虛擬仿真技術在食品工藝學實驗教學中的應用探索

賈寶珠 蔡文韜 袁學文 羅 林

（[1]廣東第二師范學院生物與食品工程學院 廣東·廣州 510303；[2]廣東省食品質量安全重點實驗室，華南農業大學食品學院 廣東·廣州 510642）

食品工藝學實驗是培養學生運用已掌握的理論知識和實驗技能進行實驗設計并操作的一門綜合實踐課程，是提高學生創新能力和動手能力的重要手段。[1]傳統的食品工藝學實驗，受到實驗場地、實驗設備及教學投入資金等多方面條件的限制，存在實驗設備不足或陳舊等問題，限制了實驗內容的選擇。[2]且大多是“作坊式”教學，教學理念陳舊，與實際生產脫節。且受到教學模式和考核方式的影響，教學效果一般，不利于人才的培養。

虛擬仿真技術作為信息化時代的產物，可以逼真的模仿現實世界中的事和物，結合人們對現實世界的觸覺、視覺、聽覺，進行交互體驗，讓人們有身臨其境的感覺。[3]虛擬仿真技術結合了先進的教學思想和現代化的教學手段，具有沉浸性、交互性、虛幻性、逼真性等特點，[4-5]如今已廣泛應用于高等學校的實驗教學過程中。在傳統食品工藝實驗的基礎上引入虛擬仿真技術，能夠有效的解決因空間、時間、資源限制導致實驗無法開設的問題，提高學生的參與度和積極性，完善考核制度，提高教學質量，提升學生的分析能力和實踐能力。[6]

1 傳統“食品工藝學實驗”存在的問題

1.1 實驗內容受限，缺乏創新性

近年來，隨著高等教育的普及，應用型、技術型人才培養模式盛行，各大高校紛紛開設食品相關專業。對于食品專業而言，理論與實驗相結合的教學模式，是鍛煉學生操作技能和培養學生應用能力的有力手段。相對于教育事業發展的實際需求，大部分院校的資金投入并不充足，尤其是專業開設的前幾年，招生人數少，投入經費有限，實驗場地和實驗設備很難滿足實驗教學的實際需求。[7]食品行業飛速發展，食品加工技術和設備不斷更新，而更新設備投入較大，審批及購買程序繁瑣，大部分高校也面臨著技術理念陳舊、實驗設備老化損壞等難題。且目前實驗中使用的設備主要是實驗室的小型設備或間歇操作型設備，[8]與實際生產所用設備相差較大。如食品加工企業常用夾層鍋對物料進行加熱，而高校實驗室只能用廚房鍋具，采用電磁爐、天然氣等進行加熱。實驗設備不同，實驗原理不同，不僅影響產品品質，而且容易導致學生對工業化生產認知脫節。

1.2 學生參與度低，缺乏積極性

食品工藝學是一門綜合性、設計性和創新性的實驗課程。由于實驗條件有限，傳統的食品工藝學實驗開設的多為驗證性實驗，操作方法簡單，實驗模式固定化。多為老師選定實驗項目，確定可行的實驗方法，實驗員老師準備原輔料和儀器，學生只需循規蹈矩按照實驗講義進行操作，得出的實驗結果盡量向理論值靠攏，學生缺乏對實驗項目的質疑和對實驗結果的思考，不利于思維能力和創新能力的培養，不符合課程設置的初衷。[9]食品工藝學實驗用到的設備較多，一些大型設備數量較少、操作復雜，且價格貴重、維修困難，大多只能通過實驗教師演示，學生旁觀的形式進行授課。一些生產設備運行一次需要消耗較多原輔料，且清洗困難，費時費力，實際利用率較低。由于實驗資源有限，多采用4～6人一個小組進行實驗，不能保證每個同學都有動手操作的機會，學生在實驗中的參與度較低，積極性不高，教學效果不好。

1.3 考核形式單一，缺乏全面性

食品工藝學實驗的考核應是學生知識綜合運用能力、實踐創新能力和溝通合作能力的綜合考查。一般是1～2名老師指導30名左右學生進行實驗，很難關注到每位學生，并對其平時表現作出客觀評價。因此主要是根據實驗出勤和實驗報告對學生進行打分，這種考核方式簡單但不全面，不能對學生的操作細節進行評價，導致學生只看結果，不重視實驗過程。[10]部分學生甚至不動手操作，只要保證出勤，再根據其他同學的實驗結果撰寫實驗報告，就能通過考核獲得學分。且實驗報告千篇一律，學生普遍能夠獲得較高的分數。這種形式的考核標準模糊，不能全面客觀的對學生進行評價，達不到考核學生的目的，不利于學生的培養。

2 虛擬仿真技術在“食品工藝學實驗”教學中的優勢

2.1 降低教學成本，豐富實驗內容

食品工藝學中使用的設備價格昂貴、占地面積大且技術更新迅速，如將部分實驗通過虛擬仿真系統進行，不僅能夠節約教學成本，還可以豐富實驗項目，讓學生接觸更多行業的新設備新技術。目前很多高校都與企業合作構建虛擬仿真平臺，很多食品工藝學相關的實驗平臺已投入使用，如濃縮果汁及其飲料的虛擬仿真實驗、吐司面包生產工藝3D虛擬仿真實驗、啤酒發酵虛擬仿真與生產實踐、葡萄酒釀造工藝虛擬仿真實驗、魚糜生產工藝3D仿真綜合實訓、嬰兒配方乳粉加工虛擬仿真實驗、切達干酪工廠生產仿真實驗等。虛擬仿真平臺與傳統食品工藝學實驗結合的混合教學模式，可以在有限的課時內，讓學生接觸更多的食品加工機械和設備，掌握更多的食品加工原理和過程，豐富了課程設置，提高了學習效率，開拓了學生視野，降低了教學成本，提升了教學質量。

2.2 提高創新能力，激發學習興趣

食品加工的機械設備構造復雜，科技含量高，工藝難度大，僅通過老師抽象的講解，學生很難理解其原理。虛擬仿真系統通過2D或3D動畫的形式，生動、直觀的展示食品加工機械設備的工作原理和工作過程，使學生在高沉浸感的虛擬環境下感知整個試驗過程及物料在加工過程中發生的變化，激發學生的學習興趣，提升教學效果。[11]虛擬仿真系統可根據食品加工技術的發展進行更新完善，更新速度快、成本低，實驗教學與時俱進，使學生熟悉現代化生產的過程，擴展了實驗教學的廣度和深度。虛擬仿真系統不受時間、地點和資金的影響，學生可以獨立實驗，還可以反復操作，驗證自己實驗設計的合理性，在重復中不斷思考和探索，在失敗中鞏固所學的知識，激發思維能力和創新能力。

2.3 突出能力導向，考核客觀全面

由于企業生產的保密性，學生難以從課堂教學或見習實習中真實的了解生產中各類設備的操作方法、技術指標及工藝參數。虛擬仿真系統以食品加工企業為模板，高度還原了食品加工的過程，增加學生對食品生產流程及行業先進技術的了解，有助于提高學生的專業素質和實踐技能，使學生適應食品加工產業發展的需求。虛擬仿真系統還能夠記錄學生的整個實驗過程，可以對學生的每一步實驗操作進行評分，能夠很好的反應學生理論知識學習情況、課前預習情況、課上實操情況，結合課后的實驗報告，能夠全面客觀的對學生的學習情況進行評價。

3 總結

虛擬仿真技術讓原來課堂上做不到、做不了、做不上的實驗，成為可能。將虛擬仿真技術與傳統的食品工藝學實驗并用，打破時間和空間的限制，虛實結合，優勢互補，使學生更好的了解企業生產的實際場景，熟悉食品加工原理和先進設備，掌握食品加工工藝，有助于學生將理論知識與實際生產實踐相結合，提升了學生的綜合能力，提高了實驗教學質量，有利于高校應用創新型人才的培養。