工科仿真實(shí)踐教學(xué)用工具的開(kāi)發(fā)*——檸檬酸發(fā)酵生產(chǎn)仿真軟件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

◆趙海波 林劍 于貞 姜愛(ài)莉

作者：趙海波，煙臺(tái)大學(xué)海洋學(xué)院講師，研究方向?yàn)楣た茖?shí)驗(yàn)教學(xué)改革；林劍，煙臺(tái)大學(xué)生命學(xué)院副教授；于貞，煙臺(tái)大學(xué)生命學(xué)院講師；姜愛(ài)麗，煙臺(tái)大學(xué)生命學(xué)院教授（264005）。

1 前言

實(shí)踐教學(xué)是高等工科教育教學(xué)中的重要組成部分。通過(guò)實(shí)踐教學(xué)，可以幫助學(xué)生鞏固課堂知識(shí)、培養(yǎng)其專(zhuān)業(yè)基本技能、養(yǎng)成并具備良好的創(chuàng)新習(xí)慣。可是，在實(shí)際教學(xué)實(shí)施過(guò)程中存在諸多問(wèn)題。

首先，能夠接受學(xué)生去實(shí)習(xí)的企業(yè)數(shù)量有限，學(xué)生數(shù)量又較多，都到企業(yè)或工廠進(jìn)行實(shí)習(xí)，給工廠帶來(lái)較大的壓力。

其次，工廠現(xiàn)在都是大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)過(guò)程要求連續(xù)穩(wěn)定，導(dǎo)致學(xué)生在生產(chǎn)實(shí)習(xí)時(shí)只能看不能動(dòng)手操作，難以完成生產(chǎn)實(shí)習(xí)的教學(xué)目標(biāo)。

最后，隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)有大型生產(chǎn)裝置日益系統(tǒng)化、自動(dòng)化，導(dǎo)致學(xué)生只能觀察和了解整個(gè)系統(tǒng)的表面，無(wú)法深入學(xué)習(xí)，難以提高教師和學(xué)生的積極性，生產(chǎn)實(shí)習(xí)的效果很差。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

在增加硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備難以立即實(shí)現(xiàn)的情況下，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，開(kāi)發(fā)適合于專(zhuān)業(yè)需求的實(shí)驗(yàn)與操作實(shí)習(xí)仿真軟件成為解決當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在問(wèn)題的一個(gè)重要途徑。區(qū)別于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)不需要實(shí)物形態(tài)工具與對(duì)象，實(shí)驗(yàn)時(shí)主要是針對(duì)軟件設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器進(jìn)行。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)借助面向?qū)ο缶幊誊浖c多媒體制作技術(shù)，制作與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作相對(duì)應(yīng)的軟硬件條件。學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)中可像在真實(shí)環(huán)境中一樣實(shí)現(xiàn)各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)結(jié)果甚至優(yōu)于實(shí)際實(shí)驗(yàn)。可見(jiàn)，計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)可輔助、部分替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作。仿真實(shí)驗(yàn)提供了友好、操作方便的教學(xué)環(huán)境，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣也大大提高。仿真實(shí)驗(yàn)與互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)結(jié)合后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)鏈接，學(xué)生可在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)空間和時(shí)間的限制，同時(shí)能大幅降低實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。

當(dāng)前，計(jì)算機(jī)仿真在工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中已經(jīng)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。以生物工程專(zhuān)業(yè)為例，煙臺(tái)大學(xué)就已經(jīng)開(kāi)發(fā)完成一套谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)仿真軟件，實(shí)現(xiàn)了谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)與分離提取過(guò)程的形象化與動(dòng)態(tài)模擬。該軟件在山東輕工業(yè)學(xué)院、青島農(nóng)業(yè)大學(xué)、文經(jīng)學(xué)院等多所學(xué)校內(nèi)試用，成為生物工程專(zhuān)業(yè)實(shí)習(xí)教學(xué)與培訓(xùn)的重要輔助手段。國(guó)內(nèi)某公司開(kāi)發(fā)的離心泵單元仿真培訓(xùn)被眾多院校采用，作為相關(guān)專(zhuān)業(yè)的離心泵操作訓(xùn)練工具。

其他專(zhuān)業(yè)如熱能與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)，許多高校都在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中加入仿真實(shí)驗(yàn)以輔助教學(xué)，如制冷模擬教學(xué)課件[1]、小型冷庫(kù)仿真教學(xué)系統(tǒng)[2]、制冷空調(diào)綜合創(chuàng)新模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[3]等。煙臺(tái)大學(xué)也研制了傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真軟件[4]輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)。這些仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)際應(yīng)用中都取得較好的教學(xué)效果，值得大力推廣。

3 檸檬酸發(fā)酵生產(chǎn)仿真實(shí)驗(yàn)

檸檬酸發(fā)酵實(shí)驗(yàn) 檸檬酸發(fā)酵實(shí)驗(yàn)是生物與食品類(lèi)專(zhuān)業(yè)的主要實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容之一，目的是讓學(xué)生了解檸檬酸的生產(chǎn)原理與流程，掌握檸檬酸的發(fā)酵生產(chǎn)工藝與發(fā)酵分析方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)苁炀毜卣莆照婢l(fā)酵的接種、培養(yǎng)與發(fā)酵產(chǎn)物的分析測(cè)定等技術(shù)。由于檸檬酸整個(gè)發(fā)酵生產(chǎn)流程所需設(shè)備眾多，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有廠家制作銷(xiāo)售實(shí)驗(yàn)用檸檬酸全過(guò)程生產(chǎn)演示的儀器，大多數(shù)學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中只是在實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)展檸檬酸生產(chǎn)中發(fā)酵部分的實(shí)驗(yàn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的操作練習(xí)。由于檸檬酸生產(chǎn)廠家分布過(guò)于分散，大部分高校因人力、物力等資源限制，無(wú)法開(kāi)展實(shí)地操作實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

針對(duì)此問(wèn)題，本文開(kāi)發(fā)了檸檬酸發(fā)酵生產(chǎn)仿真軟件。該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)檸檬酸發(fā)酵生產(chǎn)全過(guò)程的仿真模擬，為廣大生物與食品類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的生產(chǎn)實(shí)習(xí)提供支持。通過(guò)該軟件的推廣使用，滿(mǎn)足這些專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的迫切需要。

檸檬酸實(shí)驗(yàn)仿真工具 檸檬酸實(shí)驗(yàn)仿真軟件的開(kāi)發(fā)是根據(jù)教學(xué)任務(wù)要求，分析整理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容而進(jìn)行的。利用該軟件，學(xué)生對(duì)檸檬酸生產(chǎn)流程獲得形象化的認(rèn)知，還可以在仿真平臺(tái)上完成實(shí)驗(yàn)虛擬操作，得到實(shí)踐成績(jī)。

本軟件含有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、成績(jī)?cè)u(píng)定、使用幫助等內(nèi)容。軟件能夠?qū)崿F(xiàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括檸檬酸生產(chǎn)的淀粉糊化、發(fā)酵、粗提和精提四個(gè)主要流程，在每個(gè)流程的實(shí)驗(yàn)界面上，都設(shè)計(jì)了該流程所需的全部實(shí)驗(yàn)部件，包括罐體、閥門(mén)、泵、過(guò)濾機(jī)、攪拌器等，各動(dòng)力機(jī)械與調(diào)節(jié)閥門(mén)均可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)。學(xué)生在該仿真軟件上手動(dòng)完成各生產(chǎn)過(guò)程的相關(guān)操作練習(xí)。軟件的成績(jī)?cè)u(píng)定功能將在學(xué)生實(shí)際操作過(guò)程中，根據(jù)操作過(guò)程順序以及由此引起的生產(chǎn)工藝參數(shù)變化情況給出實(shí)驗(yàn)成績(jī)，并提供詳細(xì)的得分明細(xì)與說(shuō)明，學(xué)生可根據(jù)該明細(xì)查找實(shí)驗(yàn)操作中出現(xiàn)的問(wèn)題并加以改進(jìn)。軟件的實(shí)驗(yàn)成績(jī)判別功能實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)操作的定量計(jì)分，減輕了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師的負(fù)擔(dān)。軟件提供的幫助功能為學(xué)生提供逐步實(shí)驗(yàn)操作指導(dǎo)，幫助學(xué)生更快地熟悉相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作。軟件還提供了時(shí)間加速功能，使得學(xué)生能夠在較短的時(shí)間內(nèi)就完成檸檬酸的實(shí)際長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)過(guò)程。

軟件采用VB6.0軟件開(kāi)發(fā)，功能包括裝置組成與工藝流程演示、部件運(yùn)行與閥門(mén)操作動(dòng)態(tài)演示、工藝參數(shù)動(dòng)態(tài)變化、逐步指導(dǎo)等功能。圖1～圖4分別為淀粉糊化、發(fā)酵、粗提和精提四個(gè)流程的實(shí)驗(yàn)界面。

圖1 淀粉糊化實(shí)驗(yàn)仿真軟件界面

圖2 發(fā)酵實(shí)驗(yàn)主界面

圖3 粗提實(shí)驗(yàn)操作的部分界面圖

圖4 精提實(shí)驗(yàn)操作的部分界面

該軟件的開(kāi)發(fā)采用模塊化編程，每部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作為一個(gè)大模塊，大模塊中還細(xì)分為若干個(gè)小的模塊，模塊之間通過(guò)操作流程引起的操作流程因果關(guān)系、耦合參數(shù)進(jìn)行銜接。開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)攪拌器、罐體液位、管道內(nèi)流體流動(dòng)等動(dòng)態(tài)變化內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)參數(shù)可依據(jù)實(shí)際操作實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)即時(shí)顯示，學(xué)生能夠隨時(shí)了解參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化情況，并據(jù)此判斷操作時(shí)機(jī)。

教學(xué)效果 基于仿真技術(shù)開(kāi)發(fā)的檸檬酸發(fā)酵生產(chǎn)仿真軟件，完整地模擬了檸檬酸生產(chǎn)的全過(guò)程，學(xué)生通過(guò)使用該軟件，不僅加深了對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解，還對(duì)檸檬酸的生產(chǎn)流程有了更深刻全面的認(rèn)知，生產(chǎn)操作水平也得到了較大的提高。仿真實(shí)驗(yàn)由于界面設(shè)計(jì)友好，形式新穎，學(xué)生對(duì)此普遍歡迎，實(shí)驗(yàn)興趣大大提高，取得較好的教學(xué)效果。可見(jiàn)，檸檬酸發(fā)酵生產(chǎn)仿真軟件很好地解決了實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中存在的不足，提高了實(shí)踐教學(xué)的水平，強(qiáng)化了生物工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

4 結(jié)論

本文首先分析傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與實(shí)習(xí)教學(xué)存在的一些問(wèn)題，總結(jié)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用現(xiàn)狀及其優(yōu)點(diǎn)，敘述自主開(kāi)發(fā)的檸檬酸發(fā)酵生產(chǎn)仿真軟件以及學(xué)生的使用體會(huì)。

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