混合式教學在食品工程原理實驗教學中的應用

汪立君，劉毅，張博雅，周忻，殷麗君

中國農業大學食品科學與工程學院（北京 100083）

食品工程原理是食品科學與工程專業的基礎必修課，是一門理論和實踐結合十分緊密的專業基礎課[1]。作為一門實踐性極強的課程，食品工程原理實驗課對該理論課的學習有著重要的輔助作用和補充作用。目前，食品工程原理實驗的教學通常會引入課件、教學視頻等多媒體輔助教學手段，但由于該課程的專業性較強，所涉及的食品工程相關設備結構較為復雜，操作過程繁瑣，教學效果往往不理想[2]。近年來，“互聯網+”已改變著理論課堂的教學，也將同樣改變實踐教學，將互聯網和信息化技術運用到實踐教學中具有重要意義[3]。虛擬仿真也逐漸運用到各學科的教學中，如食品機械與設備[4]。在新冠肺炎疫情防控期間，各大高校均通過線上開展教學工作，這也推動了食品工程原理實驗線上線下混合教學模式的改革。

1 食品工程原理實驗教學的現狀

食品工程原理實驗與生產實際密切相關。教學內容涉及大量食品工業常用的機械設備、操作方法和工藝優化等工程問題。在現實實踐中，存在設備結構復雜、實驗耗時過長、安全隱患大（易燃、易爆化學品的使用以及不規范的操作）、實驗室設備與實際生產有差別等問題，教學過程難度較大[5]。目前國內大部分食品專業院校在食品工程原理實驗課程的教學方面主要存在以下問題：①學生參與度不高，課堂中教師講授的時間較多，教師對實驗內容進行“填鴨式”講解，學生被動參照老師的講解或者講義操作；②學生動手率有限，部分院校儀器設備有限或損壞率高，不能滿足所有學生同時實驗，只能以少數學生動手操作為主；③操作不規范的現象普遍，課堂中由于老師精力有限，難以及時糾正每一位學生實驗中出現的不規范操作。課后由于實驗具有一定的危險性，學生沒有機會再次實際操作來復習鞏固，因此，該實驗課的整體教學效果不盡如人意。近年來，許多新的教學模式和理念被提出和應用在食品工程原理實驗的教學中，如翻轉課堂、SPOC（Small private online course，小規模限制性在線課程）教學模式和CDIO教學模式等[6-8]，均取得較好的效果。

為了更好地推動食品工程原理實驗的教學改革、提高學生參與度、增進學生對儀器原理和使用的掌握、減少儀器的誤操作和不必要的人為損壞，基于虛擬仿真平臺，對該課程的線上線下混合教學模式進行了積極探索，并收到了良好教學效果。

2 基于虛擬仿真的線上線下混合教學探索

2.1 線上教學實施

2.1.1 虛擬仿真平臺簡介

虛擬仿真實驗教學通過運用虛擬現實技術來模擬真實的環境和操作過程，讓學生在虛擬環境中進行學習和實驗操作[5]，擁有傳統實驗教學無法比擬的優勢。虛擬仿真平臺由北京歐倍爾公司提供。該平臺包括離心泵特性曲線、恒壓過濾、洞道干燥實驗等8個3D虛擬仿真軟件，涵蓋食品工程原理實驗的教學內容。每個仿真軟件包括實驗內容及目的、實驗原理、實驗設計、實驗裝置、實驗步驟、虛擬實驗操作平臺、實驗分析、數據處理8個模塊。此外，還可以利用虛擬仿真平臺進行仿真考試、生成實驗報告等。虛擬仿真實驗教學平臺突破傳統教學手段的限制，學生可以隨時訪問虛擬仿真實驗平臺，進行實時仿真實驗。

2.1.2 課前預習

在課前將電子指導書、教學課件、視頻資源材料上傳至微信群及雨課堂，供學生預習使用。同時，要求學生提前登陸虛擬仿真平臺，進行課前預習，練習相關操作。老師可以通過后臺查看所有學生對規定任務的預習情況。

2.1.3 實驗教學

疫情期間，利用“雨課堂”和騰訊會議等軟件進行線上實驗教學。在實驗課開課前，首先針對學生在實驗中容易忽略和操作易錯的知識點，進行隨堂小考，要求學生在線答題，檢驗學生預習情況和掌握程度。接著集中講解實驗相關理論知識與方法，這既解決了實驗獨立設課后，理論課和實驗課內容合理銜接問題，又使學生充分理解相關原理。隨后進行實驗操作的視頻演示，幫助學生直觀地了解實驗儀器和操作步驟。老師可提前在虛擬仿真平臺進行操作，將重要的操作方法及結果進行展示，也可以在線進行操作示范。之后，將虛擬仿真實驗得到的數據進行處理和分析，并與往年的線下實操得到的數據進行對比分析。最后要求學生利用虛擬仿真平臺進行課中及課后實操，并獨立進行數據分析及撰寫實驗報告。

2.1.4 課后互動

針對學生出現的對儀器設備零部件掌握不熟、對設備運行原理理解不夠、對實驗結果的分析討論不深入等問題，實驗教學增加了專門的課后答疑環節。此環節為學生提供課下與老師深入探討實驗結果和科研想法的機會，也幫助教師更好地掌握學生的學習進度和困難，取得了良好的效果。學生還可以在虛擬仿真平臺的仿真考試模塊進行測試以及回顧學習，進一步鞏固所學知識。學生對實驗結果進行分析和總結，在規定時間內上傳實驗報告至系統，老師可評選出優秀實驗報告并進行展示。將實驗中的重點和難點編成課后小測試，要求學生在“雨課堂”上答題，答題完成后自動給出答案和成績，以供學生們學習改正。教師可以在后臺隨時獲取學生在虛擬仿真平臺和“雨課堂”的學習數據，包括學習時長和答題正確率等，及時了解學生的學習情況。線上教學的模式如圖1所示。

圖1 線上教學示意圖

2.2 線上教學使用反饋和思考

2.2.1 食品工程原理實驗教學中虛擬仿真軟件使用情況

在一周內，虛擬仿真軟件使用率達到83.2%；其中恒壓過濾實驗3D虛擬仿真軟件使用人數達到193人，使用次數達到1274次，學生的平均使用次數在5次以上。學生的預習效果明顯提高，在課堂上回答問題的學生多了起來。可見虛擬仿真教學極大地提高學生的學習熱情。學生的課堂學習效果變得更好，課后練習題的正確率和實驗報告的完成效果也大大提高。

為了了解學生在食品工程原理實驗課程學習過程中虛擬仿真軟件的使用情況，在學生層面上開展調查，對2018屆學生232人進行調查，收集有效問卷201份，調查結果如下：

1) 虛擬仿真軟件對該課程學習有較大幫助

在調查使用虛擬仿真軟件對食品工程原理實驗的幫助時，發現95.52%的學生表示虛擬仿真軟件對食品工程實驗的學習有較大的幫助，其中76.12%的學生認為使用虛擬仿真軟件可以幫助模擬使用現實中難以接觸到的儀器，72.64%的學生認為使用虛擬仿真軟件可以幫助了解實驗原理和目的，加深對實驗操作的理解（圖2）。

圖2 虛擬仿真軟件對本課程學習的幫助

2) 使用虛擬仿真軟件過程的困難

在對虛擬仿真軟件操作難易程度進行調查時，發現36.32%的學生認為此虛擬仿真軟件操作簡單，59.70%的學生表示虛擬仿真軟件操作略為復雜，僅有3.98%的學生表示操作非常復雜，增加了學習的難度（圖3）。

圖3 虛擬仿真軟件的操作難易程度

3) 學生對虛擬仿真軟件的使用反饋

基于虛擬仿真軟件在實驗教學中的使用情況和存在的優缺點，對學生在實驗教學中是否愿意使用虛擬仿真軟件進行調查，結果發現約94.03%的學生表示虛擬仿真軟件是一個良好的實驗教學輔助手段（圖4）。但是在對學生是否愿意在實際操作外進行虛擬仿真實驗的學習時，約有29.35%學生表示很愿意在實際操作外，輔以虛擬仿真實驗的學習；約有60.20%的學生表示在時間充裕的情況下，愿意嘗試虛擬仿真實驗的學習；而10.45%的學生則表示不愿意在實際操作外再進行虛擬仿真實驗的學習（圖5）。這可能與虛擬仿真軟件的操作略為復雜有關。可見，提高虛擬仿真平臺的可操作性、開發更加用戶友好的操作界面，是提升虛擬仿真教學效果的可嘗試途徑之一。

圖4 虛擬仿真軟件是否是一個良好的實驗教學輔助手段

圖5 在實際操作外，使用虛擬仿真軟件的意愿

此次調查的結果為更好地建設食品工程原理實驗課程提供了很好的參考，也為教師在教學過程中如何引入虛擬仿真軟件提供啟示。

2.2.2 線上教學的優缺點

虛擬仿真軟件使得實驗教學擺脫實驗設備、場所和時間等的限制，學生可以隨時隨地反復進行自主學習。運用虛擬仿真平臺以及其他線上教學手段，提高了學生在課前、課中和課后三個階段的參與度。在食品工程原理實驗的教學中，使用虛擬仿真軟件有助于學生更好地理解實驗操作和實驗原理。如在蒸餾（精餾）實驗中，點擊精餾塔的原料輸送泵，系統就會彈出泵的相關介紹以及主要部件的拆解、剖面示意圖等，加深學生的印象。實驗教學中無法實施的高危單元操作可以以動畫的形式展現。還可以通過設置參數模擬異常操作，幫助學生了解異常操作現象、產生原因以及處理方法，增加學生的實踐經驗，提高學生對緊急突發情況的處理能力。

但線上教學也有一定的局限性，如虛擬仿真實驗不能縱觀全部，只能觀察局部，對總體實驗的把握不準，與實際動手操作存在一定的區別，以及記憶點不夠深刻等，因此對于在實驗教學中引入虛擬仿真軟件提出了更高的要求。不管是實驗教學內容上還是虛擬仿真軟件的使用上，都要以學生學習效果為主，在虛擬仿真軟件的展示上，充分引入其他教學資源，加深對虛擬仿真軟件展示上表現出的知識點的講解，使教學內容在虛擬仿真實驗上更加生動形象，最終可以達到加深學生對實驗原理、實驗操作的理解與掌握以及啟發學生思考的目的。

2.3 線下教學的實施

疫情期間，基于虛擬仿真平臺的線上教學雖然發揮了重要作用，但傳統的教學模式仍不可替代。食品工程原理實驗的線下教學，在使用傳統化學物料以外，還可使用食品物料，以更加真實地模擬食品加工的過程，讓學生在實驗中更直觀地體會食品工程原理的各個單元操作在食品加工中的作用，更深入理解原理和計算公式，從而培養學生的工程研究能力。在不同加工條件（溫度，壓力等）下，不同食品物料的特性參數（黏度、傳熱系數等）會發生變化，導致食品加工過程更具復雜性，促使學生開動腦筋，解決實際問題，鍛煉動手能力，培養工程研究能力。

以恒壓過濾實驗為例，采用食品物料和碳酸鈣進行對比實驗。將學生分為兩組，一組學生的實驗對象是豆漿或蘿卜渣、白菜渣等（復雜的懸濁液），另一組學生的實驗對象是碳酸鈣的水分散液（單一的分散體系）。碳酸鈣組的實驗進展順利；但豆漿組的學生始終得不到濾液，學生積極思考原因，將實驗理論與實驗操作結合起來尋找問題，最終發現助濾劑的缺失是導致實驗失敗的原因。添加助濾劑后，實驗得以順利進行（圖6是蘿卜渣濾餅圖）。由于食品物料成分的復雜性，大大增加了實驗的難度，學生通過此實驗，不僅掌握了過濾的基本原理和設備，還加強了學生對理論知識的理解，提高了其解決問題和工程研究的能力。

圖6 蘿卜渣板框過濾濾餅圖（2019年學生的實驗結果）

再以干燥特性曲線測定實驗為例，通過研究不同干燥條件（干燥溫度和時間）下，白蘿卜（或蘋果片等食品物料）干燥特性以及產品品質的變化，學生不僅可以學會食品干燥的基本原理，繪制干燥特性曲線，還可以學會如何設計工程實驗，培養學生建立品質與效率的工程研究能力。不同干燥條件下白蘿卜樣品見圖7，這樣直觀的實驗效果是線上教學所不能達到的。因此，線上教學可以有效地介入學生的課前預習與課后復習中，在線下教學方面，應注重盡量采用食品物料進行實驗，豐富實驗內容，鍛煉學生的動手能力。

圖7 不同干燥條件下白蘿卜樣品圖（2019年學生的實驗結果）

3 結語

食品工程原理實驗是一門實踐性、工程性極強的課程。基于虛擬仿真平臺，結合“雨課堂”“歐貝爾的虛擬仿真平臺”等線上教學手段，可以突破傳統實驗教學中儀器設備和安全隱患等條件的限制，努力實現金課“兩性一度”的要求，就是高階性、創新性、挑戰度。在線下教學方面，應注重彌補線上教學的不足，采用食品物料進行實驗，豐富實驗內容，進而培養學生科學的發散思維、設備與工藝的結合能力、食品物料品質與效率的綜合工程研究能力。線上線下混合教學對提高實驗的教學水平和教學質量有著積極的影響，為食品工程原理實驗的教學改革提供了參考。