“新工科”視域下食品科學與工程專業虛擬仿真教學與創新平臺的構建

吳永祥，胡長玉，王德青，金聲瑯，呂順清

(1.黃山學院 生命與環境科學學院，安徽 黃山245041；2.黃山學院 旅游學院，安徽 黃山245041)

隨著大數據、人工智能、云計算等技術的快速發展，在“中國制造2015”、“工業4.0”等強國戰略背景下，新興工業強勢崛起，推動了食品工程與信息化、數據化、智能化等領域的轉型升級，同時也為我國高校培養食品科學與工程專業應用型創新人才提供了良好契機[1]。食品科學與工程主要涉及食品加工工藝、產品保藏與包裝、工廠設計與制圖、現代儀器分析、機械與設備、企業管理等學科。實踐教學中相關的加工設備、現代分析儀器、企業車間布局設計等成本投入高，但因資金和場地有限，導致教學中學生的工程實踐鍛煉只能停留在表面，達不到預期的教學效果，不能滿足當前社會對“新工科”背景下食品科學與工程專業應用型創新人才的需求[2,3]。黃山學院食品科學與工程專業起步較晚，專業師資與專業基礎薄弱，尚未形成科學的學科專業體系，且在培養工科應用型創新人才過程中暴露出理論知識與實踐應用結合性不強等問題[4]。作為傳統的食品科學與工程專業，要在新時代環境中生存與發展，只有不斷轉型升級和改革創新。

“新工科”作為工程教育的新理念、新模式，為工程教育的創新發展提供了諸多思路。與傳統工科比較，“新工科”理念更加注重多學科的交叉融合，著重培養人才的工程意識、工程素質、實踐能力和創新能力[5]。2017 年 4 月，教育部發布了《2017-2020 年示范性虛擬仿真實驗教學項目建設規劃》，提出了以現代信息技術為依托，開展虛擬仿真教學項目的建設，延伸教學的時間與空間，以增強學生的工程實踐和創新設計能力。虛擬仿真教學作為先進的教學手段，是利用虛擬現實技術、傳感器技術、數字多媒體技術、人機交換技術等信息技術，模擬虛擬現實下的環境，使現有條件下無法完成的教學活動在虛擬條件下進行，并實現教學資源的共享開發與數字化[6]。虛擬仿真教學具有較強的演示性、實踐性、趣味性和安全性，不僅能將理論教學和實驗實訓連接成一個有機整體，強化學生對理論更深層次的理解，而且能加強學生的工程實踐鍛煉，有效提升學生的創新能力[7]。黃山學院食品科學與工程專業亟需運用“新工科”的工程教育理念，構建食品科學與工程專業虛擬仿真教學與創新平臺，整合與完善現有的教學資源，深化教學改革，構建完整的學科專業體系，以滿足當今社會對新型工科食品科學與工程專業應用型創新人才的需求。

1 平臺構建目標

食品科學與工程專業虛擬仿真教學與創新平臺的建設以當今社會對人才需求為導向，結合專業定位，構建合理的虛擬仿真教學項目，建立科學的食品科學與工程專業課程教育體系，豐富教學內容。以學生為中心，從大學生的理解和實踐能力入手，充分調動學生主動學習的積極性，注重培養學生的綜合素質。充分利用數字多媒體技術、人機交換技術、虛擬現實技術、傳感器技術等信息技術，革新傳統教學方式，利用互動式、競賽式、項目式的教學方法，訓練學生的工程項目思維和團隊協作能力，延伸教學的時間與空間，推動教學方式多樣化。以虛擬仿真教學項目開發的科學性、課程的教學效果、學生工程實踐和創新能力的提升為標準，建立多元、動態的評價體系，確保虛擬仿真教學評價體系的有效性。

2 平臺構建思路

為解決食品科學與工程專業傳統教學存在的問題，將虛擬仿真技術引入到現代教學中，可以彌補實體教學受儀器設備、場地環境、時間與空間等因素制約的缺陷，充分發揮虛擬仿真教學的生動形象、直觀易懂，有助于激發學生主動學習的熱情和推動學生積極進行實踐綜合訓練。同時需要注意的是不能簡單地將虛擬仿真教學附屬于實體教學，真正的動手能力與技能還需要在現實中去實踐與鍛煉，應遵循“虛實融合互補，多元協同工作”的理念來確定兩者的關系，構建虛實兼顧的一體化教學體系[8]。

黃山學院生命與環境科學學院在食品科學與工程專業大學生實踐創新能力培養環節中引入虛擬仿真教學模式，不斷完善軟硬件條件，充分發揮虛擬仿真教學對實體教學的補充作用、對大型或加工環境實體實驗實訓的替代功能，以滿足當今社會對新型工科食品科學與工程專業應用型創新人才的迫切需求。結合實際，學院積極探索新型工科應用型創新人才培養模式，構建食品科學與工程專業虛擬仿真教學與創新綜合平臺，如圖1。

圖1 黃山學院食品科學與工程專業虛實結合的一體化教學體系

3 平臺構建內容

黃山學院食品科學與工程專業虛擬仿真教學與創新平臺主要分為專業理論教學虛擬仿真模塊、專業實驗虛擬仿真模塊、專業實訓虛擬仿真模塊、創新設計虛擬仿真模塊4個部分。整個平臺構建內容按照虛實融合互補的原則進行建設，形成了多元協同的較為完善的教學新體系，具有多學科的綜合與交叉的特征。

3.1 專業理論教學虛擬仿真模塊

食品科學與工程專業核心課程如食品機械與設備、食品工程原理、食品工廠設計基礎等知識結構復雜分散，內容抽象難懂，要求學生有較強的空間想象能力，因此在傳統教學過程中面臨較大困難。專業理論教學虛擬仿真模塊能將不同食品加工工作原理、不同食品加工設備的運作和操作過程、不同食品工廠生產車間平面設計等相關知識內容系統化，并以3D 動畫形式一一呈現出來，極大增強了教學的直觀性和生動性，讓學生有種親臨其境的學習氛圍。如圖2 所示，以食品機械與設備為例的專業理論虛擬仿真教學，可以結合學院現有的加工設備，采用虛擬現實和三維技術重點教學食品物料輸送機械、原料預處理設備、食品分離機械、加熱殺菌設備、濃縮與干燥設備、包裝技術裝備等幾十種典型食品加工設備的工作原理、加工操作和維修維護。通過虛擬仿真教學，以3D動畫形式呈現機械與設備的內部結構、組裝及運行過程。同時，學生可隨時隨地進行相應的學習，通過反復訓練，強化學生對理論更深層次的理解。在此過程中教師與學生可以進行線上和線下的互動交流與答疑，針對教師的解答效果和學生項目的完成情況進行互評，針對性地提出改進意見，完善平臺建設。

圖2 食品機械與設備的專業理論虛擬仿真教學模塊

3.2 專業實驗虛擬仿真模塊

為彌補傳統實驗教學中大型儀器設備和場地不足，專業實驗虛擬仿真模塊以虛實結合的原則對實驗教學進行改革，通過對典型大型儀器單元操作，如氣相色譜、高效液相色譜、原子吸收光譜、紅外吸收光譜、掃描電鏡、核磁共振波譜等的仿真，強化學生對儀器單元結構及工作原理的理解，提升學生對儀器單元操作的實踐能力。如以食品分析實驗課程中“原子吸收光譜法在農產品重金屬檢測中的應用分析”為例，學生可在原子吸收光譜虛擬實驗室進行儀器結構認知、樣品預處理、分析條件設定、火焰法檢測、石墨爐法檢測及日常維護與故障維修6個模塊的實踐訓練。虛擬實驗內容包括各種樣品的預處理、氣體流量調節、儀器操作條件設定與優化、測量操作、數據處理及結果分析等多個關鍵環節。學生在虛擬實驗中，可選擇不同類型的樣品在實驗臺上模擬試劑配制操作，完成標準樣品與試樣的配制，并可以通過改變虛擬儀器的分析條件，觀察比較吸光度數值的變化來確定最佳實驗條件。此外，學生能根據選擇的樣品，通過3D 仿真實驗裝置交互式操作，模擬出該樣品的分析全過程，包括標準樣品與試樣的分析、標準曲線繪制、數據處理過程等。每個學生都能親自動手實驗、觀察實驗現象、記錄與分析實驗數據，促進學生對理論知識的掌握。

3.3 專業實訓虛擬仿真模塊

實訓虛擬仿真模塊是食品科學與工程專業教學體系中培養學生創新能力最重要的模塊。根據專業建設要求，構建啤酒發酵工藝虛擬仿真實訓、果酒發酵工藝虛擬仿真實訓、蘋果汁飲料生產加工虛擬仿真實訓、香腸加工虛擬仿真實訓、雞蛋分級加工虛擬仿真實訓、面膜生產加工虛擬仿真實訓、軟糖3D 工廠車間虛擬仿真設計等。采用虛擬工廠的形式可以展現食品生產企業的廠區總平面設計、生產車間管道設計、生產工藝路線和加工設備等，將產品生產良好操作規程、SSOP 衛生標準操作程序、ISO22000質量標準和車間管理等內容融合到虛擬仿真實訓中，并進行仿真互動。實訓虛擬仿真模塊含有評判功能，由預設的智能化評分系統對學生的實際操作進行科學打分，將成績自動統計并輸出。學生通過虛擬仿真實訓能夠全面系統地掌握產品的生產全過程，強化學生的工程意識、工程素質、實踐能力和創新能力，為學生進入生產企業實習與就業打下良好的基礎。

3.4 創新設計虛擬仿真模塊

創新設計虛擬仿真模塊主要是學生經過專業理論、專業實驗和綜合實訓后進行的創新設計實踐，該模塊以專業的各類創新創業學科競賽、教師的縱向與橫向項目、國家級與省級大學生創新創業訓練計劃項目為訓練資源（如圖3 所示），鞏固學生專業理論知識，啟發學生創新思維，有助于提升教學效果。結合虛擬仿真實踐教學資源豐富和實踐性強的特點，以競賽或項目的形式培養學生團隊協作及解決實際問題的能力，進而從整體上提升學生的創新與創業能力。創新設計虛擬仿真模塊具備跨學科、跨年級等特點，可以將多個專業領域的學生匯聚在一起，推動學生學習面的擴展。黃山學院食品科學與工程專業在教學中使用創新設計虛擬仿真模塊取得了較好的教學效果。近3 年，學生參加省部級以上創新創業大賽并獲獎20余項，包括全國大學生生命科學競賽三等獎3 項、安徽省大學生食品設計創新大賽一等獎2 項和二等獎5 項、安徽省“互聯網+”大學生創新創業大賽銀獎3項、安徽省大學生“創新、創意及創業”挑戰賽二等獎1項等；學生主持或參加國家級大學生創新創業訓練計劃項目12項、省級大學生創新創業訓練計劃項目25項；參與申請國家專利15項；學生參與發表學術論文20余篇。

圖3 食品科學與工程專業創新設計虛擬仿真模塊

4 小 結

在“新工科”的建設背景下，虛擬仿真技術在教學中的應用已成為發展趨勢。食品科學與工程專業虛擬仿真教學與創新平臺的構建和應用，無疑會極大地豐富教學內容和創新教學方式，能有效地深化教學改革，完善教學體系，大大提高學生主動學習的積極性，促進學生工程實踐能力和創新能力的提升，有效提高教學質量。本平臺的建設今后還能共享于生物技術、烹飪與營養、生物科學以及環境工程等專業，并為工程教育的改革發展提供一定的借鑒。但現行的虛擬仿真教學仍處于起步階段，需要在平臺建設過程中積極探索，在教學實踐中不斷思考和總結，才能推動虛擬仿真教學體系的可持續發展。