虛擬仿真技術在“食品工程原理”課程實驗教學中的應用研究＊

王 英，陳 錚，韓 江，孔令明

（新疆農業大學 食品科學與藥學學院，新疆 烏魯木齊830052）

虛擬仿真實驗指學生借助虛擬仿真技術在計算機上進行實驗操作，達到實驗課程教學的目的和要求。將虛擬仿真實驗技術與“食品工程原理”課程相結合，不但有利于提高教師教學質量，并且能夠讓學生直觀、生動地學習相關知識。

1 實驗教學改革目的

食品工程原理實驗是“食品工程原理”課程教學必不可少的重要環節[1-2]，但在實際的實驗教學活動中，會遇到兩個主要問題：①實踐教學資源不足。若想使每一位學生都獨立自主操作實驗，實驗器材必須充足且多樣，而大多數高校擁有的設備和教學條件由于教學成本的原因基本難以滿足，無法達到理想的教學效果；若學生分組進行實驗，則難以評價學生之間的交流活動、個人的學習效果，某些教學環節在實驗時會成為盲點。②學習難度大。“食品工程原理”為食品科學與工程專業一門理論性和實踐性很強的重要專業基礎課，涉及動量傳遞、熱量傳遞及質量傳遞內容，并且包含流體流動與輸送、沉降與過濾、傳熱、蒸發、傳質、干燥等操作流程，學生理解起來較不易[3-4]。

而虛擬仿真實驗教學是通過應用計算機輔助技術進行仿真實驗，對比傳統的實地操作，其教學過程可做到“人手一機”，滿足每一位學生單獨進行實驗操作的要求。在授課計劃的編排上，虛擬仿真實驗教學可隨時將實驗教學穿插于每個單元的理論教學活動中，突破了時間和地點的限制，完成實地操作所不具備或是難以完成的實驗目標和教學目的，對促進學生了解實驗方法、了解實驗原理具有很大幫助，避免了實際實驗教學活動中存在的限制因素。

2 實驗教學改革方案

虛擬仿真實驗依據真實的食品工程操作過程，利用虛擬仿真技術，構建虛擬實驗場景，調整虛擬元器件的參數設置，運行仿真得出結果。學生可在虛擬系統內反復訓練，利用虛擬數字化的教學手段，使學生通過視覺及思維流程訓練熟練掌握實驗原理、操作過程及各知識要點。

2.1 仿真軟件架構

教師通過對學員和試題的管理操作，從而對整個仿真系統進行部署和維護。教師端通過網絡通訊程序與學員端進行連接，可控制每臺仿真電腦，啟動和控制每位學員的電腦端。

教師和學生可通過訪問管理平臺進行應用統計。登錄管理平臺后，可隨時查詢登錄統計和成績分析等數據信息，管理平臺也可通過通訊啟動和控制學員端仿真程序。

仿真程序學員端部署在學生的電腦上。學員端的應用管理程序負責提供智能評分、工況管理、仿真程序生命周期管理等服務，并提供這些服務對仿真運行平臺的訪問功能。仿真運行平臺創建仿真數據和計算單元，實現和維護仿真算法邏輯的運行。運行平臺向應用管理程序提供仿真運算的實時結果。

開發者通過仿真開發端提供的工具集進行建模，實現算法、圖元和工藝的組態，對仿真程序中的工況和評分進行配置。數據庫存儲所有信息，并可以獨立導出文件。

2.2 實驗教學流程

整個實驗過程按照教師講解理論、學生完成虛擬實驗的流程進行，實驗包括以下實施過程：①教師通過教學軟件系統中的3D 虛擬交互式軟件引導學生回顧相關基礎知識；②教師通過3D 虛擬軟件進行講解、操作示范；③學生進行操作練習；④教師逐一指導，檢查學生受訓情況內容掌握的程度，批閱實驗報告，并將批閱結果反饋給學生。

2.3 教學評價體系

學生操作結束后，軟件自帶評分系統，可依據系統給出評分提示，操作正確時得分，錯誤時扣分，每個步驟扣分最多只扣3 次。評價體系的特點如下：①評價體系采用生動形象的語音、動畫、文字、視頻等多媒體方式進行錯誤操作提示，更便于學生理解；②評分系統可分為練習模式和考核模式，練習時有步驟提示、教學演示、注意要點，考核模式屏蔽所有提示作用，僅有少量提示，并可設置考察陷阱，考核學生對操作的掌握程度；③學生可隨時進行自動評價，采用即時扣分機制，實時了解實驗過程中的操作不足；④考核完成后可調出操作日志，查閱正確操作情況及操作者的操作情況；⑤評價體系可通過互動操作、實習完成度和分歧選項對實行情況進行科學完整的總體評價。

3 實驗教學實施效果

虛擬仿真軟件提供了豐富的設備型號、完備的分析手段和獨特的模擬模塊等，有較強的仿真能力，主要有以下優點。

3.1 學習環境具有沉浸性

虛擬仿真技術可創造出“身臨其境”的操作環境，通過系統中的3D 虛擬交互式軟件可更加有畫面感地促進學生對設備的操作使用。虛擬仿真軟件可在電腦上模擬出一個三維空間的虛擬世界，并構建出高度仿真的虛擬實驗環境和實驗設備，提供使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓學生可以沒有限制地360°旋轉觀察三維空間內的事物，界面友好，互動操作，形式活潑，降低學生學習難度，增加了學生的學習趣味。使學生在實驗過程中可以自由操作，就像在真正的工廠環境中一樣。

3.2 實驗操作具有構想性

學生在虛擬環境中操作設備，可對教學內容中復雜、危險、反應周期過長及在傳統實驗室無法完成的實驗進行安全、直觀地展示，并能夠快速顯示最終的操作結果，達到構想性教學的效果。通過記錄數據及數據處理功能，仿真軟件可將操作過程中產生的數據記錄下來并能對數據進行處理，生成對應的圖表，從而找出實驗設計中存在的問題。

3.3 仿真過程具有動作性

學生在實驗過程中，可進行超臨界二氧化碳流體萃取裝置、天平、粉碎機、分光光度計、液相色譜儀、容量瓶、移液管等設備的選擇和操作，并進行原材料、純凈水、乙醇、挾帶劑、對照品、亞硝酸鈉、硝酸鋁和氫氧化鈉等所需試劑的定性和定量添加，以實際動作方式來進行實驗，讓學生感覺到操作的真實性。

3.4 操作過程具有自主性

在整個實驗的操作過程中，學生可自主選擇感興趣的模塊，添加不同的操作參數。軟件的每個模塊都有具體的操作流程，能夠模擬試驗操作中的每個步驟，并加以文字或語言說明和解釋。在虛擬世界中設備可按不同參數產生不同的效果，使學生置身其中，實現個性化教學。

4 實驗教學成效反饋

如今，虛擬仿真實驗教學在課程教學中發揮著越來越大的作用，其教學實施成效主要體現在以下3 個方面。

4.1 學生有良好的反饋

學生普遍認為全景模擬的虛擬實驗比傳統模式實驗更有趣，能夠在虛擬環境中最大限度地實現自己的思路，自由進行各種試劑的添加和配比，自主地選擇各種處理設備，而不用擔心在實驗中發生失誤或意外事故，大大提高了學生學習熱情與興趣、對整體流程的熟悉度及掌控度。

4.2 教學有良好的反饋

采用虛擬仿真實驗教學方式，教師在教學的過程中可進行程序化的實驗演示，減輕了教學任務，提升了授課效率。通過虛擬仿真軟件，依托虛擬仿真形式，形成了以學生為主導的實踐教學模式，受到教師的廣泛好評，新模式下的授課方式吸引了更多的師生加入，樹立了良好的口碑。

4.3 為其他課程的建設提供了借鑒

虛擬仿真技術為“食品工程原理”實驗課程的講授提供了全新的教學方法，是對原傳統教學方法的有益補充，是一種使學生更直觀更快捷掌握食品工程原理設備操作的教學方式，并為其他課程的虛擬仿真實驗建設提供了借鑒。

5 結語

食品工程原理虛擬實驗可提供一個三維的、高仿真度的、高交互操作的虛擬的食品模擬操作平臺，使學生通過在本平臺上的操作練習，進一步了解食品工廠實際操作環境、熟悉主要食品設備原理，為進行實際操作奠定良好基礎。通過虛擬實驗教學，為學生提供了一個自主發揮的實驗舞臺，有利于調動學生動腦思考，培養學生的動手能力，同時也增強了學習的趣味性。