食品科學“虛擬仿真”實踐教學平臺的建立

張 燕，奚春宇，郭 娜，張鐵華

（吉林大學食品科學與工程學院，吉林長春 130062）

0 引言

隨著手機移動端和互聯網、人工智能等現代信息技術的不斷普及與蓬勃發展，傳統教育教學方式不利于學生個性化發展方面的劣勢日益凸顯，而MOOC 平臺及虛擬仿真等相關實驗技術對高等教育教學改革產生了重大影響。虛擬仿真實驗教學模式是以計算機虛擬現實與數字仿真等技術相結合而形成的高度仿真虛擬實驗環境與實驗物體為基礎而設計的一種全新教學模式[1]。虛擬仿真實驗室的概念，最早由美國弗吉尼亞大學教授戴維斯提出，最開始應用于軍事作戰系統。目前，該技術已被廣泛地應用于各個行業，如生物科學、土木工程、電子信息、道路橋梁、室內裝修[2-6]，但是將虛擬現實技術應用于食品工程實訓環節的研究應用仍處于探索階段。

目前，實踐型創新人才受到各個領域重視，將虛擬仿真技術與各個專業課程實踐教學相結合受到教育部的高度重視，2017 年4 月，教育部高教司發布的《“新工科”建設行動路線（“天大行動”）》中明確指出：“充分利用虛擬仿真等技術創新工程實踐教學方式”。2018 年教育部提出《關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》及2019 年5 月教育部科技發展中心成立虛擬現實研究中心均提出“以全面提高高校學生創新精神和實踐能力為宗旨”“推動虛擬現實技術在教育領域的深度應用”[7-8]。由此可見，把虛擬仿真技術帶進大學課堂教育勢在必行。

將虛擬仿真技術與食品工程科學專業課程的實踐教學相有機地融入，借鑒國內外高等院校虛擬仿真實驗教學的成功經驗，制定一套科學的實踐教學方法和體系，開展了基于實踐型、創新型人才培養虛實相結合的實踐教學方法與模式研究探索。

1 食品科學虛擬仿真實驗平臺建立的背景

2017 年2 月，教育部提出新工科建設，強調了高等教育對于培養大學生分析和解決實踐性問題的意義和能力的重要性，實踐教學是工科專業創新人才培養的重要手段，食品科學與工程專業是擁有近30 年辦學歷史典型的工科專業，其與人們生活密切相關。食品科學與工程專業的教育不僅要向學生傳授專業化的理論知識，同時還要注重食品工程理論聯系現場實際、培養學生創新意識、提高學生動手操作及解決實際技術問題的能力，直接決定了學校食品工程理論與實踐課程的教學在專業技術人才培養中所占有的特殊地位與重要性[9]。但是，目前食品專業實驗教學存在如下幾個方面的問題：

（1） 實驗室硬件的配置及開放力度不足，實驗、實訓設備有時不能滿足教學的需要。對于一些高端精細操作設備，如液相、質譜儀等，即使實驗教師在實驗室反復講解，也不能保證每個學生都能理解到位，如果學生都動手操作會出現人多擁擠以及安全隱患等。

（2） 課程中的實驗一般都是固定時間、固定地點、學生在上課前少有時間和機會直接進入實驗室進行預實驗，并且如果一個學生沒有掌握實驗原理及步驟，直接做實驗可能會因為錯誤操作不斷地重復使用，實訓器材的損耗增多，致使一些研究型、創新型、綜合型實驗開展受限。

（3） 傳統實驗教學中以驗證型實驗居多，就是固定一些實驗項目、實驗設備、實驗操作步驟、實驗學時數等，學生按部就班記錄自己的數據，完成一份實驗報告，整個課堂的實驗教學過程模式固定，學生實驗興趣不足，表現出來就是課堂沉靜枯燥，缺少靈活性、趣味性。

（4） 傳統教學忽略了結合現代科學技術，無法直觀展現儀器內部構造，如教師上課展示實訓儀器小部件（如食工原理板框過濾孔板） 時，因實物太小，學生不易看清，距離較遠的學生根本看不到。對于一些較大型的工藝生產線（如焙烤、啤酒、酸奶等生產線），教師不能拿到教室。課后，學生復習中幾乎沒有任何實物或者圖形，只能靠回憶課上內容，既不利于學生課后復習，也不利于學生各個知識點的掌握。

虛擬現實等信息技術不僅具有高度仿真、沉浸式體驗、高交互等特點，并且能夠實現時間、空間、儀器設備及指導模式的開放，為理論課程與實踐教學相結合創造了新的機遇，已經或將要對高等教育教學帶來顛覆性的沖擊和影響[10]。

2 食品科學虛擬仿真建設理念

“虛擬仿真實驗”是基于計算機網路技術可以實現資源共享的新型教學模式，食品工程（實訓） 課程中內容多、操作性強，采取“虛+實+虛”的實驗教學模式，強調學生的主體地位，堅持“虛實結合”“以虛補實”的理念，通過VR 技術形象直觀地展現整個食品加工過程中各單元操作的原理及聯系[11]。學生在校園內就能體驗到食品生產實習企業的工作流程和標準，以及最新現代營養理念及技術，有效地激發學生的學習興趣，改善目前高校食品工程實踐環節存在的設備短缺、更新緩慢、教學模式單一、教學內容枯燥等問題，突破時間、空間、實驗設備以及指導模式的限制，保障實驗安全性，加強學生的實踐鍛煉。虛擬現實技術的應用，學生可以隨時隨地進行預習，有助于學生課下實踐，提前把握實驗的操作流程、整體框架，有效縮短了學生熟悉基礎操作、工藝流程的時間，在很大程度上提高學生的學習效率，可以服務于工程類學生實驗、實習、實訓教學和科研訓練[12]。

3 食品科學虛擬仿真實驗教學實施過程

堅持“能實不虛”的原則，從食品工業生產實踐中引導學生發現問題，采用線上虛擬實驗線下實驗室設備操作相結合的實驗方式，提前分析和統計每位學生在線上虛擬仿真實驗中出現的疑難問題，在課堂或實驗現場對其進行深入講解，層層遞進，逐個擊破，實現虛擬實驗與線下的實體實驗教學之間的互動和促進。

3.1 實訓前——實踐教學準備環節（虛）

使用食品工程（實訓） 虛擬仿真教學單元操作系統進行演示教學，在開始進行食品工程虛擬仿真實驗操作之前，向全體學生介紹食品企業生產者與實驗密切相關的問題，學生通過查找實驗相關資料確定操作方法，自主選擇相關的食品工程虛擬仿真單元操作，結合數據資料了解實驗原理、所需實驗設備及實驗操作方法，3D 直觀的感受，對于食品工程虛擬仿真教學系統表現出了較高的求知欲。

3.2 實訓中——實踐教學操作環節（實）

從電腦室虛擬操作后，教師安排學生前往實體設備實驗室。通過虛擬仿真實訓系統對單元操作中實驗步驟的反復練習，不同的參數設置，預估實驗結果，提高學生的操作體驗，加深理解實驗方法及應用。然后教師實際操作演示，學生動手操作實體設備。學生從虛擬操作到實踐操作實物，更有體會，更能快速完成。

3.3 實訓后——實踐教學評價環節（虛）

實操教學結束后，再次進入虛擬仿真實訓操作環節，進行實踐教學學習總結與應用評價?？己嗽u估的內容包含了所有的理論知識測驗試題、實操（占50%分值）、自評、互評。虛擬仿真系統可以提供多項分析指標、導入試卷，以及評價參數。學生總結自己，不僅在學習知識上的收獲，而且在能力應用方面的收獲。

4 食品科學虛擬仿真實驗教學平臺

食品工程（實訓） 虛擬仿真學習平臺主要包括3D 圖形、聲音視頻、2D 動畫、文本信息及互動測驗等單元，在課堂上拓展了知識面，并更容易理解，也方便個人在家進行學習，使學習者能根據自身的節奏和時間靈活進行學習。該系統內容主要包括如下幾個部分：

（1） 食品工程實驗室安全虛擬仿真體系。

（2） 食品工程三傳理論（實驗） 虛擬仿真體系（食工流動過程綜合3D 仿真實驗、液液萃取塔實驗3D 虛擬仿真實驗、離心泵特性曲線測定3D 實驗、傳熱綜合3D 仿真實驗、恒壓過濾常數3D 仿真實驗、萃取塔3D 仿真實驗）。

（3） 食品工程工藝生產線虛擬仿真體系（啤酒發酵生產線、面包加工生產線、乳粉加工）。

食品工程（實訓） 環節虛擬仿真教學軟件操作界面見圖1。

圖1 食品工程（實訓） 環節虛擬仿真教學軟件操作界面

5 結語

隨著現代信息技術的發展，國家對具有工程實踐能力的應用型人才提出了更高的要求[13]。吉林大學食品科學與工程專業正在積極嘗試構建和發展能夠符合學校學院特色的虛擬仿真實驗教學模式和課程體系。通過虛擬仿真實驗學習平臺的搭建，使學生在課堂學習更加快捷、方便、高效，該實驗平臺對有效培養在校大學生自主創新意識，提高實踐動手和解決問題的能力具有重要的意義。