虛擬仿真在食品工程原理實驗傳統教學中的有機結合

陳燕萌，柳富杰，覃逸明

(廣西科技師范學院 食品與生化工程學院，廣西 來賓 546199)

食品工程原理是食品類專業必修的一門基礎專業課，有很強的理論性和實踐性，且與食品工業生產密切聯系，在課程體系中起著承前啟后和由理及工的重要紐帶作用[1]。食品工程原理實驗課程是食品工程原理課程的重要補充和實踐，是學生理論聯系實踐的重要途徑，對學生工程意識和工程思維的培養起著重要作用。虛擬仿真教學是一種共享型虛擬實驗系統，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[2]。

1 食品工程原理實驗傳統教學的優點與不足

1.1 傳統實驗教學的優點

1.1.1 提高學生的感知認識

傳統的食品工程原理實驗教學是指學生到食品工程原理實驗室親自操作真實的儀器開展真實的實驗。從心理學的角度出發，學生總是對自己能夠親身接觸的實物記憶得更加深刻和透徹[3]。在傳統的實驗教學中，學生可以看到真實的實驗設備構造和組成，可以通過實體的儀器理清管路和閥門的作用，可以學習某些重要設備的實際操作方法，如離心泵、板框壓濾機的使用等，這種通過視覺、觸覺、聽覺等來認識事物并獲得感性認知的過程，可提高學生對食品工程原理實驗的興趣，同時也會加深學生對理論知識的理解與掌握。

1.1.2 培養學生解決實際問題的能力

學生在進行傳統的實驗時，總會遇到各種各樣的問題，學生能否正確、快速解決這些問題，將會直接或間接影響實驗結果。如，在雷諾演示實驗過程中，水箱液位的波動幅度將會直接影響紅墨水呈現出來的流動形狀，間接影響學生所觀察到的流體流動形態，對此，要求學生在操作過程中必須隨時根據出水流量的變化，調節正確的閥門，控制水箱的液位達到平衡，以防進、出水量失衡造成的水箱液位波動嚴重、或水箱水量不足、或水箱水量溢出等現象的出現。學生通過經歷傳統實驗，不僅提高了動手操作的能力，也培養了分析和解決問題的能力。

1.2 傳統實驗教學的不足

1.2.1 教學設備守舊，數量不足

目前，傳統的食品工程原理實驗室現有的實驗設備大多是流體力學、恒壓過濾、吸收、傳熱、干燥、精餾等操作單元的教學儀器，這些教學儀器與化工原理實驗的儀器大體相同，大多是一些基礎型、驗證性實驗項目，缺乏一些綜合性、設計性的實驗項目。此外，食品工程原理實驗的每個實驗項目僅有一臺儀器設備，而上課對象一般多達15人/組以上，學生操作工位非常擁擠，使得在實際教學中往往會出現部分學生操作、部分學生圍觀等現象，不利于學生的學習探索。

1.2.2 儀器易出現異常，實驗結果不理想

傳統的實驗儀器有一定的使用壽命，常因使用率高、或學生操作不當等因素會出現異常，影響實驗結果。如，在流體流動阻力的測定實驗中，其中一個步驟是對倒U型壓差計進行排氣，學生對這步操作經常做不對，需要重重復復操作，增加了對儀器的使用率，使高壓閥、低壓閥超負荷扭轉，最終出現漏水，影響了儀器的性能；在傳熱實驗中，由于溫度探頭接觸不良，使得測量冷流體的出口溫度間歇性出現異常，也會影響實驗結果。

1.2.3 教學內容單一，范圍狹窄

傳統的食品工程原理實驗教學內容主要是雷諾演示實驗、流體阻力測定實驗、離心泵特性曲線測定實驗、洞道干燥實驗、填料吸收塔實驗、恒壓過濾實驗、篩板精餾實驗、傳熱實驗這八大實驗項目，內容都較偏向化工原理實驗方向，缺乏一些與食品工業相近的基礎性實驗項目和綜合性設計的實驗項目，如蒸發實驗、噴霧干燥實驗、流化床干燥實驗、超臨界流體萃取實驗等。

1.2.4 實驗教學受時間、場地限制

傳統的實驗教學一般都是在規定的時間到特定的實驗室開展相關的實驗項目，基本是一周學習一個實驗項目，每個實驗項目安排3學時。對于原理抽象、過程復雜的食工原理實驗，3學時的學習時間肯定是不夠的，學生需要更多的時間和機會對所學項目進行練習和更深入的探討。然而，高校的食品工程原理實驗教學普遍存在學生人數眾多、儀器數量較少、食品工程原理實驗的教師和實驗員人數不足的現象，這些因素在很大程度上限制了學生的自主學習，導致學生不能根據自己的時間自主規劃自己的學習內容。

2 虛擬仿真實驗的優點與不足

2.1 虛擬仿真實驗的優點

2.1.1 教學內容全面，綜合性實驗增多

食品工程原理實驗的虛擬仿真實驗內容比較全面，除了傳統教學的實驗項目外，還包括了流體黏度測定實驗、氣體液體擴散實驗、蒸發實驗、噴霧干燥實驗、流化床干燥實驗、液液萃取實驗、超臨界萃取、葡萄酒發酵單元虛擬實驗等，既包含了所有化工操作單元的基礎性實驗，又包含了一些綜合性設計實驗，教學內容全面，符合國家對應用型人才的培養要求。

2.1.2 操作思路清晰，安全簡便

虛擬仿真實驗在程序設定過程中會遵循安全操作的原則，對于學生操作不當、設置不合理的地方，系統會立即出現提示或安全警告，讓學生意識到錯誤和危險，從而提高了學生的安全防患意識。如，在虛擬仿真恒壓過濾實驗中，系統操作界面如圖1所示，當配料桶的懸浮液未經“泵入口閥-離心泵-回流閥”混合均勻時，就點擊采出閥輸送液體到高位槽，這時系統就會提示“懸浮液未混合均勻”的提示；若加水量少了，配制的懸浮液濃度過高，點擊采出閥時，系統會提示“懸浮液濃度太高，請加水”；當未打開排氣閥，就點擊采出閥輸送樣品時，系統會提示“請先打開高位槽排氣閥”。此外，還有更多不正確的操作，系統都會給予正確的提示，引導實驗一步步有序進行。可見，虛擬仿真實驗避免了傳統實驗過程中可能出現的泄露、高壓等危險事故的發生，避免了學生現場操作手忙腳亂、一片混亂的場景。

圖1 虛擬仿真恒壓過濾實驗系統操作界面

2.1.3 可無限重復，數據更接近理論值

虛擬仿真實驗是在仿真軟件下進行實驗的，不受實體物料、設備的限制，學生只要有電腦、軟件就能開展相關的學習。在學習過程中，學生可根據自己的時間，進行重復練習，同時也可通過更改參數條件，采集不同的數據，比較實驗參數變化對實驗結果的影響。此外，虛擬仿真實驗的實驗避免了傳統實驗過程中的種種故障和異常，即減少了傳統實驗的系統誤差、人為誤差和偶然誤差等，故采集出來的實驗數據較理想，學生通過虛擬仿真實驗數據驗證出來的結果也會更接近理論值。

2.1.4 虛擬實驗不受時間、場地的限制

與傳統實驗不同的是，虛擬仿真實驗實施的條件是電腦+軟件，學生可在自己的筆記本電腦裝上食品工程原理仿真實驗軟件，隨時隨地開展實驗項目的自主學習，不再受傳統教學學時、儀器設備、場所的限制。

2.2 虛擬仿真實驗的不足

2.2.1 缺乏實驗的氛圍

虛擬仿真實驗采用人機交互的模式，學生面對的是冰冷的電腦和一些不真實的軟件。授課時教師一般是通過主機控制方式與學生互動，這會給學生帶來一種感覺：他們面對只是一個會講解實驗知識的機器，而并非真正的人。虛擬仿真實驗模式一般采取一人一機，無法提供真實實驗中的人文環境，難以實現核心素養中提出的培養學生合作交流能力的要求[3]。

2.2.2 實驗過程過于理想化

虛擬仿真實驗完全是在虛擬的實驗環境中進行，每個步驟的進行都是通過操控鼠標或鍵盤來完成的。食品工程原理實驗注重培養學生面對實際事件時分析問題和解決問題的能力，而虛擬實驗過程都非常理想，對真實實驗過程中的一些細節，特別是易出現的實驗故障等問題缺乏模擬，不利于培養學生發現問題和解決問題的能力[3]。

3 傳統教學與虛擬仿真的有機結合

3.1 從實驗內容的構架將兩者有機結合

根據國家教育部對高校應用型人才培養的要求，實驗課的實驗內容應包含基礎性、驗證性、綜合性、設計性的實驗項目。在食品工程原理實驗的教學中，教師可采用傳統教學模式開展一些基礎性、驗證性的實驗項目，采用虛擬仿真教學模式開展一些綜合性、設計性的實驗項目，以此合理安排框架完整的實驗項目。

3.2 從實驗的操作可行性將兩者有機結合

食品工程原理實驗傳統教學中，個別實驗操作繁瑣、數據不穩定、存在安全隱患等問題，如，在恒壓過濾實驗中，由于學生控制壓力不恒定、所裝板框濾布漏液、實驗存在高壓風險，該實驗項目的常不能順利開展全部實驗內容，或采集出來的原始數據也不理想。因此，教師針對操作不穩定、操作存在安全隱患等實驗項目，可結合虛擬軟件開展仿真教學，以此實現教學目的。

4 結束語

食品工程原理實驗的傳統教學模式與虛擬仿真實驗教學模式各有其獨特的優點與不足，兩者不應獨立存在，而應相互共存、相互補足、相互促進的統一體。為了使食品工程原理實驗的教學效果達到最優，在高校的食品工程原理實驗教學中應將兩種實驗教學模式有機結合起來，從而實現實驗教學的目的。