食品科學與工程類專業生產實踐環節混合式教學模式創新與實踐
——以“NFC果蔬汁生產實踐與設計”虛擬仿真實驗教學為例

易俊潔，劉志佳*，周林燕，蔡圣寶，胡小松,2

1(昆明理工大學 農業與食品學院，云南 昆明，650500) 2(中國農業大學 食品科學與營養工程學院，北京，100083)

食品科學與工程是一門注重培養學生工程實踐能力的學科，其中生產實踐環節是學生順利完成課程實習、畢業實習、畢業設計的前提，是學生將理論知識轉化為實踐能力、感受真實大型食品加工生產工藝的過程。然而食品科學與工程專業工廠生產實踐環節受時間、空間、經費限制難以開展，導致培養的學生難以滿足現代食品產業的需求。互聯網時代背景下，虛擬仿真、多媒體、人機交互等技術的發展為傳統教學模式的革新帶來了新思路。將傳統教學與現代化數字或網絡教學相結合形成的混合式教學模式，既能充分發揮教師的組織、引導、啟發、監控教學的主導作用，又能調動學生的主動性、積極性與創造性[1]。探討混合式教學在食品科學與工程專業實踐教學中的應用是結合互聯網技術優勢對傳統教學模式的革新和對新型教學模式的探索。

NFC(not from concentrate，非濃縮還原)果蔬汁，由新鮮果蔬直接榨汁、除雜、乳化、殺菌、灌裝后制得。與市面上其他類型果蔬汁相比，NFC果蔬汁加工步驟少、無添加、能較好保留新鮮水果的營養價值和風味，更符合消費者對營養健康食品的追求，具有廣闊的市場前景[2]。NFC果蔬汁加工生產工藝代表著國際果蔬汁加工產業的先進技術，涉及到的生產衛生規范、食品工廠建造與管理規范、工藝流程、加工參數、機械設備等知識點均為食品科學與工程專業教學的重點內容，具有一定代表性。本文以昆明理工大學農業與食品學院搭建的NFC果蔬汁生產實踐與設計虛擬仿真平臺為例，探討虛擬仿真實驗在食品科學與工程專業實踐環節教學的應用，探索虛實結合的混合教學模式在生產實踐環節中的可行性，以期解決相關專業實踐教學存在的問題并提高整體教學質量。

1 傳統食品科學與工程類專業生產實踐教學的局限性

1.1 課程實踐教學設施難以與時俱進

現代食品工業發展迅速，生產設備自動化、智能化、復雜化水平不斷提升，更新迭代速度快，相應地對食品生產企業的管理、生產工藝、設備操作模式產生了巨大的改變，也對高校食品相關專業課程教學及技術培訓提出了更高更新的要求。食品科學與工程專業的教學涉及食品加工工藝、食品保藏、食品工廠設計、相關儀器分析、機械設備等學科；實踐環節包括食品加工生產設備認知維護操作、工藝流程學習、現代分析儀器使用、生產車間布局參觀認識等方面[3]；相關設施涉及學科多，搭建成本投入高，多數高校因資金和場地有限，無法及時更新相關實踐教學設施，導致目前大部分高校食品相關專業仍采用小規模實驗室生產和工廠參觀的方法開展這類課程的實踐教學。而現代化的食品工廠采用計算機中央化控制自動化連續生產，已不再是單元設備的簡單連接[4]。實驗室小型設備構造簡單，操作單元獨立，生產流程銜接多由人工完成。學生無法對現代化食品工廠中控制連接和設備布局有詳細了解，難以對整體加工工藝流程建立起系統、全面的認識，造成了掌握技能與實際生產脫節嚴重。

1.2 大型工廠實踐過程學生參與度低

目前，眾多高校都面臨著工廠生產實踐學生參與度低的問題，一方面食品生產企業出于生產衛生安全考慮，難以容納大量學生進入工廠參觀實習，另一方面，現代化食品加工設備自動化、連續化程度高，內部結構復雜難懂，學生們在生產實踐過程中難以在短時間內掌握[5]。在工廠實踐活動中學生沒有機會近距離對大型食品生產加工設備上手操作及拆分以了解內部構造和工作原理。走馬觀花式的工廠實踐，學生對這些設備的了解只能停留在外觀辨識階段，對抽象內部構造和工作原理無法形成具體認識。學生學到的知識較為片面，不能直接接觸、參與真實大型實踐生產，致使知識與技能的轉化效率低，難以發現存在的問題，學生獨立思考、解決問題的能力得不到提升，培養的學生難以滿足當前相關行業對應用型創新人才的需求[6]。

1.3 傳統生產實踐環節評價形式單一

食品科學與工程專業生產實踐環節是學生知識綜合運用能力、實踐創新能力、團隊合作能力的綜合考查。傳統的工廠實踐教學活動中，學生人數多，實踐崗位分散，指導教師少，教師難以做到具體了解每一位學生的實習情況[7]。考核評價僅通過學生出勤率和實習報告完成度打分，無法及時了解學生在實踐活動中遇到的問題，難以根據學生學習情況進行指導和幫助，不能客觀評價學生真實表現。最終導致學生只關心結果，以完成實習報告為主，不注重實習過程，僅僅是對實習工作的簡單重復，無法形成自己的見解。單一的評價模式難以實現對實踐教學的高階性、創新性和挑戰度的考察，實踐環節最終變成走過場的形式主義教學[7-8]。

2 虛擬仿真實驗平臺建設與混合式教學實踐

2017年國家教育部發布的《2017—2020年示范性虛擬仿真實驗教學項目建設規劃》為食品相關專業實踐教學提供了新的發展思路[9]。虛擬仿真教學利用虛擬現實、傳感器、數字多媒體、人機交換等信息技術模擬現實環境，在虛擬環境下完成現有條件無法完成的教學實踐活動，并實現教學資源的共享[3]。虛擬仿真技術以其沉浸性、虛幻性、逼真性和交互性等特點被廣泛應用在本科課程的實踐實驗教學中，通過構建可控的、逼近真實、多感知一體化的學習環境，使學生由被動接受者變成課程的主導者。通過人與虛擬世界的多元感知和自然交互及虛擬實驗技術的逐漸成熟，給教學方法和教學效果帶來革命性升級。利用虛擬仿真技術，基于原有教學資源，將工廠實踐與理論學習巧妙結合，構建虛擬大型現代化食品生產加工實踐與創新平臺，將有助于解決諸多食品科學與工程教學實踐的難題，實現數字化、現代化的教學改革，完善學科專業體系建設，以滿足當今社會對食品行業新型人才的需求。

2.1 混合式教學構建理念

根據云南果蔬產業結構特色，為滿足云南食品制造產業對技術創新型人才的需求，構建了以NFC果蔬汁生產關鍵技術為核心，集知識學習、工廠虛擬實踐、考試考核于一體的虛擬仿真平臺。該虛擬仿真平臺以“虛實結合，能實不虛”的目的，1∶1還原真實NFC果蔬汁工廠生產場景，模擬工廠實習體驗，融合果蔬汁生產衛生規范、生產加工工藝、儀器設備工作原理、操作要領、維護方法等知識體系，并設置趣味闖關和創新設計的多維度考核模式，充分體現了“高階性、創新性、挑戰度”的“兩性一度”教學要求，形成“課堂教學-課程試驗-虛擬仿真-工廠實踐”虛實結合，線上線下混合式教學模式，填補實驗室小規模生產與真實現代化工廠生產的差距，促進理論知識學習與工程實踐能力的轉化。

2.2 虛擬仿真實驗設計特點

2.2.1 虛擬仿真實驗創新理念

(1)開放的教學資源提高學生自主學習能力。基于互聯網和人機交互建設的虛擬仿真實驗環境，實現了實驗教學的網絡化和教學資源的開放化，學生可借助互聯網隨時隨地學習。在2020年疫情防控期間，大規模停學停課的情況下，虛擬仿真實驗平臺不受空間和時間限制的優勢得到了充分的體現。學生在家依然可以享用優質的教學資源，進行反復學習和虛擬實踐訓練，提高了學生自主學習效率。

(2)與時俱進的新工藝、新技術、新裝備。教學團隊圍繞先進的NFC果蔬汁生產實踐數據、生產工藝和生產設備為教學樣本和模型，融入虛擬仿真實驗，使學生掌握最前沿的果蔬加工工藝、最少加工技術和現代化、數字化連續加工裝備。未來還可根據實際生產工藝的進步對虛擬仿真實驗軟件進行更新和升級，確保學生在第一時間有機會了解和認識果蔬汁加工的最新工藝、技術和設備。

(3)多樣形式理論知識教學增強學習效果。學生可在實驗平臺操縱虛擬人物在3D仿真場景進行自由巡航學習。除此之外，虛擬仿真實驗軟件結合視頻講解、圖片介紹和文字解析形式對NFC果蔬汁相關知識點進行講解。同時針對復雜的設備以Flash動畫加講解的方式介紹儀器設備的構成部件、工作原理、內部關鍵元件運行；通過3D仿真進行元件拆裝、原理講解、物料走向透視示意的方式對設備進行介紹，學生可多角度觀察、認識復雜設備各個部件。多樣化的理論教學模式增強了學生的學習效果，解決了現代化食品加工設備結構復雜、抽象難懂的問題。

(4)虛實結合多維教學模式克服教學難題。虛擬仿真實驗軟件采用虛擬與現實結合，理論與實踐結合，注重創新能力培養的趣味教學方法。此新式教學方法中，學生在虛擬現實場景中實現了知識點的學習和考核、生產設備的操作、生產流程的設計與搭建，不僅解決了食品相關專業工廠生產實踐難以開展的問題，還可幫助學生真正掌握實際生產中的關鍵技術。

(5)全面趣味創新考核系統考察學生能力。虛擬仿真實驗軟件摒棄傳統單一的考試評價體系，采用關卡式的闖關模式，在虛擬仿真環境中，通過習題作答，模擬實際生產過程設備開啟、關閉、關鍵參數設置方式對學生重要知識掌握度和實踐能力進行考查。在開放性的創新設計模塊，學生可根據需要在虛擬環境中搭建生產線，有利于學生實踐能力和創新能力的培養。

(6)注重師生互動形成多樣化評價體系。缺乏師生交流互動是虛擬仿真實驗的一大缺陷。為了彌補這一問題，虛擬仿真實驗平臺為每位教師和學生開設獨立賬號，系統將學生使用過程中的學習能力、學習效果、操作記錄、學習效果記錄到數據庫進行評價和統計，并生成分數。教師通過訪問管理平臺，可查看學生的訪問次數、學習時長，統計學生考試成績，評閱實習報告，了解學生學習效果以及未掌握的知識點，從而及時調整教學方法，做到因材施教。同時可通過教師引導幫助、學生團隊合作、相互評價方式完成創新設計模塊，培養學生團隊合作意識，促進師生交流。為了持續提升混合式教學模式效果，教學團隊開設了教學服務群，并發放學生調查問卷，積極為學生提供服務，收集學生反饋。

2.2.2 虛擬仿真實驗設計構架

虛擬仿真實驗項目以NFC果蔬汁加工為對象，利用3D仿真和多媒體技術構造虛擬生產工廠，模仿工廠實習體驗，再現果蔬汁生產工藝全過程。實驗項目巧妙融合果蔬汁工廠設計、工廠管理、衛生生產規范、生產加工工藝、儀器設備工作原理、操作要領、維護方法等知識，并設置趣味闖關和果蔬汁生產線創新設計作為考核。如圖1所示，NFC果蔬汁生產實踐與設計虛擬仿真實驗共分為“衛生規范”和“生產實踐”2個模塊。在“衛生規范”模塊，通過操作虛擬人物根據提示在仿真場景中完成更換工作服、清潔消毒等進入生產線工作前的衛生管理步驟，其間穿插相關衛生規范知識點，可幫助學生加深對所學知識點的理解和記憶。

圖1 虛擬仿真實驗平臺結構內容示意

“生產實踐”模塊下設“認知學習”“闖關挑戰”“創新設計”3個部分。“認知學習”部分將果蔬汁營養健康知識、不同果蔬汁生產工藝流程、果蔬汁生產設備介紹嵌入仿真工廠場景，采用視頻、圖片、語音、Flash動畫、3D虛擬拆分等方式對知識點、重點設備進行展示和講解(圖2)。同時學生可操控虛擬人物在廠房中漫游，在不同工段觀察物料走向，點擊設備學習相應工段知識點、關鍵加工參數、重要設備。與傳統教學模式中學生被動學習不同，在此模塊，學生可根據自己感興趣或不懂的部分進行反復學習，有效提高了學生學習的主動性。

圖2 虛擬仿真實驗重點設備拆分講解示意

為了提高學習趣味性，虛擬仿真軟件采用“闖關挑戰”模式代替傳統考試。模塊共設置了4個關卡，每個關卡考察的知識點不同，分別為“菁菁學子”“氣質學霸”“超凡大師”“最強王者”。第一關為自動解鎖，進入場景后需根據所學知識完成習題作答、設備啟停、參數設置。圖3列舉了闖關挑戰模式場景及任務。完成一關挑戰，并達到一定正確率后，可獲得一顆星并解鎖下一關。完成4個關卡的挑戰后即完成該模塊的學習。充滿挑戰和趣味的考核模式，既能考查學生對知識的掌握能力，又能調動學生學習興趣。

圖3 闖關挑戰場景示意

為了培養學生知識綜合利用能力和創新能力，虛擬仿真實驗平臺還設置了創新設計模塊(圖4)。學生可根據需要自行設計生產流程，通過設備辨識和選型將設備拖拽入空廠房中進行安放和連接，并通過小組合作的方式，完成對生產線的合理性評價、物料衡算、水電汽消耗計算、成本核算、投資回報估算，最終實現生產線的重組并記錄到實驗報告中。教師可通過后臺系統查看實習報告，對學生設計的工藝流程、技術經濟核算進行評價。生產流程的整體設計、設備的選擇、安放、連接以及技術經濟核算可幫助學生對工廠整體布局、設備連接、生產工藝、技術經濟指標形成全面和詳細的認識，為下一步進入工廠實習及完成畢業設計做準備。

圖4 創新設計場景示意

目前虛擬仿真實驗平臺已完成搭建，并成功用于本校“食品科學與工程”和“食品質量與安全”專業大三本科生生產實習和大四本科生畢業實習環節的輔助教學。同時為了促進教學資源的開放和共享，通過教學團隊的推廣，該虛擬仿真平臺被本省一所兄弟院校“食品質量與安全”專業用于《食品工藝學實驗》的輔助教學，以及為云南果蔬汁生產企業提供試用，輔助企業員工培訓。在未來的開發中，團隊將不斷升級虛擬仿真實驗平臺內容和功能，擴充系統容量，提升教學內容質量及系統穩定性，并逐步開放資源為更多的高等院校和相關企業提供服務。

2.3 混合式教學實踐實例

教學團隊以培養服務地方經濟發展的應用型工程人才為目標，以綠色健康NFC 果蔬汁生產關鍵技術為核心，通過與當地果蔬汁加工龍頭企業——“云南實建褚橙果汁有限公司”開展合作，以工廠真實生產線為原型，開發虛擬仿真實驗平臺。堅持“虛實結合，能實不虛，以虛補實”的原則，在生產實踐環節教學中，課堂教師引導、師生互動，實驗室團隊合作、生產實踐為主，虛擬仿真平臺為輔，探索虛實結合，線上線下混合式教學模式在生產實踐環節教學的應用(圖5)。

圖5 混合式教學實踐方式

第一階段(2學時)：教師以課堂引導和師生互動方式對果蔬汁加工和生產過程種的相關知識點進行講解，使學生對果蔬汁加工生產形成初步認識。

第二階段(4學時)：以學院搭建的小型果蔬汁生產線為線下實驗平臺，以團隊合作方式進行實驗訓練，使學生進一步理解果蔬汁加工過程中的關鍵技術。

第三階段(4學時)：通過虛擬仿真實驗平臺練習，幫助學生掌握實際生產過程果蔬挑選、清洗、榨汁、精制除雜、均質、滅菌、灌裝各個工段的意義、相關參數、所用設備、品質控制原理和方法，對食品加工工廠形成初步認識，使其對生產過程有更直觀的感受，把所學理論知識與實踐相結合，幫助學生克服對實際生產環境的陌生感、迷茫感及操作現場無從下手的畏懼感[10]。虛擬仿真實驗平臺在這一階段的教學安排為：(1)衛生規范知識學習(15 min)；(2)生產實踐認知部分學習(45 min)；(3)生產實踐闖關挑戰考核(30 min)；(4)生產實踐創新設計訓練(90 min)。

第四階段(70學時)：組織學生進入真實工廠進行實習，參與不同工段的生產實踐，進一步了解真實生產活動的注意事項，并結合虛擬仿真實驗平臺創新設計模塊，進一步在果蔬汁生產工廠設計、產品研發、工藝改進方面對學生進行綜合訓練，提升學生解決復雜工程問題的能力。

通過四個階段混合式的教學，以線下理論教學和生產實踐為核心，結合虛擬仿真實驗，解決實際教學活動存在的問題，形成理論到實踐、抽象到具體、局部到整體、認知到創新全面覆蓋的教學體系。

3 虛擬仿真實驗混合式教學效果評價

混合式教學模式實施以來，不斷更新改進，獲得了師生的一致好評。通過問卷調查，如圖6所示，81%的學生認為虛擬仿真實驗與真實情況相比能還原真實場景并能融入學習場景，幾乎所有學生認為虛擬仿真平臺在一定程度上能替代工廠實習，但是0%的學生認為虛擬仿真實驗平臺能100%代替真實工廠實踐，充分說明了該平臺作為教學和工廠實踐的補充，“虛實結合互補”仍是目前主流的教學方式。對于混合式教學模式的學習效果(圖7)，超過60%的學生認為學習后能基本和完全明白果蔬汁工廠衛生規范、生產流程和重要參數；超過61%學生認為基本清楚和完全了解了生產設備工作原理和注意事項；超過90%學生一定程度了解了生產設備的組成和內部構造，然而完全明白和基本了解的學生比例明顯低于前兩個選項，說明生產設備的組成和內部構造仍為教學的難點，虛擬仿真實驗在此方面輔助教育雖然有一定幫助，但還需要繼續完善。同時大部分學生認為混合式教學可把課堂知識與實際應用聯系起來，彌補了課堂講解的不足，復習、學習、鞏固了果蔬汁生產工藝和生產設備相關知識。超過60%的學生認為虛擬仿真平臺的優點包括場景和設備還原度高、多形式講解結合，在混合式教學模式下，虛擬仿真平臺可供反復學習、可避免工廠實習中遺漏的知識點、有助于加深鞏固所學知識、提高了自主學習效率、節省了工廠實習的時間和成本。這些數據顯示了混合式教學模式的良好學習效果。同時，也有85%的同學認為混合式教學模式是對傳統教學的改革，具有一定發展潛力，但需進一步改善和完善，充分說明了學生對虛擬仿真平臺的認可和期待，也為未來進一步完善虛擬仿真平臺及混合式教學模式提供了參考。

圖6 虛擬仿真實驗使用感受

圖7 混合式教學模式學習效果

4 結論

隨著互聯網產業迅速發展，社會已進入信息化時代。把互聯網優勢應用于高校教育必將成為未來高校教育改革的方向。NFC果蔬汁生產實踐與設計虛擬仿真平臺巧妙結合果蔬汁加工生產理論、食品機械設備、食品工廠設計管理，并設置趣味考核模式與師生互動評價體系，既注重學生的學習體驗，又便于教師管理學生，用于本科生生產實踐環節的教學輔助已取得良好效果。以該虛擬仿真實驗平臺為例的混合式教學模式有利于解決食品相關專業實踐活動難以展開的問題，幫助學生加深對所學知識的印象，促進理論知識與實際操作的轉化，是信息化時代教學改革的新趨勢。同時，隨著技術的發展和普及，VR實景體驗技術用于食品相關專業中的食品檢測分析、大型復雜檢測設備使用、工廠大型加工設備的操作、拆分和組裝有望成為新一代食品相關專業教學改革的突破點。與計算機端虛擬仿真技術相比，VR實景體驗技術更逼真、更有沉浸感，真正能做到模擬上手操作， 將作為本虛擬仿真平臺食品加工機械模塊未來更新升級的主要方向。

虛擬仿真技術作為傳統教學的輔助，雖然可以有效提升實踐教學的質量，但在教學過程中，仍應以課堂實驗實踐為基礎，不能一味依賴虛擬仿真平臺。虛擬仿真技術無法完全反映實際實驗中可能出現的問題、細微操作差別產生的不同結果，在食品加工、檢測相關實驗中，無法替代真實實驗中嗅覺和味覺的判別，因此，虛擬實驗應與實際實驗和生產實踐相結合，優勢互補，在課程中合理分配。同時，虛擬仿真教學技術作為互聯網時代的產物，應更注重資源的共享和知識的轉化。教學團隊計劃擴充平臺容量，把該虛擬平臺作為共享資源供其他高校和企業使用。高校和企業可根據自身需求，選擇性使用虛擬仿真平臺中的部分或整體作為教學和培訓內容，以提高資源的利用率。