虛擬仿真技術在食品工程專業實驗教學中的應用研究

李鉉軍 李范洙 張先

摘? 要：針對食品工程類課程實驗教學中存在的實驗場地不足、大型設備短缺、投入資金較少、某些實驗存在較大危險性等問題，本文通過引入已在高等學校實驗教學過程中應用較多的虛擬仿真技術，充分發揮其直觀性、生動性的優勢，讓學生在沉浸式體驗中進行實驗，激發學生主動學習的熱情。基于虛擬仿真技術試錯成本低的特點，讓學生緊跟時代步伐自主設計實驗方案，在成功與失敗中實現自我成長。最終達到提高教學水平，提升學生的創新和實踐能力的目的。

關鍵詞：虛擬仿真? 食品工程? 實驗教學? 應用研究

Abstract： In view of the problems existing in the experimental teaching of food engineering courses， such as the lack of experimental sites， the shortage of large-scale equipment， less investment， and the greater risk of some experiments， this paper introduces the virtual simulation technology， which has been applied in the experimental teaching process of colleges and universities， to give full play to its intuitive and vivid advantages， so that students can carry out experiments in immersion experience and stimulate students Give students the enthusiasm to study actively. Based on the characteristics of low trial and error cost of virtual simulation technology， the students can follow the pace of the times and design the experimental scheme independently to realize self-growth in success and failure. Finally， the purpose of improving teaching level and students' innovation and practice ability is achieved.

Key Words： Virtual simulation; Food engineering; Experimental teaching;Application research

虛擬仿真技術是信息化快速發展的新事物，可以高度逼真地模仿現實世界中的各種事物，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[1]。傳統的食品工程實驗，多數情況下受到實驗設備、實驗場地及教學投入資金等多方面條件的限制，存在實驗設備陳舊或不足等問題，限制了實驗課程的展開與深入。另外，受到教學模式和考核方式的影響，教學效果一般，傳統的模式很不利于人才的培養[2]。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，具有虛幻性、交互性、沉浸性、逼真性等特點，現已廣泛應用于高等學校的實驗教學過程中[3]。

1? 傳統“食品工程實驗”存在的問題

1.1 實踐教學方法單一，學生參與度低

目前食品工程類課程的實驗教學還是以傳統教學方法為主，實驗前上教師“一言堂”，將每個實驗的主要知識內容及注意事項傳遞給學生。然后安排學生做既定的實驗。在這種教學模式下學生只是簡單地接受知識，并沒有過多的思考、分析和討論及創新環節，對于知識的掌握程度僅僅是皮毛，并不能真切理解每個實驗的結構構成與工作原理。在有限的實驗條件下，傳統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，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[4]。以“食品工程原理實驗”為例，實驗中用到的設備較多，一些大型設備數量往往較少、操作又復雜，且價格貴重、維修困難。在大多情況下只能通過實驗教師演示，學生旁觀的形式進行授課。由于實驗資源有限，多采用5～6 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。

1.2 教學內容有局限

對于食品工程專業而言，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效手段。相對于專業發展的實際需求，大部分院校對食品類專業的資金投入并不充足，尤其是新開設的前幾年，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。食品工程類課程作為專業必修課，選用教材雖為高端前沿的規劃教材，但部分章節內容不能及時更新，部分設備在生產企業使用率不高或不再適用，食品行業出現的新型加工設備或技術在課本上體現少。因此，學生無法緊跟食品行業發展的脈搏，了解食品生產發展的趨勢，進而無法滿足企業對加工技術人才的需求。而且，目前高校實驗室中使用的設備多為實驗用小型設備或間歇操作型設備，與實際生產所需設備相差較大，學生容易對工業化生產認知脫節[5]。

1.3 學生專業基礎知識薄弱

食品工程實驗是實踐性較強的課程，在這類課程之前，學生要先學習《大學物理》《機械制圖》《大學數學》等基礎課程。但是相對于傳統的工科類專業，食品專業學生對工程類基礎知識的掌握相對較弱。對于工程設備設計、結構的理論基礎和空間立體結構想象能力薄弱，對于設備的結構組成和工作原理等知識點，理解起來比較困難。食品類專業雖為工科，但專業多開設于非工科類院校，多數高校教學以理學為主，偏重于培養學生食品加工生產技能、食品質量檢測、食品品質控制等方面的能力，而忽視工程應用性較強的食品工程類課程的教學。

1.4 考核形式單一，缺乏全面性

食品工程類實驗的考核注重學生實踐創新的能力、綜合知識的運用能力和溝通合作的能力。多數情況是1～2名老師指導20～40名學生進行實驗。教師精力有限很難關注到每位學生，并對其綜合表現作出客觀評價。因此多數情況下是根據學生實驗出勤和實驗報告對其進行評分，這種考核方式過于簡單，容易以偏概全，不能對學生的動手能力進行客觀的評價，導致學生只重視寫實驗報告，不重視具體的實驗過程[6]。甚至有部分學生，只出勤不操作，再抄襲他人成果。且實驗報告的內差異不大，不能體現學生的主觀能動性。傳統的考核形式標準模糊，不能對學生的綜合素養進行全面客觀的評價，很難達到考核學生的目的，不利于學生綜合素質的培養。

2? 虛擬仿真技術在食品工程類實驗教學中的優點

2.1 提高創新能力，激發學習興趣

食品工程實驗設備往往構造復雜，工藝難度大，科技含量高，學生很難掌握其原理，所以老師不僅要進行抽象的講解，更要帶領學生多進行實踐操作。虛擬仿真實驗可借助計算機技術和網絡構建虛擬的、仿真的實驗操作環境，學生可在網絡世界中運用虛擬技術進行仿真實驗操作，完成各種實驗項目。通過將各項食品工程實驗虛擬仿真，可以充分調動學生的積極性，提升學生的學習興趣，使實踐教學不只局限于抽象的理論教學，學生可根據需要隨時隨地利用網絡進行學習操作。學生在高沉浸感的虛擬環境下，可引導學生進行課前預習、課后復習，進而激發自主學習的熱情，對學生掌握實驗技能、提升動手能力都有非常大的幫助[7]。虛擬仿真系統可根據食品加工技術的發展進行及時更新與完善，具有更新速度快、成本相對低廉以及與時俱進的特點。同時，虛擬仿真系統不受時間、地點和實驗室空間的影響，根據需要學生可以獨立實驗，還可以反復操作，在不斷的實踐中驗證自己實驗設計的科學性、合理性，進而提高思維能力和創新能力。最終，擴展了實驗教學的廣度和深度。

2.2 完善實驗內容，降低教學成本

傳統的食品工程實驗設備價格昂貴、占地面積大且技術更新慢，而且學生若操作不慎還易引發觸電、燃爆等事故。若將部分實驗通過網絡技術進行虛擬仿真，不僅能夠節約教學成本，還可以拓展實驗項目，讓學生多接觸行業前沿的新設備新技術。目前，很多高校都與企業合作構建了虛擬仿真平臺。例如，食品機械主要有虛擬仿真實驗操作模塊和設備結構認知仿真模塊兩部分內容。虛擬仿真技術利用幾十種實驗設備的仿真動畫，將設備的立體空間結構與動態工作過程呈現出來，學生如同親臨生產車間，使學生容易理解，易于接受。這樣既豐富了課程設置，讓學生接觸了更多的食品生產技術和設備，也大大減小了學習難度，使理論知識與生產實踐實現了緊密的結合。

2.3 提高綜合素質，考核客觀全面

虛擬仿真實驗教學可深入剖析實驗教學過程，這就對學生的前期學習提出較高的要求，學生必須在理解的基礎上才能進行正確的操作。大家都可以通過虛擬仿真實驗平臺進行預習，然后進行實踐操作，這樣可以大大提高實驗教學的質量和水平，進而減少實驗中出現的盲目操作和走過場現象[8]。教師根據需要可在虛擬仿真實驗項目中設定考核點，了解學生真實的試驗過程，進而形成更加科學合理的考核標準。了解到相關考核點后，學生積極主動地完成相關知識點的學習，從而提高實踐教學質量。虛擬仿真技術在允許范圍內可修改各項參數，使得每個學生的實驗操作都有所不同，學生也就失去了抄襲實驗報告的動機。虛擬仿真允許學生根據自己認知制定實驗方案，調整各項實驗參數進而模擬真實的生產過程，即使是失敗的操作，學生也可從中汲取教訓，學生的試錯成本低。通過這一方式可激發學生的創新精神，有利于學生進行創新創業實驗項目[9]。

3? 結語

實踐教學在我國的高等教育中，是一個非常重要的環節，我們要認真貫徹黨的“教育與生產勞動相結合”教育方針。虛擬仿真技術讓傳統實驗室因危險性實驗、實驗室空間有限、儀器設備資源有限等原因無法完成的實驗，成為可能。將虛擬仿真技術與傳統的食品工程實驗并用，使學生不受空間和時間的限制，虛實結合，優勢互補，提高了學生對實踐教學的興趣，擴展了學生的視野，培養了學生的創新性思維以及實踐操作能力，從而提高了學生的綜合素質。使學生所學的理論知識與生產實踐實現緊密的結合，提高了實驗教學的質量，有利于高校為國家培養更多應用創新型的人才。

參考文獻

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[10]楊正雨.數字化技術在中學物理實驗教學中的應用研究[D].合肥：合肥師范學院，2020.