食品專業酸乳生產虛擬仿真實習的實踐探索

肖瀛，周小理，周一鳴，孫敏，榮玉芝

上海應用技術大學香料香精技術與工程學院（上海 201418）

實習教學是食品科學與工程類專業應用型人才培養重要的環節[1-2]，然而，學生實習教學的開展面臨著校內建造中試生產線經費投入大、運行成本高而難以實現，進入企業實習面臨著增加企業負擔與崗前培訓耗時長的困境，同時由于食品企業生產衛生安全規范執行與監管日益嚴格存在安全風險，學校很難大批量地安排學生在食品企業一線進行實踐學習。因此，目前實習類教學普遍存在學生實習安排難、學生生產一線崗位實訓時間少、學生解決生產一線實際問題的能力弱的問題[3-4]。

為此，上海應用技術大學食品科學與工程專業，以工程教育認證與國家一流專業建設為契機（2020年通過工程教育認證，2021年入選國家一流專業建設），大力開展虛擬仿真教學項目建設，虛擬仿真教學已融入學生實踐培養環節，有效增強學生解決復雜工程問題能力的培養。文章以上海市重點仿真類課程建設項目-酸乳生產虛擬仿真實習項目為例，以OBE理念為核心，以解決生產一線實際問題的能力培養為重點，探討虛擬仿真技術在食品科學與工程專業實習環節教學的應用與實踐，以期提高應用型人才實習環節培養的成效。

1 虛擬仿真實習教學設計思路

虛擬仿真實驗（實習）教學項目是結合新時代背景下人才培養的需求，注重學生創新和實踐能力的培養，重點解決實際不具備或存在困難的實踐條件，結合理論知識與能力訓練，通過虛實結合模式促使學生通過自主討論主動學習和獲得專業知識，提高分析和解決問題的綜合實踐能力[5-6]。此次酸乳生產虛擬仿真實習項目，以工程教育認證標準的面向產出教育（OBE）理念為核心[7]，通過深度校企合作，對接企業一線生產與品控崗位工作要求，對接現代酸乳生產全流程自動化數字化的生產工藝與標準，采用虛擬仿真技術高度還原了“原料乳預處理”“配料”“殺菌”“發酵”四個工段的酸乳生產全過程，開發了基于真實崗位任務場景的交互操作。實習項目融合生產工藝、發酵技術、品質控制等多學科知識與新技術，融入企業對一線高素質應用人才需求的法規、環保等綜合要素。教學目標如表1所示，重點訓練學生通過綜合運用多學科理論并結合法規與環保知識等方面非技術能力，培養學生多維度地分析解決酸乳生產一線實際復雜問題的能力。

表1 實習項目的教學目標

項目教學設計充分利用仿真系統可多端口運行的優勢，學生可隨時使用數字設備開展課前、課中、課后的實踐學習任務，構建基于理論知識、實操技術、綜合能力三位一體的實習教學模式，旨在重點培養學生解決生產一線實際問題方面的能力，通過培養學生運用酸乳生產工藝、品質控制、發酵技術、生產管理等多學科知識原理進行綜合應用、多維度分析與判斷以及設計新工藝或新產品等相關教學任務訓練，從而有效地體現了實習項目的高階性與創新性，提高了實習項目的挑戰度，滿足了現代食品企業對一線高素質應用型人才培養的需求。

2 構建仿真實習的三位一體的教學方式

項目基于仿真實習系統通過仿真實習與企業現場實習相結合，采用了自主式學習教學法+探索式糾錯教學法、真實問題導向教學法（PBL教學法）+項目驅動教學法等以學生為中心的組合式教學法，推行“學生主導、教師引導”教學方式，構建理論知識、實操技術、綜合能力（多學科綜合應用、多維度分析、自主學習、創新思維等方面能力）三位一體的實習教學模式。

圖1 仿真實習教學模式圖

2.1 自主式學習教學法+探索式糾錯教學法

以學生的體驗感與獲得感為重點，采用學生自主式學習的教學方式，利用移動端、PC端、VR端等多端口的仿真平臺，教學的全過程體驗真實還原的酸乳生產實習，即“（課前）學生預習—自主學習—（課中）分組討論（提問）—教師指導—分組練習與總結—（課后）模擬考核-答疑輔導”，激發學生學習興趣，提升學生自主學習的能力。學生預習酸乳工藝、酸乳生產車間布局、設備運行與維護、產品質量控制、安全與規范等方面知識。課堂中通過分組對仿真實踐各環節理論與實操進行分組討論，教師對學生討論中提出的問題進行針對性指導與演示，學生分組模擬不同崗位角色進行仿真實習練習，完成后老師與學生共同進行總結。課后根據教師布置的實習任務要求，學生進行仿真實踐任務并完成報告，并對完成情況進行考核。

同時將探索式糾錯教學法與學生自主式學習的教學方式相結合，在虛擬仿真操作教學環節，通過講解—探索式操作—糾錯三合一的模式，對錯誤操作設置提醒，給出正確操作指引并進行相關知識點的提示，其目的是使學生更加深刻理解操作要領與原理，對多個學生共同的錯誤，進行針對性重點講解，這樣可以實現精準個性化教學過程。通過規范化流程的在線操作，提升學生對酸乳生產工藝與品控等方面的理論與實操能力掌握程度，使學生全面掌握符合企業規范標準的酸乳生產的實操技術。

2.2 真實問題導向教學法（PBL教學法）與項目驅動教學法

通過構建酸乳企業生產過程中真實案例問題，結合本仿真平臺設計相關教學項目任務，以解決真實案例的問題作為學生學習與考核任務，在教師引導下，訓練學生綜合應用酸乳工藝、品質控制、發酵技術等多學科理論的能力，培養從專業技術能力與管理、法規等非技術能力相結合，多方面多維度地分析問題，判斷解決該問題的關鍵因素，促進學生與解決復雜工程問題的能力提升，同時通過特定生產實習環節生產工藝改良或新產品開發的項目任務，助力學生創新意識與能力的養成。

2.3 “虛實結合”教學方法

項目搭建了覆蓋實習“預習、實操、結果分析、考核”全過程的“虛實結合”實施流程。項目教學團隊通過深化與企業的合作，深化校企協同合作育人，構建由學校教師與企業工程師組建的雙師型師資隊伍，對接企業一線工程技術人員崗位工作標準，共同制定實習教學目的與內容、實施方案與考核評價方式。項目通過校企合作將傳統實習和虛擬仿真實習相結合，優勢互補，從而彌補了學生直接進入工廠實習效果差、學生實習安全等問題，并有利于充分調動學生自主學習的興趣和積極性，助力學生解決酸乳生產一線崗位實際問題的能力提升，全面提高生產實習的實效。

3 仿真實習教學的實施

仿真實習教學的實施分為課前、課中、課后和考核四個部分。

課前：學生通過移動端或PC端，自主學習（預習）酸乳工廠漫游認知，學生通過主視角工人的視角在酸乳工廠，學習廠區選址要求、設備運行與維護、品控標準、安全規范等知識，并完全相關理論自測。

課中：①學生通過PC端或VR端，進入相應工段的酸乳生產仿真實習。仿真實習過程中，學習者根據“操作指引”依次進入酸乳生產各車間，以團隊合作或個人獨立形式完成相應的操作。②進入原料配料車間，學習者可自主設計酸乳配方，進行選料和配料工藝參數設計，合理設計方案可以啟動進料生產。③進入生產車間跟隨操作指引，根據酸乳生產工藝流程，依次完成原料乳驗收及貯存、預處理、配料、殺菌、發酵等工藝的操作。④通過虛擬的中央控制系統平臺界面，設定和監管各工藝過程、設備的運行參數；調節和監控各個閥門和工藝設備的運行狀態；調整和監測物料、工藝用水和蒸汽的使用情況；依據酸乳發酵的配方原則，進行物料衡算，完成配料。⑤通過上述操作，完成一個批次的酸乳生產，導出實習結果，分組對實習結果進行討論，教師進行總結分析。

課后：①學生通過PC端，對仿真實操進行反復模擬考核訓練。②通過PC端或移動端，根據平臺獲得仿真實習模擬反饋數據與結果進行分組討論，在線完成實習報告。③通過查閱文獻資料，利用新技術新工藝，分組對實習過程中存在問題提出工藝改良或新產品開發思路或工藝。

仿真考核：學生通過PC端或VR端，由系統隨機抽取某一工段部分的生產實習任務或生產事故作為仿真實操考核內容，由系統自動對實操按步驟進行評分。

4 仿真實習實施效果與反思

學生進入工廠實習前，先通過虛擬仿真實習，沉浸式體驗酸乳工廠生產運行得全過程，較全面掌握酸乳工廠生產工藝流程、設備運行與維護、品控標準、安全規范，以個人或團隊模擬工廠生產與品質控制各環節真實的工作任務，然后進入工廠進行現場實習，從而有效彌補了傳統實習方式學生實習效果與體驗感差、解決生產一線實際問題能力弱的短板。同時，有利于充分調動學生自主學習的興趣和積極性，提高實習效果，有效提升了學生的綜合判斷分析與解決實際復雜問題的能力及新產品新工藝設計的創新能力，解決企業一線實際復雜問題的能力。

雖然借助虛擬仿真技術具有高度還原的優勢，但仍然不能完全替代現場工廠實習，因此，需要進一步優化傳統實習和虛擬仿真實習結合的相關措施，充分提升兩者的優勢互補。另一方面，雖然仿真交互操作可實時系統自動評分，然而仿真實習多樣化的考核方式與多維度的評價學生學習效果方案仍待完善，從而提升考核方式與高素質創新應用型人才培養內涵的匹配度，提高評價結果的效度。

5 結語

采用基于真實崗位任務場景開發的交互式操作虛擬仿真項目，通過與企業現場實習相結合的實踐教學方式，可較為有效地彌補目前實習類教學普遍存在學生一線崗位實訓不足的短板，促進學生解決食品企業實際問題能力的提升。然后，仍需進一步深化校企協同合作，優化仿真系統，不斷融入企業新技術、新工藝、新標準，同時不斷完善虛實結合的實習模式的實施與實習效果的評價方案。