食品科學與工程三位一體實踐教學體系構建
——基于青藏高原特色食品資源和虛擬仿真技術研究

王樹林，韓麗娟，王進英，曹效海，劉薈萃，秦艷婷，葉 英，陳 霞，李彩嬌

（青海大學 農牧學院，青海 西寧 81001 6）

食品產業是全球的第一大產業，也是我國三大支柱產業之一，食品工業是“為耕者謀利、為食者造福”的民生產業，近 20 年來是我國國民生產總值第一位的產業，在實施強國戰略和推進健康中國建設中具有重要地位[1]。目前，食品產業仍有巨大的發展潛力，而食品產業的發展離不開高素質的人才。食品科學與工程專業人才需要較高的實踐技能，才能適應食品產業對專業人才的需求，同時該專業具有較強的工科背景，而大多是農業院校工程教育環節 薄 弱 ， 存 在 “ 重 科 學 理 論 ， 輕 工 程 設 計 ” 的 情況[2]，是該專業建設及發展中存在的突出問題。教育部首輪“新工科”專業改革建設中，食品農林類被列為 19 個項目群之一，表明食品類專業要以高質量的工程教育服務國家新一輪科技革命與產業變革[3]。食品科學與工程專業的建設具有明顯的地域性、應用性和特色化。在新工科建設的大背景下，食品科學與工程專業應立足地方資源特色[4]，聚力培養食品新產品開發、食品工程設計、食品安全控制與管理等領域的高質量應用型工程技術人才，培養具有較強實踐技能的高素質專業技術人才是該專業發展的目標和人才培養的主要任務[5]。

青海大學食品科學與工程專業以培養學生的實踐與創新能力為核心目標開展實踐教學，讓學生在掌握食品科學基本理論基礎上，熟悉典型食品加工單元操作，以及食品工廠的生產、規劃及管理，培養學生解決食品工業生產及發展實際問題的能力。該專業在建設過程中堅持特色優先，強化實踐技能培訓，不斷探索基于青藏高原特色食品資源的實踐教學體系[4]。但受到實踐教學資源、教學計劃安排、實踐教學經費等因素的限制，實踐教學質量的提升處于瓶頸階段，需要突破限制，充分借助新興教學工具，如互聯網、大數據、虛擬仿真技術、人工智能等技術，將視、聽、觸等多種感知的虛擬實驗環境融入實驗教學，更好地激發學生的學習興趣，提升實踐教學質量。

自 2018 年以來，努力探索虛擬仿真教育技術在實踐教學體系中應用，將虛擬仿真教學充分應用于“食品工程原理”“食品機械與設備”“食品工藝學”等課程的實踐教學中；同時，建立了基于青海特色食品資源青稞、牦牛全產業鏈的虛擬仿真實踐教學平臺，將理論知識和實踐技能操作有效結合，充分發揮校內實驗室、校內實踐教學基地及校外實踐教學基地的實踐教學功能，構建了基于虛擬仿真技術為紐帶的三維一體的實踐教學體系，為青海大學食品科學與工程本科教學質量提升奠定了堅實基礎，為新的教學方法探索與改革創造了條件。

1 提高食品科學與 工 程人 才培 養質 量實 踐 教 學 存 在的主要問題

1.1 有限的實踐教學資源是限制實踐教學質量提升的瓶頸問題

食品科學與工程專業學生人數較多，但大型儀器及加工設備臺套數較少，導致實驗分組學生人數較多，學生參與具體儀器及設備操作的機會受限，學 生獨立操作的機會少，影響學生動手能力 的 培養， 限制了學生對儀 器設備性能及操 作技術的 掌握，影響實踐教學質量的提升。對于一些綜合性大實驗，多個班級輪流使用實驗室也給實驗教學帶來的諸多不便。此外，受實驗室安全管理和人員配備等方面的限制，學生一般只能在實驗課規定的時間內做實驗，限制了學生對實驗內容的掌握及實踐技能的培養。

食品科學與工程專業實驗課程實驗項目繁多，所需要原料、儀器種類較多。實驗室配置的大型精密儀器及加工設備，普遍具有體積大、投資多、操作不當易引起損壞、設備維護復雜且費用高等特點。例如，食品分析實驗中關于氣相、液相操作等實驗項目，一般以教師講解與操作演示為主， 學生在一旁觀看，學生幾乎沒有自主操作的機會，影響實驗教學效果。此外，加工設備、精密儀器結構較復雜，即使教師在現場做情景化、實時化的演示實驗，但無法拆解設備及儀器，學生也難對該儀器設備的內部構造對進行深入和全面的了解。

1.2 安全性風險限制了部分實驗項目開設的問題

食品理化檢驗中用到的部分化 學 試 劑多易燃、易揮發，并具有一定的腐蝕性和毒性，如凱氏定氮法測定粗蛋白和索氏抽提法測定粗脂肪中用到的濃硫酸和乙醚，該類實驗操作中存在一定風險，學生在實際操作前最好對儀器設備及實驗過程有一定的了解和掌握，才能保證實驗的順利進行。此外，食品加工單元中多涉及高溫、高壓等條件，且一些精密儀器的長時間使用存在輻射危害。實驗中存在的安全風險限制了實驗教學過程中部分實驗項目的開設和學生獨立操作實驗的機會。

現代食品加工企業具有嚴格的食品質量及安全管理制度，學生進入車間實習需要進行體檢、辦理健康證等一系列程序，因此學生無法結合課程理論學習，及時進行生產技能訓練為主的生產實習；受風險管控及安全規定限制，學生進入車間實習也無法接觸設備操作、設備控制等實踐技能訓練，大多時候只能是參觀式的實習，學生集中生產實習期間，大多時間只能在包裝車間、倉儲等環節實習，極大地限制了學生生產實習的效果。

1.3 校內生產基地無法建設生產線，限制學生實踐教學機會的問題

現代食品加工廠基本是電腦中央化控制的自動化流水生產線，生產線自動化程度高，不再是單元設備的簡單連接。現階段，校內實踐教學基地加工設備多為單元操作設備，無法訓練學生專業知識的綜合應用能力，也無法讓學生了解現代食品工業化生產的場景及現代化加工生產設備的使用、管理等知識。

1.4 食品專業 理 論知識和實驗技術 片 段化 嚴 重 ，沒有形成整體體系的問題

目前，我國高校大多數食品科學與工程專業的課程體系由通識課程、學科基礎課程、專業基礎課程和專業課程 4 個部分組成，被分割成多個課程進行學習，學生學習完各個課程后往往沒有將食品學科整個知識點和實驗技術整合起來，知識的片段化問題極為嚴重。知識點和實驗技術的片段化使得學生無法提高綜合技能水平，無法將所學知識和技能靈活應用于生產實踐中。例如，“食品化學”主要介紹了食品中主要營養素的化學特性，“食品工藝學”主要介紹了食品加工中用到的各種工藝，學生只能片段化地學習，無法將兩者綜合起來。

1.5 現有專業 培 養模式無法形成以 食 品加 工 為中心的全產業鏈知識體系的問題

隨著我國鄉村振興戰略的實施，以食品加工為中心的農產品加工產業已成為廣大農村精準扶貧、實現鄉村振興的主要產業，在我國新農村建設及鄉村振興的大背景下，對食品科技人才專業技能的要求 涉 及 產 前 （種 植 、養 殖）、 產 中 （加 工）、 產 后（消費），而目前食品科學與工程專業人才培養環節主要集中于加工的理論和知識，而忽略了產前和產后知識的學習，無法適應新時代農業、農村發展對食品專業技術人才專業技能的要求。

2 構建三位一體實踐教學體系的目的

2.1 凝練專業特色，開展虛實結合、多元一體的混合式實驗教學

以青海省特色食品資源為依托 ， 將原料種植、品質評價、產品加工、企業管理、成本核算等專業知識點結合，充分發揮虛擬仿真教學的優勢，構建整體的、有特色的食品科學與工程專業的理論及實踐知識體系，有助于學生系統性地學習及技能培訓。

2.2 建立理實＋實踐一體化教學體系

充分結合虛擬仿真實驗、實驗室及 校內實踐教學基地實驗、校外企業認知及生產實習，將理論知識與實踐技能訓練結合，將線上與線下教學資源結合，將校內與校外實踐教學資源整合，建立“三位一體”的實踐教學體系。以實踐教學促進理論學習，以虛擬仿真教學促進實踐教學，完善學生專業知識體系，強化實踐技能培訓，形成特色實踐教學體系，為食品科學與工程專業人才培養服務。

2.3 構建完善的專業課程群知識體系

“三位一體”實踐教學內容不僅貫穿專業基礎課程和專業課程的知識體系，同時也建立涵蓋農產品加工產前、產中、產后的知識，有利于學生掌握完備的知識。實行“以學生為主體，以教師為主導”的教學方針，給予學生個性化發展的空間，打破以課程為單位的實驗體系，增加綜合性、研究創新性實驗教學內容，進一步優化實驗教學體系，提高實踐教學水平，加強學生綜合基礎知識、基本實踐技能和科技創新能力的培養[6]。

2.4 破解實踐教學空間及教學資源的限制，提高實踐教學質量

充分利用信息化、網絡化教學資源，發揮虛擬仿真實踐教學的優勢，線上為學生提供工程原理、加工工藝、大型儀器及加工設備，食品加工生 產線，食品廠生產環境的學習及實踐機會，增加學生自主學習的機會，培養學生實踐技能，提高學生培養質量。

3 基于虛擬仿真技術的“三位一體”的實踐教學體系構建

食品科學與工程“三位一體”實踐教學體系見圖 1。

圖1 食品科學與工程“三位一體”實踐教學體系

以提高本科教學質量、強化實踐教學環節、突出實踐技能培養、提高本科人才培養質量為目的，依托現代信息化、網絡化、智能化教學資源，建設青藏高原特色食品生產虛擬仿真實驗平臺，構建網絡虛擬仿真平臺、校內實驗室及實踐教學基地，校外實踐教學基地相結合的“三位一體”實踐教學體系，強化食品科學與工程工程類課程的實踐教學環節，強化工程教育環節。

4 基于虛擬仿真實踐教學資源的混合式實踐教學模式

遵從“能實不虛、虛為實用、虛實結合”的原則，基于虛擬仿真平臺，將實踐教學設計為“預習實驗 （線上，線下） + 虛擬仿真實驗 （線上） + 實踐教學 （線下）”3 個教學環節，將實踐教學模式設計為“實驗信息發布及討論 + 虛擬仿真教學 + 線下實驗教學 + 綜合考核 + 實踐教學質量鞏固”5 個步驟教學活動即“三環五步”虛擬仿真實驗實踐教學模式。

基于虛擬仿真教學資源的混合式實踐教學模式見圖 2。

圖2 基于虛擬仿真教學資源的混合式實踐教學模式

以虛擬仿真實驗平臺為紐帶，充分應用校內外2 個實踐教學資源，強化實踐教學環節，提高實踐教學質量。學生可以充分利用虛擬仿真實驗平臺，完成實驗項目及生產實踐內容的預習，通過虛擬仿真平臺對相關實驗內容及生產技術的進行反復練習及操作，達到對實踐教學內容的熟練掌握，鞏固實踐教學成果，利用校外實踐教學基地，提高學生生產實踐技能及綜合素質，全方位、多渠道培養學生實踐技能及工程能力。利用信息化教學資源，強化師生信息交流溝通，達到教學相長，鼓勵學生自學，培養學生學習興趣，提高學生學習能力。

在實踐教學中，利用 3D 虛擬技術模擬食品工程原理實驗、食品加工關鍵工藝，農產品及畜產品加工技術、工藝流程、加工設備、食品理化分析、食品車間布局，食品廠空間布局，食品廠管理等知識點，通過線上學習及討論，使學生對工程原理、加工工藝、加工技術有初步的了解和熟悉，在實踐教學中充分利用實驗室教學資源及校外實踐基地，進一步強化實驗操作、產品加工、食品廠生產實習等實踐教學環節，將虛擬教學資源與實驗室、實踐教學資源充分整合，最大程度地優化整合資源，達到更好的實踐教學效果。

5 青藏高原虛擬仿真實踐教學平臺的構建

虛擬仿真實踐教學平臺是連接理論與實踐教學，校內外實踐教學資源的紐帶，是實現“三位一體”實踐教學體系的關鍵。青海大學高度重視虛擬仿真教學技術在教學中的應用，2019 年青海大學建成虛擬仿真智慧教室，為虛擬仿真教學技術在本科教學中的應用推廣奠定了基礎。

自 2018 年開始，青海大學食品科學與工程專業探索虛擬仿真教學資源在食品科學與工程專業教學中的應用，為解決虛擬仿真教學資源短缺的問題，依托國家虛擬仿真項目的教學資源，按照教育部協同育人方針，聯系國內具有食品科學與工程虛擬仿真教學資源的企業為食品科學與工程專業提供虛擬仿真教學資源，開展虛擬仿真實踐教學。同時，進行師資培訓，參加國內相關的虛擬仿真教學技術交流。在“食品工程原理”實驗課程教學中采用虛擬仿真與實驗教學相結合的教學改革與實踐，分析虛擬仿真實驗對學生掌握實驗技能的影響，并評價對課程學習的影響，結果表明在實驗教學環節引入虛擬仿真教學資源，可極大地提高學生對“食品工程原理”理論及實驗操作的掌握程度，提高教學質量。2019 年參加全國大學生工程原理虛擬仿真競賽，獲得地區特等獎、一等獎、二等獎的優異成績，參加全國大賽取得二等獎的優異成績。

為探索虛擬仿真教學技術手段在工程領域教學的應用，提高本科實踐教學質量，提升人才培養質量，2019 年青海大學投資 250 萬元，立項建設青藏高原食品生產虛擬仿真平臺，為實踐教學內容及方法的改革，新的實踐教學體系的構建奠定了基礎。

青海大學青藏高原特色食品生產虛擬仿真實踐教學平臺由青藏高原特色食品虛擬仿真網絡管理運行平臺、食品工程原理實驗虛擬仿真教學平臺、食品工藝實驗虛擬仿真教學平臺，牦牛養殖及加工實踐教學虛擬仿真教學平臺及青稞種植及加工實踐教學虛擬仿真平臺 5 個部分組成。其中，青藏高原特色食品虛擬仿真網絡管理運行平臺主要完成軟件、教學、學習、考核及開放管理。

青藏高原特色食品虛擬仿真網絡管理運行平臺的功能包括系統管理、用戶管理、通知公告、仿真資源管理、仿真資源在線學習、仿真考試管理、仿真答疑、理論試題管理、題庫練習、理論考試管理、仿真學習統計、理論考試中心、自我檢測、知識點管理、知識點學習、機構管理、班級通知公告、知識點學習系統、理論考核系統、課程管理及課程學習。管理員可以對網站系統基本信息進行編輯管理；對數據庫進行備份、恢復等操作管理；查看用戶登錄日志和系統操作日志。

“食品工程原理”實驗教學平臺的實驗內容及教學軟件包括雷諾演示 3D 虛擬仿真軟件、洞道干燥3D 虛擬仿真軟件、膜分離 3D 虛擬仿真軟件、精餾綜合拓展 3D 虛擬仿真軟件、管式反應器流動特性測定 3D 虛擬仿真軟件、固定流化床 3D 虛擬仿真軟件、傳 熱 3D 虛 擬 仿 真 軟 件 、蒸 發 3D 虛 擬 仿 真 實 驗 。“食品工藝實驗”教學虛擬仿真教學平臺軟件主要包括超臨界流體萃取 3D 虛擬仿真軟件、濃縮與結晶3D 虛擬仿真軟件、發酵罐 3D 虛擬仿真實驗軟件、恒壓過濾 3D 虛擬仿真軟件、液液萃取塔 3D 虛擬仿真軟件、流化床干燥 3D 虛擬仿真軟件、二氧化碳吸收與解析 3D 虛擬仿真軟件。

牦牛養殖加工實踐教學平臺包括牦牛養殖、牦牛屠宰、牦牛肉產品加工虛擬仿真軟件。牦牛養殖教學內容使學生了解天然放牧不同季節牦牛的養殖方式 （特點），生態畜牧業養殖模式、掌握養殖場集中養殖方式、對比集中飼養和天然放牧的區別，掌握牦牛肉的品質及風味檢測技術手段等，可以進行養殖場成本及經濟效益分析，設置養殖場規模、肉及副產物價格、分析養殖成本及效益。牦牛屠宰教學內容包括牦牛屠宰、牦牛分割分級模塊。牦牛肉產品加工教學內容涉及牦牛肉產品加工模塊、牦牛肉產品品質及風味分析模塊、加工廠經濟效益分析模塊 3 個部分。

青稞種植及加工實踐教學平臺包括青稞種植及收割仿真軟件及青稞加工工藝生產實習仿真軟件。青稞種植及收割仿真軟件教學內容包括青稞種植收割管理模塊，青稞加工工藝生產實習仿真軟件涉及教學內容包括青稞品質及風味分析模塊；谷物 （青稞） 制粉工藝及典型設備運行模塊、青稞粉 （γ - 氨基丁酸粉） 的制備工藝及應用模塊、γ - 氨基丁酸粉酸奶生產加工模塊及青稞酒的生產加工模塊。

虛擬仿真平臺通過管理平臺，實現教與學的結合，學習過程的有效管理，學習與考核的有效管理，在仿真軟件開發中根據實驗內容將理論知識有效的嵌入實驗及各個環節，實現理論與實踐知識的有效結合。以全產業鏈的生產環節制作虛擬仿真軟件，使教學內容涵蓋農產品的農牧業生產、產品加工、企業管理、產品評價的全產業鏈，極大地豐富了學生學習相關知識的渠道，拓展了食品專業學生的知識面，優化了學生的知識結構，彌補了大多數食品專業課只涉及產品加工工藝的教學內容短板，使學生知識及能力培養培養更加符合產業發展需求和新農村建設的需求。

6 食品科學與工程三維一體虛擬仿真實踐教學效果的評價

三維一體實踐教學體系的構建，充分發揮“虛實結合、以虛補實”的特點和優勢，解決部分實體教學實驗難以開展的問題。在“三位一體”的實踐教學體系中，充分發揮虛擬仿真實踐教學平臺的優勢，解決了食品科學與工程專業實驗室生產設備及工程設備短缺，特別是大型生產設備短缺，限制了學生在學校無法進行生產實踐技能訓練的問題，以及由于工程實驗設備臺套數少，無法在實驗室充分開展工程實驗的教學困難；克服了學生生產實習等實踐教學活動受生產單位食品質量與安全相關管理規定制約，無法配合課程學習隨時進行實踐教學的問題；還解決了食品科學與工程本科專業部分實驗成本較高，存在安全風險的問題。

7 結語

三位一體實踐教學中的虛擬仿真軟件教學采用寓教于樂、角色化實踐操作等實驗教學新手段，將理論知識融合到實踐教學環節，極大地增強學生實驗積極性，激發學生自主實驗興趣。把虛擬仿真技術應用于實驗教學，增加交互場景設置，創設基于問題導向和角色化的實驗教學方法，構建基于真實情境、綜合實踐的教學環境；教育方式由教師主導向學生自主轉變，灌輸式教學向啟發、互動轉變，機械式教學向研究、探索和合作轉變。該教學體系實現“深度交互、理實融合”學習效果；培養學生自主完成綜合調查、分析測試、方案設計、編寫報告的能力，激勵觀察思考和發散創新。通過學生評教、專家考評、教師教學自我評價等方式對食品科學與工程三位一體實踐教學體系的應用及效果進行多元考核及評價。綜合考評結果表明，“三位一體”的實踐教學模式有助于形成互動交流學習和多層次的實踐教學模式，使學生在實踐過程中能夠獲得更多的自主權，最大限度地提高了學生學習興趣及學習能力，極大地提高了食品科學與工程實踐教學的質量實踐教學質量，強化了學生的工程訓練環節，有利于按“新工科”建設標準建設食品科學與工程專業。