虛擬仿真技術(shù)在“乳品工程”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

李曉東，張秀秀，鄭冬梅，崔立雪，張宏偉，徐 漸，于曉雪，劉 璐

（1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150030；2. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)乳品科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150030）

隨著我國乳品工業(yè)的快速發(fā)展，各大乳品企業(yè)新設(shè)備及技術(shù)已達(dá)到甚至超過國外發(fā)達(dá)國家的水平，熟悉工藝和操控的人才嚴(yán)重短缺，迫切需要相關(guān)院校提供此類專業(yè)人才。乳品工程作為工科類專業(yè)，實(shí)踐是至關(guān)重要的，但是僅依靠乳品實(shí)驗(yàn)操作是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，學(xué)生對(duì)于接觸工廠大型儀器的生疏變成了制約乳品專業(yè)人才培養(yǎng)的瓶頸。對(duì)乳品專業(yè)人才實(shí)踐能力的要求也由簡單的專業(yè)技術(shù)和理論能力轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)思維能力、工程實(shí)踐能力、團(tuán)結(jié)協(xié)作能力和工作適應(yīng)能力相一致的綜合水平[1]。

虛擬仿真教學(xué)是一種新的高等教育教學(xué)模式，是高等教育信息化發(fā)展的內(nèi)部需求，也就是說，其有助于擴(kuò)大乳制品教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，為實(shí)踐教學(xué)節(jié)省時(shí)間和空間，有效地提高了教學(xué)質(zhì)量和水平[2]。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

“乳品工程”的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)都是圍繞小型實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。首先，學(xué)生通過理論知識(shí)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)方案，然后在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行修改，最后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)踐。在這個(gè)過程中，學(xué)生可進(jìn)一步理解理論知識(shí)的含義，培養(yǎng)創(chuàng)新和動(dòng)手能力。然而，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中仍存在一些問題，具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

（1） 受儀器設(shè)備的制約。實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的乳品實(shí)驗(yàn)并不適合真正的工廠使用，當(dāng)乳制品真正投入工廠加工時(shí)，需要借助各種大型機(jī)械設(shè)備才能完成，而這些設(shè)備存在價(jià)格昂貴、占地面積大、操作復(fù)雜，且損壞后的維修費(fèi)用高等問題。因此，由于經(jīng)費(fèi)和實(shí)驗(yàn)場地的限制，學(xué)校平臺(tái)不可能購置大量的大型生產(chǎn)設(shè)備，這使得工藝實(shí)驗(yàn)與生產(chǎn)實(shí)際脫節(jié)。目前，實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)備，僅僅用于展示原理和作坊式實(shí)驗(yàn)，生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)無法開展，稍有不慎就可能導(dǎo)致不同程度的設(shè)備損壞甚至人員傷亡事故，實(shí)驗(yàn)教學(xué)因此出現(xiàn)短板。

（2） 受教學(xué)手段的制約。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中很難保證每個(gè)學(xué)生都有親自動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，單靠教師做演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)于設(shè)備的有些內(nèi)部結(jié)構(gòu)很難直觀看到，不能真正理解設(shè)備的工作原理[3-4]。

（3） 受教學(xué)時(shí)間的制約。由于實(shí)驗(yàn)課的課時(shí)數(shù)較少，一些耗時(shí)較長實(shí)驗(yàn)只能簡單進(jìn)行原理講解與操作演示。例如，乳品實(shí)驗(yàn)中涉及的“干酪的制作”，應(yīng)為重點(diǎn)環(huán)節(jié)，但由于干酪加工過程較長，學(xué)生不能全程實(shí)踐發(fā)酵、凝乳、加鹽及壓榨等制作過程[5]。由于食品安全和生產(chǎn)成本等因素，乳品企業(yè)一般也不接受學(xué)生參與一線生產(chǎn)，學(xué)生只能進(jìn)行觀摩教學(xué)。

（4） 受考核方式的制約。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室課程考核中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是成績的主要評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，但這會(huì)導(dǎo)致學(xué)生更加注重結(jié)果而輕視實(shí)驗(yàn)過程[6]。完整的實(shí)驗(yàn)過程應(yīng)包括預(yù)習(xí)、準(zhǔn)備、操作、結(jié)果記錄、數(shù)據(jù)處理及誤差分析，除此之外還有一些自主性的創(chuàng)新和突發(fā)問題的應(yīng)變。但目前傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)會(huì)忽略這些步驟。甚至有部分學(xué)生根本不動(dòng)手操作，只等待實(shí)驗(yàn)結(jié)果來撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

2 虛擬仿真在“乳品工程”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐與探索

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

虛擬仿真是利用了虛擬現(xiàn)實(shí)、網(wǎng)絡(luò)通訊和人機(jī)交互等重要信息化技術(shù)形成的一種高級(jí)的教學(xué)輔助系統(tǒng)[7]，在1971 年開始進(jìn)行應(yīng)用性研究，早期主要應(yīng)用在軍事、航空航天、航海等高精尖領(lǐng)域，2016 年呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。在教育部建設(shè)300 家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心項(xiàng)目的推動(dòng)下，各個(gè)高校也興起應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)服務(wù)教學(xué)實(shí)踐，在應(yīng)用中獲得良好的效果。

虛擬仿真教學(xué)是一種面向現(xiàn)代化的新型高等教育教學(xué)模式，是高等教育信息化發(fā)展的內(nèi)在要求。自2013 年教育部啟動(dòng)建設(shè)國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心以來，已批準(zhǔn)建設(shè)了300 多個(gè)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，覆蓋27 個(gè)省、204 所高校[8-9]。虛擬仿真技術(shù)在“乳品工程”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過虛擬現(xiàn)實(shí)仿真乳品技術(shù)直觀展示加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)，且現(xiàn)實(shí)難以實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目的全過程模擬，依靠電腦，可完成整個(gè)大型乳品企業(yè)在消毒、原料驗(yàn)收、預(yù)處理、發(fā)酵、真空濃縮、噴霧干燥等中的所有復(fù)雜的過程。集仿真、安全、專業(yè)、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)于一體，有效地增強(qiáng)了學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足。

（1） 解決工藝設(shè)備問題。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以建立虛擬的生產(chǎn)線和乳品工廠布局，可以讓學(xué)生提前練習(xí)，為實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作奠定基礎(chǔ)，有效解決了人才培養(yǎng)需求與設(shè)備條件的沖突。

（2） 提升學(xué)生實(shí)踐能力。對(duì)于虛擬仿真操作而言，每名學(xué)生都有上機(jī)的機(jī)會(huì)，可直觀地學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)或設(shè)備原理，以動(dòng)畫的形式直觀和形象地展示原理，仿佛身臨工廠一線，給學(xué)生最佳的操作視角，不但避免了實(shí)際中機(jī)械損壞的危險(xiǎn)，同時(shí)也讓學(xué)生鍛煉了操作反應(yīng)能力。

（3） 打破時(shí)空限制。虛擬仿真能夠有效克服課時(shí)和資源的限制，不受時(shí)間、場地的影響，具有危害小、可重復(fù)、延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間、增強(qiáng)學(xué)生自主性等優(yōu)點(diǎn)，使培養(yǎng)目標(biāo)更易實(shí)現(xiàn)[10]。

（4） 過程化考核。虛擬仿真可進(jìn)行自主考核，自動(dòng)評(píng)分，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)允許上機(jī)考核多次，取最高分作為最終成績。同時(shí)，教師可通過評(píng)分系統(tǒng)及時(shí)了解學(xué)生知識(shí)體系的不足，對(duì)學(xué)生的指導(dǎo)更加有針對(duì)性，提高教學(xué)效率和質(zhì)量。學(xué)生也可在練習(xí)模式下可以參照評(píng)分系統(tǒng)進(jìn)行操作并找到扣分點(diǎn)。

2.2 虛擬仿真教學(xué)活動(dòng)的組織與實(shí)施

將虛擬仿真平臺(tái)和現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源相結(jié)合，對(duì)于充分發(fā)揮信息化教學(xué)的優(yōu)勢十分重要。如何協(xié)調(diào)好虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)系，做到“線上線下虛實(shí)結(jié)合”，對(duì)于切實(shí)提高“乳品工藝”實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果也具有深刻的意義[11]。以東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)——乳粉為例，具體的實(shí)施過程如下：

（1） 教師講解。教師進(jìn)行嬰兒配方乳粉工藝的講解，重點(diǎn)講解理論課上難以講解明白、較為抽象的知識(shí)點(diǎn)，以先進(jìn)的嬰兒配方乳粉廠的虛擬模型為案例著重生產(chǎn)的整體布局和具體工藝的操作參數(shù)和步驟。

（2） 師生互動(dòng)。教師指導(dǎo)學(xué)生操作軟件，回答學(xué)生提出的問題，總結(jié)并講解共同性問題。

（3） 課上練習(xí)。學(xué)生對(duì)乳粉加工虛擬仿真件進(jìn)行操控，軟件的試卷系統(tǒng)實(shí)時(shí)給出操作是否正確和當(dāng)前得分。學(xué)生根據(jù)掌握的知識(shí)并參照筆記和講義，依照給定的配方乳粉配方和生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行各個(gè)物料的衡算；根據(jù)產(chǎn)品工藝要求設(shè)定各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)；調(diào)節(jié)各個(gè)閥門和工藝設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；調(diào)整物料、工藝用水和蒸汽的使用；最終完整地實(shí)施配方乳粉的虛擬生產(chǎn)。

（4） 課前課后自主練習(xí)。學(xué)生通過“乳品工程”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心網(wǎng)站下載乳粉加工虛擬仿真軟件，通過學(xué)號(hào)和密碼登錄后進(jìn)行自主操作練習(xí)，通過試卷評(píng)定系統(tǒng)找到自己操作的扣分點(diǎn)，通過反復(fù)操作熟練掌握配方乳粉加工工藝流程。

（5） 自助考核。學(xué)生輸入學(xué)號(hào)后自助進(jìn)行乳粉加工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)百分制上機(jī)考核，系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)分收集成績，得分在70 分以上為合格，得分在80 分以上為良好，得分在90 分以上為優(yōu)秀，學(xué)生可以在規(guī)定時(shí)間內(nèi)反復(fù)考核，取最高分作為最終成績。

在虛擬仿真教學(xué)活動(dòng)的組織與實(shí)施過程中應(yīng)注意如下問題：

（1） 以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以虛擬仿真為輔助。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以直觀地觀察實(shí)驗(yàn)過程，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和誤差。然而，在虛擬實(shí)驗(yàn)中，現(xiàn)實(shí)中許多情況并不能完全呈現(xiàn)出來，從而導(dǎo)致許多錯(cuò)誤被忽略。但是，這些錯(cuò)誤可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)很大的錯(cuò)誤甚至失敗。因此，虛擬仿真與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)相輔相成，合理分配。

（2） 尊重客觀規(guī)律。在利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)時(shí)，一定要以客觀規(guī)律為依據(jù)來設(shè)定實(shí)驗(yàn)器材、過程和結(jié)果，否則會(huì)讓學(xué)生誤以為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)，而忽視了真實(shí)實(shí)驗(yàn)的重要性[12]。

（3） 增設(shè)教師講解環(huán)節(jié)。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的過程中，應(yīng)涵蓋相應(yīng)的介紹和幫助。在構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)時(shí)，應(yīng)加入課前指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的重難點(diǎn)講解、實(shí)驗(yàn)操作過程中結(jié)果誤差原因分析。增加教師線上答疑模塊，促進(jìn)師生之間的互動(dòng)與交流，讓學(xué)生有效地掌握工程知識(shí)。

（4） 重視操作過程的監(jiān)督。實(shí)時(shí)監(jiān)控每名學(xué)生的操作過程，對(duì)問題進(jìn)行記錄?？蛇m當(dāng)增設(shè)設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)。

（5） 加強(qiáng)虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目的維護(hù)。目前，有些平臺(tái)上的虛擬仿真項(xiàng)目網(wǎng)站無法打開，沒有相關(guān)人員進(jìn)行維護(hù)。應(yīng)該重視完善和形成高質(zhì)量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程體系，形成更專業(yè)、完整的課程體系。

2.3 虛擬仿真在“乳品工程”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐應(yīng)用

以東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院“乳品工程”實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，乳品工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心初步建成的乳品工程虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)擁有“虛擬乳制品生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源”“乳品儀器分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源” “乳品工程原理3D 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源”。

（1） 乳品生產(chǎn)虛擬仿真教學(xué)資源。由乳粉虛擬仿真生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)?zāi)K和干酪虛擬仿真生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)?zāi)K組成，可進(jìn)行配方粉虛擬生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)、干酪虛擬生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)、常見故障識(shí)別與排除實(shí)驗(yàn)和機(jī)械設(shè)備實(shí)驗(yàn)。

在乳粉實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，噴霧干燥是典型的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，也是實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)。當(dāng)引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生可先進(jìn)行噴霧干燥的仿真運(yùn)行，熟悉噴霧干燥系統(tǒng)的組成，獨(dú)立地選擇樣本的濃度，滿足在不同樣品濃度的需求。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作過程中，學(xué)生可熟練地按照噴霧干燥的實(shí)驗(yàn)步驟操作，提高實(shí)驗(yàn)效率，降低實(shí)驗(yàn)操作的錯(cuò)誤率。通過虛擬與真實(shí)相結(jié)合的教學(xué)模式，使學(xué)生深入了解和掌握噴霧干燥系統(tǒng)的組成和工作過程，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的[4]。干酪在工業(yè)生產(chǎn)中涉及干酪槽、殺菌、壓榨等設(shè)備。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可通過奶酪槽的模擬操作界面，通過調(diào)節(jié)發(fā)酵劑、氯化鈣和凝乳酶的用量來控制奶酪的發(fā)酵和凝結(jié)過程。有助于學(xué)生熟悉和掌握干酪生產(chǎn)工藝流程和關(guān)鍵工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，以及干酪槽、滅菌設(shè)備和壓榨機(jī)的操作和調(diào)節(jié)[4]。

乳制品生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源教學(xué)體系見圖1，乳制品生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源見圖2。

圖1 乳制品生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源教學(xué)體系

圖2 乳制品生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源

（2） 乳品儀器分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。由液相色譜、氣相色譜、氣質(zhì)聯(lián)用、原子吸收、紫外-可見吸收和冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡六大仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K構(gòu)成。以真實(shí)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫作為支撐，學(xué)生可進(jìn)行虛擬儀器操作、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析。

乳品儀器分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源教學(xué)體系見圖3，乳品儀器分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源實(shí)驗(yàn)場景見圖4。

圖3 乳品儀器分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源教學(xué)體系

圖4 乳品儀器分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源實(shí)驗(yàn)場景

（3） 乳品工程原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。學(xué)生通過流體綜合實(shí)驗(yàn)、傳熱實(shí)驗(yàn)、攪拌器性能測定實(shí)驗(yàn)和精餾實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)掌握抽象的設(shè)備原理。

乳品工程原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源實(shí)驗(yàn)場景見圖5。

圖5 乳品工程原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源實(shí)驗(yàn)場景

3 結(jié)語

構(gòu)建基于虛擬仿真的在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，結(jié)合傳統(tǒng)的線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，是“乳品工程”實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革的一個(gè)重要方向。其集理論、設(shè)備、仿真于一體，充分發(fā)揮傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢，堅(jiān)持“以學(xué)生為中心、以生產(chǎn)為導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的原則，解決了傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的瓶頸問題，達(dá)到利用高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提高教育質(zhì)量的目的。