食品工程原理實驗虛擬仿真教學體系探索

2019-11-01 01:21:48吳春華童彩玲江漢森嚴志明龐杰

安徽農業科學 2019年18期

吳春華童彩玲江漢森嚴志明龐杰

摘要實驗教學是食品工程原理教學的重要組成部分，將新興的虛擬仿真教學手段融入傳統食品工程原理實驗教學中，是培養學生工程創新能力的重要方式。針對目前食品工程原理實驗教學存在的問題，構建了適合的食品工程原理實驗虛擬仿真教學體系，這對于提高學生的實踐能力、提高食品工程創新人才的培養質量具有重要意義。

關鍵詞食品工程原理實驗;虛擬仿真;實驗教學改革

中圖分類號S-01?文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2019）18-0280-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.18.079

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Exploration on the Experimental Virtual Simulation Teaching System of Food Engineering Principles

WU Chun-hua1，TONG Cai-ling1，JIANG Han-sen2 et al（1.College of Food Science，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou，Fujian 350002;2.Office of Educational Administration，Fujian Agriculture and Foresty Universtiy，Fuzhou，Fujian 350002）

AbstractExperimental teaching is an important part of the teaching of food engineering principles. Integrating the emerging virtual simulation teaching methods into the experimental teaching of traditional food engineering principles is an important way to cultivate students engineering innovation ability. Aiming at the existing problems in the experimental teaching of food engineering principles，this paper constructed a proper virtual simulation teaching system for food engineering principles，which was of great significance to improve students practical ability and improve the quality of food engineering innovation talents.

Key wordsFood engineering principle experiment;Virtual simulation;Experimental teaching reform

培養工程科技創新和產業創新人才是新時期國家“新工科”建設核心目標，而工程教育人才培養模式的探索是其關鍵所在[1]。食品工程原理作為食品科學與工程本科專業及其相近專業的一門理論性和實踐性很強的重要專業基礎課，與食品工業生產緊密聯系，在食品工程創新人才培養中起著承前啟后和由理及工的重要紐帶作用[2]。食品工程原理實驗課程是理論課程學習的重要補充和實踐，是培養食品類學生工程實踐能力的重要途徑[3]。目前，多媒體輔助教學技術雖然已經被廣泛應用于食品工程原理實驗教學中，但由于該課程的專業性較強，傳統的實驗課件內容展示手段較少，缺乏與學生實質性的互動教學環節，單獨的平面教學講解仍很難調動學生自主學習的積極性，未能起到很好的教學效果。同時，食品工程原理實驗涉及的食品工程相關設備結構較為復雜，操作過程繁瑣[4-6]。因此，如何運用國際先進的教學系統替代或者互補傳統的食品工程原理實驗課程教學模式迫在眉睫。

虛擬仿真教學是一種共享型虛擬現實系統，是以計算機網絡為核心，利用多媒體、人機交互和網絡通訊等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，為學習者提供一個生動、逼真的學習環境，是目前國際先進的教學模式[7]。自2013年教育部在全國開展“國家級虛擬仿真實驗教學中心”的認定工作（教高司函〔2013〕94 號文件）以來，有關虛擬仿真教學已成為國內現代教育研究關注的焦點，已被廣泛地應用于工科、醫學相關院校的實踐教學[8-10]，然而有關食品工程原理實驗虛擬仿真實踐教學鮮見報道。因此，針對傳統食品工程原理實驗教學中存在的問題，有必要借鑒國際先進的教學模式[11]，遵循“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則，探索構建食品工程原理實驗虛擬仿真教學體系，提高食品工程創新人才培養的質量。

1食品工程原理實驗教學中存在的主要問題

目前，國內大部分食品專業院校在食品工程原理實驗課程教學方面存在以下問題：①實驗指導教師大多以傳統“填鴨式”教學方式對實驗目的、原理、操作步驟及注意事項進行講解，并自己手動操作設備演示實驗，供學生參考學習[12]，傳統的封閉灌輸式教育模式注重理論教育，對實驗和工程實踐不夠重視，導致學生眼高手低，不能很好地掌握和運用理論知識，這種模式不能充分發揮學生學習的自主性，不能有效激發學生的求知欲和探索精神。②由于食品工程原理相關實驗設備價格高、體積大，導致多數食品專業院校的實驗設備臺套數不足[13]。一般采用多人為一小組在同一臺設備上進行實驗教學的模式，造成少數學生以動手操作為主，多數學生觀看的現象，難以達到培養每個學生自我動手能力和操作能力的教學要求;多年食品加工類專業的教學經驗表明，僅僅采用實驗式、半理論、半實踐的訓練，對學生來說還是比較抽象的，獲得的知識也是片面的，不完全的。?③由于實驗設備數量有限，通常同一時間段需要開展2～3個實驗項目，實驗指導教師很難做到及時糾正學生實驗中出現的不規范操作現象，如常出現離心泵憋泵、實驗數據采集不完整等問題。

④考核方式較為傳統，考試考核制度仍然注重卷面考試，主要依據實驗報告的結果進行評定[14]，存在部分學生抄襲（特別是組內相互抄襲）問題，很難從實驗報告上區分學生之間的差距，未能準確反映學生的學習效果，使其失去了實驗成績的考核意義。

⑤由于實驗設備較大，且運行存在著一定的危險性[15]，因此學生只能在實驗課固定時間內進行實驗，課后沒有機會進入實驗室進行鞏固和練習，嚴重影響本科生對食品工程原理課程的深入認識和理解，不能及時將所學食品工程原理知識應用到實際問題中，對于工程方面不能全面透徹地認識。如何拓展實踐領域、豐富教學內容，提供綠色、可靠、安全和經濟的實驗項目一直是困擾工程實踐教學的難題。

2食品工程原理實驗虛擬仿真教學體系的構建

為了彌補上述傳統教學模式的不足，在福建省食品工程虛擬仿真教學中心及相關校級網絡示范課程建設的基礎上，依托北京歐倍爾軟件技術開發有限公司開發仿真模擬實驗教學軟件，以“福建省食品工程虛擬仿真實驗教學中心”和“產業學院”為首的22個專業類實踐基地為依托，針對地方工科大學生工程實踐能力不能滿足社會發展需要的普遍現象和“以教師為中心、書本為中心和課堂為中心”的傳統封閉灌輸式教學模式之弊端以及實驗周期長、大型貴重儀器實訓時間不足等難題，改變單向灌輸、學生被動接受的局面，在現有食品工程原理實體實驗教學體系中融入虛擬仿真實驗教學體系，搭建“虛實結合”的全過程管理的實踐教學體系?（圖1）。

此教學體系采用“虛實結合式教學”和“情景再現式教學”的教學方法，可以彌補傳統品工程原理實驗項目受場地、時間、設備、安全等因素制約的缺陷，順應“卓越工程師培養計劃”趨勢，培養出具有創新意識的新世紀復合型食品工程技術人才。在培養學生動手實踐能力的基礎上，充分發掘虛擬仿真軟件的技術優勢，使學習更加深入、生動，還可以充分調動學生自主學習的興趣和積極性，將自主學習、互助學習、研究性學習有機結合，有效解決了目前學生工程實踐能力缺乏和創新意識缺失的核心問題，培養學生的工程化能力，有利于復合應用型人才的培養。

通過虛擬仿真實驗平臺，充分利用現代信息技術、虛擬仿真等技術轉變實踐課程建設方式，突破傳統實驗教學的局限性。虛擬仿真教學平臺拓展實踐領域、豐富教學內容，提供綠色、可靠、安全和經濟的實驗項目。網絡課堂與真實教學相結合，計算機模擬與真實實訓相互驗證和補充，采取虛實結合和情景再現的互聯網線上線下融合的個性化教學方式，激發學生的好奇心，啟發思考，帶著問題學習教材或查找相關文獻、尋找答案的過程中，鍛煉了學生的自學能力、運用知識解決實際問題的能力。具體實施方案如下：

實驗教學采用集中授課和自主練習相結合的方式。課程開始時，教師在多媒體實驗室對虛擬仿真實驗教學平臺中的虛擬軟件進行演示。學生在進入食品工程原理實驗室前，可以通過虛擬仿真平臺預習、觀摩、模擬相關實驗內容，了解每次實驗單元操作裝置流程、操作規程以及數據采集的要點，熟悉實驗目的、實驗原理。學生完成線上軟件測試后，在線提交虛擬實驗報告，實驗教師在線評分并及時反饋給學生，取得測試合格后方可開始實驗。同時，師生可通過網絡平臺上的在線答疑功能進行互動交流。在學生提前線上學習的基礎上，實驗指導教師在線下實驗室設備上邊現場演示操作、邊講解，供學生課前觀摩學習，領會操作要點等。實驗結束后，以線上提交的實驗報告成績、線下實驗操作成績和線下實驗報告成績相結合的形式考核學生。學生不僅能夠在實體實驗中獲得第一手知識和技能，而且能夠在仿真情境中進行模擬現場實驗，并根據自身需求反復練習，培養其科學精神與創新能力。

3食品工程原理實驗虛擬仿真教學體系的實施效果

3.1激發學生的學習興趣基于網絡化的虛擬仿真實驗環境，使得實驗教學具有網絡化、開放性、交互性和易操作等特點，有利于學生的學習、實踐和創新能力的培養。學生可以借助便捷的網絡計算環境，隨時、隨地動手開展實驗，在人機交互的虛擬實驗中提高自主學習能力。虛擬仿真實驗教學通過模擬真實的食品生產操作，使學生身臨其境，真實地感受并掌握食品加工過程中各單元設備的操作方法，給學生提供了一個無危險、低成本的方式以及與真實世界交互的平臺，是對傳統教學方式的重大挑戰，也是高校教學與科學實驗技術的一個新飛躍。

3.2加強學生理論與實際結合食品工程原理實驗與生產實際密切相關。但實體實驗存在設備結構復雜、操作過程繁瑣、水電氣安全風險高（尤其真空濃縮）、實驗室設備與實際生產有差別、原料采收期短且不耐貯藏、難以向學生全面展示和解釋等問題。通過虛擬仿真實驗教學體系，突破了傳統實驗教學受時空條件、儀器數量和操作過程等條件的限制，能使學生深入了解設備原理、操作規程等知識，實現信息技術和實驗教學的深度融合，提高實驗教學的教學水平和教學質量，進一步提升高校創新人才的培養能力。

3.3拓展學生學習資源基于網絡化的虛擬仿真實驗環境，學生可以借助于便捷的網絡計算環境（如移動終端、個人電腦等設備），隨時隨地動手開展實驗，使其對基本原理的理解、公式中各種參數的來源及使用范圍有更加深刻的認識，從而幫助學生理解從書本上較難弄懂的概念，而且可以利用網絡實現貴重儀器的遠程操控和共享。由于學生不需要到實驗現場，大大提高了實驗場地和貴重設備的共享和利用率。此外，虛擬仿真教學體系引入了很多原來不可實現的實驗內容，例如通過虛擬仿真實驗環境，同學對食品的生產流程會有一個直觀、清晰的了解，將課本上的知識真正運用到實踐中。利用虛擬仿真實驗來實驗極大地提高了實驗教學的教學水平。

4結語

虛擬仿真實驗教學是當今國際先進的教學模式方式之一，其借助多媒體、人機交互和網絡通訊等技術，構建了高度仿真的虛擬實驗環境，不僅能夠彌補現有教學資源不足的缺陷，而且可以豐富教學內容的作用[16]。食品工程原理實驗是一門實踐性、工程性極強的課程，將虛擬仿真教學模式引入教學中，突破了傳統實驗教學受時空條件、儀器數量和操作過程等條件的限制，能使學生通過自行設定相應參數，深入了解設備操作單元原理、操作規程等知識。通過該虛擬仿真實驗教學體系，可以實現信息技術和實驗教學的深度融合，提高實驗教學的教學水平和教學質量，進一步提升食品工程創新人才的培養能力。

參考文獻

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