虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在食品專用油脂教學(xué)中的應(yīng)用探索

孟 宗

（江南大學(xué)食品學(xué)院 江蘇·無錫 214122）

食品專用油脂是指精煉的動(dòng)植物油脂、氫化油、酯交換油脂或上述油脂的混合物，經(jīng)急冷單元和捏合單元或不經(jīng)過急冷和捏合單元，制成的固態(tài)或流動(dòng)態(tài)的油脂制品，主要包括人造奶油、起酥油、植脂奶油、涂抹脂、糖果脂等，賦予加工食品特有的功能特性（如結(jié)構(gòu)、風(fēng)味、感官特性、貨架期等），是現(xiàn)代加工食品不可或缺的基礎(chǔ)性原料，在烘焙食品、煎炸食品、休閑食品、速凍食品、糖果、冷飲、咖啡伴侶等方面廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)食品專用油脂加工已形成了與加工食品產(chǎn)業(yè)分布相匹配的華東、華南、華北三大產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，食品專用油脂行業(yè)總產(chǎn)值超過1000億元，并以每年15%以上的增速快速增長(zhǎng)。

食品專用油脂加工食品多樣性發(fā)展空間巨大。如2019年我國(guó)烘焙食品零售額達(dá)到2312億元，同比增長(zhǎng)7.40%；2019年我國(guó)巧克力產(chǎn)品零售額為223億元，同比增長(zhǎng)4.76%；加工食品的多樣化，對(duì)創(chuàng)新性食品專用油脂產(chǎn)品的需求巨大。而目前國(guó)內(nèi)食品專用油脂仍以通用型產(chǎn)品為主，企業(yè)自主創(chuàng)新能力亟需加強(qiáng)。同時(shí)，國(guó)內(nèi)僅江南大學(xué)、武漢輕工大學(xué)、河南工業(yè)大學(xué)等少數(shù)高校開設(shè)了食品專用油脂相關(guān)的專業(yè)課程，且課程主要以傳統(tǒng)的理論教學(xué)為主，教學(xué)過程中存在的理論知識(shí)與工程實(shí)踐應(yīng)用結(jié)合性差等突出問題，無法滿足創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

虛擬仿真（VirtualReality，簡(jiǎn)稱VR）是一種可創(chuàng)建和體驗(yàn)的虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，將多源信息融合、實(shí)現(xiàn)多元感知的仿真技術(shù)，具有交互性，產(chǎn)生沉浸感，在文化、醫(yī)療、軍事、教育等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。江南大學(xué)食品學(xué)院借助虛擬仿真技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)實(shí)食品專用油脂工廠，建設(shè)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)創(chuàng)新能力要求高的新工科技術(shù)人才培養(yǎng)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 食品專用油脂課程教學(xué)中存在的問題

食品專用油脂教學(xué)基本內(nèi)容包括：（1）油脂物化性質(zhì)及油脂結(jié)晶；（2）油脂的三大改性技術(shù)（分提、酯交換、分提）；（3）食品專用油脂產(chǎn)品（人造奶油和涂抹脂、起酥油、代可可脂、煎炸油等）；（4）食品專用油脂生產(chǎn)質(zhì)量控制。課程內(nèi)容安排包括了油脂結(jié)晶及乳化等油脂理化基礎(chǔ)、加工、裝備、產(chǎn)品品質(zhì)評(píng)價(jià)等內(nèi)容，知識(shí)點(diǎn)多、跨度大，授課16學(xué)時(shí)，學(xué)生很難在課堂學(xué)習(xí)中全部掌握。同時(shí)，為了滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求，本課程學(xué)習(xí)內(nèi)容突出理論聯(lián)系實(shí)踐，即課程理論教學(xué)要指導(dǎo)食品專用油脂產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用。實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)一般通過小型中試工廠現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)教學(xué)或食品專用油脂加工企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)。為了提升實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)質(zhì)量，江南大學(xué)食品學(xué)院油脂及植物蛋白工程中心投入專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)，定制了20kg/h的起酥油/人造奶油小試線，改造了5-10kg的油脂氫化設(shè)備，由于單次開機(jī)成本高、安全隱患和廢棄物處理困難，無法處置突發(fā)事故，始終無法模擬真實(shí)工廠的生產(chǎn)。同時(shí)，食品專用油脂加工企業(yè)由于生產(chǎn)組織及安全要求，很難接受學(xué)生短時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)。上述諸多限制性因素導(dǎo)致食品專用油脂教學(xué)過程中學(xué)生理論知識(shí)與工程實(shí)踐應(yīng)用結(jié)合性差、學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)薄弱問題長(zhǎng)期存在。同時(shí)，目前食品專用油脂的教學(xué)主要以課堂理論教學(xué)，中試工廠現(xiàn)場(chǎng)演示教學(xué)為主，主要還是傳統(tǒng)的“灌輸式”，教學(xué)形式單一，一次現(xiàn)場(chǎng)演示難以讓學(xué)生掌握實(shí)踐操作要領(lǐng)，學(xué)生無法動(dòng)手實(shí)踐，學(xué)習(xí)興趣不強(qiáng)，課后學(xué)習(xí)的主動(dòng)性較差。為解決傳統(tǒng)教學(xué)過程中照本宣科、缺乏實(shí)踐操作，理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)，同時(shí)，突破學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)受時(shí)間和空間的制約問題，將最新的技術(shù)手段“虛擬仿真技術(shù)”引入傳統(tǒng)的食品專用油脂的教學(xué)，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提升教學(xué)效果。

2 虛擬仿真技術(shù)在食品專用油脂課堂教學(xué)中的應(yīng)用

目前，高校青年教師引進(jìn)和培養(yǎng)存在注重開展高水平研究，發(fā)表高水平論文，忽視工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的導(dǎo)向，而食品專用油脂的教學(xué)不僅涉及到酯交換、分提、氫化等改性技術(shù)的理論問題，還涉及到將上述改性技術(shù)及其組合在具體食品專用油脂產(chǎn)品開發(fā)和創(chuàng)新中的實(shí)際應(yīng)用，如人造奶油、起酥油、巧克力、植脂奶油等。課堂教學(xué)創(chuàng)新乏力、學(xué)生厭學(xué)時(shí)有發(fā)生。為貫徹“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，結(jié)合多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才的“新工科”建設(shè)培養(yǎng)要求，針對(duì)食品專用油脂課題教學(xué)中的理論與實(shí)踐脫節(jié)問題，引入了虛擬仿真技術(shù)。

在食品專用油脂加工仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)中，參考現(xiàn)代化食品專用油脂工廠，借助文字、圖片、flash動(dòng)畫、三維模型、音頻和視頻等手段對(duì)加工過程的各個(gè)工段、管線、裝備等全部真實(shí)工廠要素在計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)，如氫化工廠。目前，“非氫化”加工工藝是食品專用油脂的發(fā)展方向，因?yàn)闃O度氫化油（100%飽和脂肪酸，不含反式脂肪酸）提供優(yōu)良的應(yīng)用性能，在部分產(chǎn)品中仍有應(yīng)用，如粉末油脂，植脂奶油。在課堂理論教學(xué)過程中，結(jié)合虛擬仿真試驗(yàn)平臺(tái)中豐富的三維模型、視頻、動(dòng)畫等素材，圖文并茂、生動(dòng)逼真的進(jìn)行講解，豐富理論教學(xué)的層次，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，在寓教于樂中增強(qiáng)學(xué)生對(duì)枯燥理論的理解及其與生產(chǎn)實(shí)踐的結(jié)合。特別是在今年新冠疫情期間，通過虛擬仿真試驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了“停課不停學(xué)”，保障了教學(xué)秩序，同時(shí)還提升了教學(xué)的質(zhì)量和效果。

3 虛擬仿真技術(shù)在食品專用油脂實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

目前，食品專用油脂的實(shí)踐教學(xué)主要以起酥油/人造奶油、分提等產(chǎn)品及改性工藝的中試車間演示為主，受場(chǎng)地、學(xué)時(shí)、學(xué)生人數(shù)等因素制約，學(xué)生實(shí)踐能力鍛煉有限。通過引入虛擬仿真教學(xué)手段，與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有食品專用油脂中試加工裝備進(jìn)行融合互補(bǔ)，理論教學(xué)和工程實(shí)踐相結(jié)合。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能保證每個(gè)學(xué)生獨(dú)立靈活的操作。在數(shù)字化的虛擬工廠中，學(xué)生可以選擇不同崗位進(jìn)行操作，加強(qiáng)理論在實(shí)踐中的運(yùn)用能力。同時(shí)，可以根據(jù)每個(gè)學(xué)生的實(shí)習(xí)情況，設(shè)置生產(chǎn)要求和突發(fā)事件，增強(qiáng)學(xué)生靈活掌握食品專用加工理論和工程實(shí)踐的能力。通過線下理論教學(xué)和中試工廠實(shí)驗(yàn)演示，結(jié)合線上虛擬工廠實(shí)踐操作，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握和分析解決實(shí)際問題的能力，提升學(xué)生的專用素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。沉浸式和角色扮演激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的欲望，明顯提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的效率。

4 虛擬仿真技術(shù)在食品專用油脂行業(yè)技術(shù)人員培訓(xùn)中的應(yīng)用

烘焙、休閑、糖果、冷飲等加工食品的快速發(fā)展，對(duì)食品專用油脂創(chuàng)新產(chǎn)品的需求巨大，這就對(duì)食品專用油脂企業(yè)人員素養(yǎng)和創(chuàng)新能力提出了更高的要求。而目前食品專用油脂研發(fā)和生產(chǎn)技術(shù)人員不足、理論及實(shí)踐能力不高已成為困擾相關(guān)企業(yè)發(fā)展的普遍問題。無論是從外部招聘，還是企業(yè)內(nèi)部培養(yǎng)，員工的理論和實(shí)踐技能培訓(xùn)都是必不可少的環(huán)節(jié)。技術(shù)人員的培養(yǎng)周期相對(duì)較長(zhǎng)，流動(dòng)日益頻繁，導(dǎo)致企業(yè)的培訓(xùn)成本日益增高。借助行業(yè)企業(yè)與高校建立的校企董事會(huì)、校企聯(lián)合研發(fā)中心等平臺(tái)資源及合作關(guān)系，利用虛擬仿真技術(shù)手段真實(shí)還原企業(yè)工廠的生產(chǎn)模式，建設(shè)數(shù)字化虛擬工廠，復(fù)制實(shí)際工廠的生產(chǎn)管理規(guī)范，實(shí)現(xiàn)企業(yè)技術(shù)人員進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)遠(yuǎn)程操作，提升理論水平和實(shí)踐動(dòng)手能力，為企業(yè)技術(shù)人員的培訓(xùn)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供有力的支撐。

5 虛擬仿真技術(shù)在食品專用油脂產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)和開發(fā)中的應(yīng)用

食品專用油脂的應(yīng)用涉及到上千種加工食品，對(duì)其功能和應(yīng)用性提出了巨大差異化的需求。而目前國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品以通用型、仿制型為主，缺乏針對(duì)具體加工食品的油脂需求，量身定制的能力。隨著物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造、云計(jì)算、5G技術(shù)等新技術(shù)在未來油脂制造領(lǐng)域的應(yīng)用，產(chǎn)品物性及功能需求等大數(shù)據(jù)、大流量的關(guān)聯(lián)，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過調(diào)整配方，模擬各種工業(yè)化的加工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的虛擬化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和功能評(píng)價(jià)，為創(chuàng)新性產(chǎn)品開發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，減少實(shí)際研發(fā)生產(chǎn)摸索的次數(shù)，降低研發(fā)成本和人員投入，為不同產(chǎn)品類型、不同功能訴求的食品專用油脂產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了可能性。

在“新工科”創(chuàng)新性卓越工程技術(shù)人才培養(yǎng)的背景下，線下線上、虛擬仿真、虛實(shí)融合互補(bǔ)、理論結(jié)合工程實(shí)踐的教學(xué)新模式已成為發(fā)展趨勢(shì)。食品專用油脂虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)和應(yīng)用，極大豐富了教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新了教學(xué)方式，能有效完善教學(xué)體系、深化理論和實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)改革，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，提升了教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)效果，對(duì)促進(jìn)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力提升具有重要意義。本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)還能應(yīng)用于學(xué)生生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)、員工培訓(xùn)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽等不同場(chǎng)景，通過虛實(shí)融合互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性的工程教育。當(dāng)然，食品專用油脂的虛擬仿真教學(xué)還處于起步階段，需要在平臺(tái)建設(shè)中積極摸索、在教學(xué)方式方法和創(chuàng)新應(yīng)用中不斷的總結(jié)和提升，才能持續(xù)推動(dòng)虛擬仿真技術(shù)在食品專用油脂人才培養(yǎng)領(lǐng)域的健康發(fā)展。