)非等溫管流。流體僅有水和油兩種,管徑0.1m、管長30m、流體初始溫度291K都為定值,設定流速、外部加熱流體的溫度和對流換熱系數(shù)。最下面的線圖顯示溫度和通過管壁的熱通量隨時間的變化。

(3)多層圓筒穩(wěn)態(tài)傳熱。先選定內(nèi)、外流體的溫度和對流傳熱系數(shù)、內(nèi)管管徑(1-3層,可選),再定義各層的厚度及熱導率。點擊刷新,線圖顯示溫度和熱通量沿管徑方向上的變化,三維的過程示意圖也給出溫度變化曲線,可以進行圖的旋轉和拖動。

(4)多層大平板穩(wěn)態(tài)傳熱?？梢栽O定大平板兩側的對流傳熱系數(shù)、溫度,以及平板的數(shù)量、每個板的厚度和熱導率。點擊刷新即呈現(xiàn)實驗結果。

(5)套管換熱器。管內(nèi)流體可以是水或乙醇,管外流體只能是水;可以是同向流或逆流。選定兩流體的流速和進口溫度,點擊刷新以后,二流體的密度、黏度、熱導率、比熱自動賦值,最下方的線圖給出管壁熱通量及溫度沿管長的變化。

(6)罐頭殺菌。罐頭的尺寸一定、初溫一定,實驗材料可以是水、濃縮牛奶或熟牛肉,可以勾選是否考慮自然對流。選定外部加熱介質(zhì)的溫度和加熱介質(zhì)與罐頭之間的對流換熱系數(shù)后,點擊運行,動圖顯示殺菌過程中的溫度分布,線圖顯示罐頭中心溫度和F值隨殺菌時間的變化。

(7)攪拌容器內(nèi)液態(tài)食品加熱。圓柱形容器的尺寸和食品初溫固定,物料可以是水或濃縮牛奶,勾選是否考慮自然對流。選定攪拌子的轉速和對流傳熱系數(shù)后,點擊運行,線圖給出平均溫度隨時間的變化。

(8)批量式質(zhì)量守恒操作。先加載各種物料組分,定義容器容量,然后通過編輯按鈕定義容器內(nèi)的各組分質(zhì)量分數(shù),根據(jù)實際情況選擇性定義進、出容器的每個物料流中各組分的質(zhì)量分數(shù)和質(zhì)量流量,然后點擊計算即可。

(9)連續(xù)式質(zhì)量守恒操作。參數(shù)設置與批量式連續(xù)操作的基本相同,要對每一個分步驟進行定義。

R. Paul Singh平臺中所涉及的計算較為簡單,對于一些復雜過程,如果蔬的水冷卻、食品的熱風干燥,在分析計算時都做了簡化處理。與此相比,FEPSIM平臺中涉及的數(shù)值計算較為復雜,其實際的模擬運算結果是借助于專業(yè)軟件得到的,進行了數(shù)據(jù)整合和可視化處理。該平臺的不足在于物料選項有限,一些模塊中的物料的初溫也不可變,但已能夠滿足教學要求。

3 MESTRAL平臺

MESTRAL是食品加工建模與模擬的法語首字母縮寫,受法國的AgreenCamp項目資助而新近創(chuàng)建,在線平臺上有15個模塊,各模塊的主要信息匯總于表2。

表2 MESTRAL平臺中各模塊主要信息

續(xù)表2 MESTRAL平臺中各模塊主要信息

MESTRAL的每一個模塊除含有一個模擬器外,還包含豐富的上下文信息和背景知識介紹,這些內(nèi)容以概念圖和知識卡的形式呈現(xiàn)。概念圖采用Novak &Gowin[13]提出的標準式樣,且是多層次嵌套的,基于本體論從4個大的方面建立鄰近層概念之間的關系,相互間有超鏈接[14]。每個模塊都有習題和試題來幫助鞏固已學的知識。因此,該平臺實際上是一個很強的在線學習工具,這也是該平臺的顯著特點。

與上述兩虛擬實驗平臺相比,這里所模擬的過程更接近實際生產(chǎn)過程,從單元操作(如香蕉油炸)到物流鏈(如火腿冷鏈)。很多模型都是基于已發(fā)表的論文,復雜程度更高,計算方法也更復雜,適合食品工程專業(yè)碩士或博士研究生使用。美中不足的是僅“風味釋放”模塊翻譯成英文,其他還是法文。

4 可用于免費食品加工虛擬實驗的其他平臺

還有一些免費的網(wǎng)絡資源或許并非用于教學目的,但的確可用于食品虛擬實驗教學,現(xiàn)介紹如下:

4.1 Wolfram演示軟件

Wolfram 演示項目(https://demonstrations.wolfram.com/)是由Wolfram 研究公司發(fā)起并托管,根據(jù)其創(chuàng)始人Stephen Wolfram 命名。Wolfram 演示項目收集很多由世界各地的Mathematica用戶編寫并上傳的交互式演示軟件,現(xiàn)已超過12,000個,免費下載。其中關于傳熱、傳質(zhì)、流體流動、加工單元操作的,以及一些關于食品力學性質(zhì)、質(zhì)構等品質(zhì)特性的,都可以用于虛擬實驗教學[15]。很多關于化工單元操作的演示軟件實際上也是有使用價值的。熱殺菌是最為常用的單元操作,UMASS 大學的Peleg 教授[16]編寫了很多這方面的演示軟件,除多個用于模擬微生物生長外,還有多個是關于致死率的,包括: 微生物、細胞、孢子致死的概率模型、隨機模型、Weibull 模型等,致死處理可以是熱、冷、化學保藏劑等。演示軟件所需的播放器下載地址為https://www.wolfram.com/player/。打開下載文件后,界面上方是參數(shù)設定及結果顯示圖,下面有關于該模型構建的說明及參考文獻,給出該模型構建的理論依據(jù)。

4.2 兩個模擬熟制的軟件

美國弗吉尼亞大學機械與航空工程系的Robert J. Ribando教授的個人主頁(https://www.robertribando.com/)中有多個傳熱傳質(zhì)教育軟件,每個軟件可單獨下載。其中有一個稱為烤肉(Cooking roast)的軟件。將烤肉看作是圓柱體,熱風與烤肉之間為對流傳熱、烤肉內(nèi)部為傳導傳熱。通過參數(shù)輸入定義了樣品的幾何尺寸、熱物性以及對流傳熱系數(shù)以后,點擊“Cook it!”運行軟件,以云圖形式顯示烤肉內(nèi)部的溫度變化過程,同時彈出一個窗口,以線圖實時顯示表面上的中間位置以及中心位置的溫度隨時間的變化。該軟件還可以通過定義樣品的介電損耗因子來添加內(nèi)部熱源,定義外界溫度用于計算表面的對外熱輻射通量,從而模擬微波加熱烤肉過程。在運行的過程中可以隨時點擊“Slice”以云圖顯示沿徑向切面的溫度分布。通過File下的save data可以將數(shù)據(jù)拷貝然后存入其他文件。如果勾選Meat Colors則圖中云圖顯示的不是溫度而是烤肉的顏色。實際上,如果物性參數(shù)定義為其他食品(如土豆)的也可以,這時模擬的就是烤土豆。

在Comsol的用戶論壇里有一個名稱為Patty Cooking(烤肉餅)程序(https://cn.comsol.com/model/convection-cooking-of-chicken-patties-448),可以免費下載。如果安裝有Comsol軟件,該程序是作為應用實例而包含在安裝包里的。該程序模擬圓形肉餅在底面是鐵板加熱、其他表面是對流傳熱的烤制過程中肉餅的溫度及水分含量的變化,由于Comsol的強大功能,通過后處理還可以展示烤制過程很多物理參量的變化過程。Comsol中打開該文件,配套的PDF文檔有指導建模的詳細步驟,也是通過上述鏈接下載,學生可以根據(jù)指導自己需求建模。實際上,建模訓練是培養(yǎng)學生真正具有解決實際工程問題能力所必不可少的環(huán)節(jié)。

5 結 論

文本介紹了可用于食品工程專業(yè)教學的虛擬實驗免費網(wǎng)絡資源,所涉及的實驗項目十分廣泛,從基本的熱質(zhì)傳遞、流體流動,到獨立的單元操作,再到整個物流鏈,模擬手段多樣化,復雜程度不一。其共同特點是:可以改變實驗條件,形象地展示實驗結果,具有很好的互動性,所展示的數(shù)據(jù)結果都是基于對過程的模擬計算。這些資源基本可以滿足食品工程專業(yè)實驗教學過程中多方面、多層次的需求。希望本文所介紹的內(nèi)容能對國內(nèi)食品虛擬實驗資源的開發(fā)有一定的借鑒意義。