食品機(jī)械與設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索與實(shí)踐

宋賢良， 葉盛英， 司徒文貝， 羅樹燦

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院， 廣州 510640)

0 引 言

食品機(jī)械與設(shè)備是食品科學(xué)與工程專業(yè)一門重要的專業(yè)課程，也是一門工程性和實(shí)踐性強(qiáng)的課程。在該課程的教學(xué)與學(xué)習(xí)過程中，強(qiáng)化學(xué)生的工程實(shí)踐和實(shí)際動(dòng)手操作能力顯得尤為重要[1-2]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)能直觀形象地展示各種加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理，加深學(xué)生對(duì)典型設(shè)備的認(rèn)識(shí)，使理論與實(shí)踐相結(jié)合，進(jìn)行工程知識(shí)的熏陶，有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程觀及運(yùn)算、設(shè)計(jì)能力，提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的有力手段，在課程教學(xué)中占有重要地位[3]。但是食品機(jī)械與設(shè)備傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)受儀器設(shè)備、教學(xué)條件和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不足的限制，且傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為主，較難激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)新性[4]。因此，如何解決課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果是人們長期關(guān)注并積極探索的熱點(diǎn)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是借助計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建虛擬的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境，學(xué)生在虛擬環(huán)境中運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)操作，完成預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[5]。近年來，虛擬仿真技術(shù)已在許多課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用[6-9]，通過三維仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式難以達(dá)到的教學(xué)效果，可使抽象枯燥的教學(xué)變得豐富多彩，教學(xué)過程變得更加直觀、生動(dòng)[10]。而虛擬仿真技術(shù)在食品機(jī)械與設(shè)備實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用尚未見報(bào)道，本文在食品機(jī)械與設(shè)備實(shí)驗(yàn)教學(xué)中嘗試開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索，通過虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式以期提高該課程的教學(xué)效果。

1 食品機(jī)械與設(shè)備傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

培養(yǎng)應(yīng)用型、技術(shù)型人才是高等教育發(fā)展的目標(biāo)之一[11]。對(duì)于食品科學(xué)與工程專業(yè)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)和實(shí)際操作能力方面發(fā)揮著重要作用。目前，該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨諸多問題，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效果。

(1) 受儀器設(shè)備的制約。傳統(tǒng)食品機(jī)械與設(shè)備實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要借助各種大型的機(jī)械設(shè)備才能完成，這些設(shè)備往往價(jià)格昂貴、體積大，操作不當(dāng)容易損壞，設(shè)備維修費(fèi)用高等。食品機(jī)械設(shè)備種類繁多，然而受教學(xué)經(jīng)費(fèi)和實(shí)驗(yàn)場地的限制，食品機(jī)械實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不能購置更多的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，導(dǎo)致開設(shè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)目少。

(2) 受教學(xué)條件的限制。隨著高校招生規(guī)模的擴(kuò)大，辦學(xué)經(jīng)費(fèi)得不到長足的補(bǔ)充，使得教學(xué)場地?fù)頂D，實(shí)驗(yàn)設(shè)備短缺和陳舊老化等問題顯得尤為突出[12]。食品機(jī)械與設(shè)備實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備較大，學(xué)生人數(shù)眾多，設(shè)備運(yùn)行時(shí)間長、維修頻率高，可操作的實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)數(shù)有限。目前普通高等院校的食品機(jī)械實(shí)驗(yàn)設(shè)備基本上是每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目僅有1～2臺(tái)(套)，即使按分組實(shí)驗(yàn)，每臺(tái)設(shè)備至少要同時(shí)容納8～10名學(xué)生操作，因此在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中很難保證每個(gè)學(xué)生有親自動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，直接影響到實(shí)踐教學(xué)效果。

(3) 實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不足。隨著高校教學(xué)改革的不斷深入，高等教育正向大眾化教育階段跨越，社會(huì)對(duì)人才的需求也呈現(xiàn)不同特點(diǎn)[13]。在這樣的背景下，各專業(yè)人才培養(yǎng)計(jì)劃一再調(diào)整，專業(yè)課學(xué)時(shí)數(shù)不斷壓縮。如食品機(jī)械與設(shè)備課程由原先的80學(xué)時(shí)壓縮至54學(xué)時(shí)，因此總課時(shí)數(shù)減少，實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)數(shù)也隨之減少，使得開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的數(shù)目明顯不足。

(4) 設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、抽象難懂。食品機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，講解抽象，學(xué)生難理解，即使教師在現(xiàn)場做情景化、實(shí)時(shí)化的演示實(shí)驗(yàn)，對(duì)設(shè)備的有些內(nèi)部結(jié)構(gòu)也很難直觀看到，要求學(xué)生有較好的空間想象能力，才能真正理解設(shè)備的工作原理[14]。

鑒于食品機(jī)械與設(shè)備傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，對(duì)其進(jìn)行改革創(chuàng)新已勢在必行。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)是一種新型的輔助教學(xué)手段，通過虛擬仿真模擬整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，可使學(xué)生在高沉浸感的虛擬環(huán)境下感知機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理，可增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

2 食品機(jī)械與設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建

為解決食品機(jī)械與設(shè)備傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題，將虛擬仿真技術(shù)引入到本課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，充分發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)生動(dòng)、直觀、安全，不受時(shí)間、場地、儀器設(shè)備限制等優(yōu)勢，開發(fā)食品機(jī)械與設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，構(gòu)建的平臺(tái)示意圖(見圖1)。該平臺(tái)主要包括機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)認(rèn)知仿真和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作2個(gè)模塊，設(shè)備結(jié)構(gòu)認(rèn)知仿真模塊涵蓋輸送設(shè)備、加工設(shè)備和包裝設(shè)備3 個(gè)動(dòng)畫仿真庫，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作模塊包括噴霧干燥、啤酒發(fā)酵和切達(dá)干酪生產(chǎn)3個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)。整個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)都是按照虛實(shí)結(jié)合的原則進(jìn)行建設(shè)，形成了較為完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系，體現(xiàn)多學(xué)科綜合與交叉的特征。

圖1 食品機(jī)械與設(shè)備仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建示意圖

3 虛擬仿真技術(shù)在食品機(jī)械與設(shè)備實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 食品機(jī)械與設(shè)備結(jié)構(gòu)認(rèn)知仿真

食品機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，抽象難董，要求學(xué)生有較強(qiáng)的空間想象能力，因此學(xué)習(xí)過程中往往面臨較大困難。在食品機(jī)械與設(shè)備教學(xué)過程中，采用掛圖和幻燈片的形式展示機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)和原理，在一定程度上能增強(qiáng)對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)認(rèn)知的直觀性，但是這種靜態(tài)的圖片展示不能很好表達(dá)大型復(fù)雜設(shè)備的運(yùn)動(dòng)過程和原理。因此，采用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)出針對(duì)不同食品加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作過程的仿真動(dòng)畫庫，以3D動(dòng)畫形式呈現(xiàn)復(fù)雜機(jī)械設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組裝及運(yùn)行過程，從而極大增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)食品機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)認(rèn)知的直觀性。

食品機(jī)械與設(shè)備結(jié)構(gòu)認(rèn)知仿真庫按照輸送設(shè)備、食品加工設(shè)備和包裝設(shè)備三大塊，采用Pro/E，eDrawings，F(xiàn)lash等軟件開發(fā)出如帶式輸送機(jī)、離心泵、均質(zhì)機(jī)、碟片離心機(jī)、高壓滅菌鍋等幾十種典型設(shè)備的仿真動(dòng)畫。圖2 是離心泵的分解動(dòng)畫圖，通過虛擬仿真技術(shù)能夠?qū)㈦x心泵的泵蓋、泵體、葉輪、填料、填料壓蓋、擋水圈、軸、軸承、托架、定位套等構(gòu)件以3D動(dòng)畫形式一一呈現(xiàn)出來，并直觀展現(xiàn)各構(gòu)件的安裝順序，明顯增強(qiáng)了教學(xué)的直觀性和生動(dòng)性，讓學(xué)生有種身臨其境的感覺。

圖2 離心泵分解動(dòng)畫

3.2 食品機(jī)械與設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作

為彌補(bǔ)食品機(jī)械與設(shè)備傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中儀器設(shè)備和場地不足，我們在東方仿真軟件技術(shù)有限公司的食品加工設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的基礎(chǔ)上，開發(fā)出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)(見圖3)。通過該平臺(tái)學(xué)生進(jìn)行噴霧干燥單元操作、啤酒發(fā)酵工藝、切達(dá)干酪生產(chǎn)工藝等3個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，以虛實(shí)結(jié)合的原則對(duì)食品機(jī)械與設(shè)備實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

圖3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)

3.2.1噴霧干燥仿真實(shí)驗(yàn)

噴霧干燥在食品工業(yè)上廣泛應(yīng)用于奶粉、果蔬粉、速容咖啡、速容茶粉及微膠囊制品等產(chǎn)品的生產(chǎn)。食品機(jī)械與設(shè)備實(shí)驗(yàn)教學(xué)中通常將噴霧干燥實(shí)驗(yàn)作為一個(gè)典型的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)噴霧干燥實(shí)驗(yàn)由于受實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，通常采用分組實(shí)驗(yàn)，每組8～10個(gè)學(xué)生共用1臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，造成實(shí)驗(yàn)過程中大多數(shù)學(xué)生只能旁觀，得不到實(shí)際動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，實(shí)驗(yàn)效果不理想。

噴霧干燥真實(shí)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前，學(xué)生可通過仿真實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)，先進(jìn)行噴霧干燥仿真實(shí)訓(xùn)操作。通過噴霧干燥仿真實(shí)驗(yàn)軟件，學(xué)生可熟悉噴霧干燥系統(tǒng)組成(見圖4)，進(jìn)行進(jìn)風(fēng)量、進(jìn)風(fēng)溫度、進(jìn)料量和通針頻率的設(shè)定以及電加熱器和蠕動(dòng)泵的操作，還可自主選擇樣品濃度，在不同樣品濃度下，控制各項(xiàng)指標(biāo)符合要求。經(jīng)過仿真實(shí)訓(xùn)操作，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生都能夠按照噴霧干燥的實(shí)驗(yàn)步驟熟練地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率，減少了實(shí)驗(yàn)操作的失誤率。通過虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的教學(xué)模式，學(xué)生對(duì)噴霧干燥的系統(tǒng)組成和工作過程都有深刻的理解和掌握，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。

圖4 噴霧干燥仿真系統(tǒng)組成

3.2.2啤酒發(fā)酵仿真實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的啤酒發(fā)酵實(shí)驗(yàn)由于受糊化鍋、糖化鍋、發(fā)酵罐等大型機(jī)械設(shè)備的限制，學(xué)生只能借助三角瓶、培養(yǎng)箱等儀器分階段進(jìn)行。這種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法不能使學(xué)生對(duì)啤酒發(fā)酵設(shè)備產(chǎn)生直觀認(rèn)識(shí)，更談不上動(dòng)手操作這些設(shè)備。

啤酒發(fā)酵仿真實(shí)驗(yàn)是按照真實(shí)的啤酒發(fā)酵生產(chǎn)工藝和工藝參數(shù)構(gòu)建的數(shù)字化仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其實(shí)驗(yàn)過程與啤酒實(shí)際生產(chǎn)過程基本相同。通過仿真實(shí)訓(xùn)操作，能增強(qiáng)學(xué)生對(duì)啤酒發(fā)酵工藝和設(shè)備組成的全面和直觀認(rèn)識(shí)，有利于學(xué)生對(duì)啤酒發(fā)酵生產(chǎn)過程的運(yùn)行、調(diào)控更好的理解和掌握。

該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可進(jìn)行糊化鍋、糖化鍋、發(fā)酵罐等設(shè)備的仿真實(shí)驗(yàn)操作，圖5是糊化鍋的仿真操作界面；可對(duì)生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)(如溫度、壓力、pH值等)進(jìn)行監(jiān)控；可對(duì)啤酒發(fā)酵過程中酵母、糖度、酒精度等趨勢繪制曲線，幫助學(xué)生了解整個(gè)發(fā)酵過程，并通過觀察曲線變化對(duì)發(fā)酵過程進(jìn)行控制。學(xué)生通過對(duì)啤酒發(fā)酵虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件的操作，既可以掌握啤酒釀造的必備知識(shí)，也可以獨(dú)立完成對(duì)整個(gè)工藝流程和各設(shè)備的實(shí)際操作，通過對(duì)釀造過程中的眾多參數(shù)指標(biāo)的操作和調(diào)整，最終掌握啤酒生產(chǎn)的全過程。

圖5 糊化鍋仿真操作界面圖

3.2.3切達(dá)干酪工藝仿真實(shí)驗(yàn)

干酪是一種發(fā)酵的牛奶制品，具有極高的營養(yǎng)價(jià)值，工業(yè)生產(chǎn)中需要干酪槽、殺菌設(shè)備、離心機(jī)、熱交換器、平衡槽等設(shè)備才能完成。切達(dá)干酪工藝仿真實(shí)驗(yàn)是根據(jù)干酪工業(yè)化生產(chǎn)過程構(gòu)建的數(shù)字化仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括原料乳預(yù)處理、巴氏殺菌、熱水加熱、緩沖貯罐、發(fā)酵和凝乳等部分組成。通過該仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可按操作規(guī)范要求對(duì)原料乳預(yù)處理、巴氏殺菌、發(fā)酵和凝乳等工藝單元進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)操作，并能對(duì)生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、液位和pH等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。圖6是干酪槽的仿真操作界面，通過調(diào)節(jié)發(fā)酵劑用量、氯化鈣用量和凝乳酶用量，可控制干酪的發(fā)酵和凝乳過程。該仿真實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生熟悉和掌握切達(dá)干酪的生產(chǎn)過程和關(guān)鍵工藝參數(shù)的調(diào)控，掌握干酪槽、殺菌設(shè)備、離心機(jī)等設(shè)備的操作和調(diào)節(jié)。

圖6 干酪槽仿真操作界面

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)為食品機(jī)械與設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作原理演示、操作過程仿真、故障診斷和操作培訓(xùn)提供了新的方法和手段，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的諸多不足，提高了信息的傳播與利用率，具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不可比擬的優(yōu)越性。

自2013年以來，面向我院學(xué)生開設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，采用虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式，已經(jīng)取得良好的教學(xué)效果。主要體現(xiàn)在以下方面：① 采用問卷調(diào)查的形式，獲得了開設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)食品機(jī)械與設(shè)備課程學(xué)習(xí)的作用和效果。發(fā)出調(diào)查問卷150份，問卷回收率100%。從問卷調(diào)查的結(jié)果可看出，96.5%的學(xué)生都很贊同虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式；93.7%的學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)更能激發(fā)學(xué)習(xí)興趣；91.5%的學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有利于對(duì)機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理的理解和掌握；88.2%的學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式有利于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。由此可看出在食品機(jī)械與設(shè)備課程教學(xué)中開設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻玫綄W(xué)生的普遍認(rèn)可。② 食品機(jī)械與設(shè)備課程期末考試成績有明顯提高。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開設(shè)前，卷面分?jǐn)?shù)不及格率為20%左右，學(xué)生對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和基本原理掌握不夠扎實(shí)，丟分較多；通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展，期末成績及格率明顯上升，卷面80分以上達(dá)到55%以上，不及格率僅為7%，學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握明顯增強(qiáng)。③ 學(xué)生畢業(yè)論文選擇與食品工廠設(shè)計(jì)相關(guān)的課題比例不斷增加，從2013年的8%增長到2016年的23%。近2年來，不少學(xué)生還參加了教師與企業(yè)合作的食品工廠設(shè)計(jì)項(xiàng)目，并依托項(xiàng)目來完成畢業(yè)論文，為培養(yǎng)食品工程領(lǐng)域高素質(zhì)應(yīng)用型人才打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5 結(jié) 語

食品機(jī)械與設(shè)備實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生更好地鞏固和加深對(duì)課堂教學(xué)所闡述的食品加工機(jī)械的結(jié)構(gòu)和原理的理解和掌握，實(shí)現(xiàn)專業(yè)理論知識(shí)與實(shí)踐技能的有機(jī)結(jié)合，有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程觀和實(shí)踐創(chuàng)新能力。

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到食品機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，增加了對(duì)設(shè)備的直觀認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)操作技能。仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)受場地、時(shí)間、安全等條件的限制，彌補(bǔ)了機(jī)械設(shè)備不足和老化的問題，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容，是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益補(bǔ)充和擴(kuò)展。為食品機(jī)械與設(shè)備教學(xué)手段的改進(jìn)和教學(xué)質(zhì)量的提高提供了良好契機(jī)和有力保障。

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