虛擬仿真融合傳統教學提升“食品工藝綜合實驗”教學質量的研究

孫 華，曲靜然，邵秀芝，于功明

（齊魯工業大學（山東省科學院）食品科學與工程學院，山東 濟南 250353）

“食品工藝綜合實驗”是學校食品專業實踐環節的重要組成部分，是培養學生運用所掌握的理論知識和技能進行實驗設計和操作的一門綜合課程，通過實驗，不僅可以鞏固所學的各種理論知識，而且能夠培養學生動手操作能力和數據處理能力，以及分析問題和解決問題的能力，并培養學生嚴謹的科學態度。傳統的“食品工藝綜合實驗”，往往受到實驗場地、實驗設備及教學投入資金等條件的限制，從而實驗內容的選擇需考慮諸多因素，無法順應日新月異的工業化發展，不利于培養創新型應用型人才。

虛擬仿真實驗教學結合了先進的教學思想和現代化教學手段，已廣泛應用于高等學校的實驗教學過程中，為操作者提供了一個人機交互、開放式的虛擬環境。虛擬仿真集文字、圖形、圖像、三維動畫和聲音于一體，具有沉浸性、交互性、虛幻性、逼真性等特點[1]。虛擬仿真實驗教學項目是現代信息技術與實驗教學深度整合的產物，運用多媒體技術和虛擬現實技術等信息技術依據食品生產企業的產區規劃、儀器設備、生產流程開發而成[2]。食品工藝虛擬仿真實驗項目內容精彩、技術先進、做法靈活、生產設備立體化，產品生產過程剖視化，整個生產過程從原料到產品清晰明了，有利于拓展實驗教學廣度和深度及推進實驗教學與理論教學和生產工廠化的平衡發展，能夠獲得教學環境企業化、實驗手段信息化、實驗過程高效化的功效，與傳統實驗相比，具有危險程度低、學生興趣濃和可實現工廠化等特點[3]。在傳統“食品工藝實驗”的基礎上引入虛擬仿真技術，既能有效解決因空間、時間、資源限制導致實驗無法開設的問題，而且能使實驗過程工廠化，緊密與生產實際相聯系，切實提高學生的參與度和積極性，完善考核制度，提高教學質量，從而提升學生的實踐能力[4]。

因此，從學校“食品工藝綜合實驗”的現狀出發，結合實際，立足專業，將虛擬仿真技術融于傳統教學，從而提高“食品工藝綜合實驗”的教學質量。

1 優化實驗教學內容增加綜合性和設計性實驗

不管是傳統教學還是虛擬仿真，“食品工藝綜合實驗”的目的是將所學的理論知識應用于實際生產，并在此過程中考核學生的知識掌握度、操作的正確熟練度、解決問題的能力，以及培養學生的創新性。因此，實驗教學改革的一個重要方面是優化實驗內容，增加綜合性和設計性實驗，以適應人才培養目標和國內外食品工業的發展現狀，從而在實驗內容上開設具有綜合性、設計性強，體現現代先進工藝技術的實驗項目，削減以驗證理論為主且內容單一的實驗[5-6]。

學校食品工藝綜合實驗共包括18個實驗，根據每年的具體情況從中篩選所需學時的實驗12～15個，其中將設計性實驗增加到30%，綜合性實驗占20%，驗證性實驗占50%。驗證性實驗主要為基礎性實驗，培養鍛煉學生的基本實驗技能，掌握食品制作工藝流程、操作條件和實驗技能，為進一步學習和研究奠定基礎。例如，焙烤實驗中普通面包、月餅和酥性餅干的制作等，分別作為面制品的代表品種，讓學生了解這3類食品的典型制作工藝，包括面粉面筋的測定、面粉的選擇、糖的種類和添加等，使學生將所學的理論知識應用在實驗中，并通過親身體驗加深對知識的理解和感悟；設計性實驗占總數的30%，包括蛋糕的制作、食品功能性成分的提取、果汁果凍的制作等，是在一定條件下，由學生根據所學知識和閱讀大量文獻自主確定實驗主題，通過小組探討確定實驗方案，然后從實驗材料的準備、儀器設備的操作學習、工藝流程的調整確定、實驗操作的完成、實驗結果的整理和分析等整個過程獨立完成，通過設計實驗的整個流程，使學生充分理解實驗的目的與要求，了解所用原料的品質特性，明確實驗方法及工藝參數的合理性和產品的品質特性。如果遇到問題，首先要求學生通過查找資料、小組討論來尋找解決方法，然后再通過請教教師探討所遇到問題，最終獲得滿意的結果。

設計性實驗從選題到實驗，學生始終處于思考探索的情境中，完全做到以學生為主，教師為輔，充分發揮了學生的主體地位，充分鍛煉和激發了學生的創新意識，培養了學生的創新能力，能使其初步掌握科學研究的思維方式[7]；綜合性實驗是將食品專業的各個知識點運用到食品工藝學的實驗內容，如植物蛋白飲料、渾濁果蔬汁飲料、蘋果清汁、肉制品的制作等，要考慮實驗原料、實驗條件、檢測方法、品評體系等對實驗的影響，將各門實驗課的內容串聯起來，使實驗教學成為一個密不可分的有機整體，大大提高學生的積極性，而且使學生在做中學、學中做，充分發揮主觀能動性，切實提高實踐能力，以及分析問題、解決問題的能力。

2 將虛擬仿真融合傳統實驗教學有利于提高教學質量

傳統實驗教學中大部分是分組實驗、分工合作，學生可以自己動手，但學生個人沒有機會操作完整的實驗。而且由于場地、設備等的限制，并不是每個人都能操作所有設備，從而造成只能部分學生親自動手操作儀器，有的實驗只能是極少人動手操作，如酸奶制作和油脂提取等，而虛擬仿真技術使學生身處一個真實環境模擬的虛擬狀態，從而解決因空間和資金不足而導致的實驗設備不齊全的問題[8]。

2.1 完善課程設置，豐富實驗內容

隨著科技的不斷進步和儀器的不斷更新，許多實驗教學中的項目有了新的實驗方法，這些方法各有利弊，適用于不同的加工需求。但是，由于課時和經費的限制，學生不能在有限的時間內將所有不同的方法都實際操作一次，而僅僅通過理論的講解無法切實體會不同方法之間的區別，因此在教學中將傳統教學和虛擬仿真技術結合，使學生切身體驗差異，從而達到理論與實踐相結合的目的。例如，在進行油脂的提取實驗時，傳統教學中學生使用有機溶劑浸提，而虛擬仿真實驗中采用亞臨界流體萃取和超臨界CO2萃取技術，這2種設備是新型提取設備，無法實現每個人具體操作。但是，通過虛擬仿真，每個學生在樣品選擇、試劑添加、實驗方案設計、實驗流程操作、實驗結果分析等過程中親自參與、操作，完成整個實驗過程，鞏固了所學知識，激發了學生的思維能力和創新能力。

2.2 虛擬仿真模擬生產線，有利于專業技能培養

由于場地和經費的原因，許多食品工藝實驗采用實驗室模式，與現實中的規模化食品生產有所差異，當今的食品工廠大部分采用生產線生產，以便提高生產效益。通過虛擬仿真平臺，如酸乳的制作，模擬整個車間的設計及生產線的運行，幫助學生了解酸奶生產實踐中從原料奶到產品的整個生產過程，所用設備型號及參數清晰明了，通過該操作的完成明確液態奶在管道和罐體中的整個走向，管道和罐體是酸奶生產的關鍵，也是CIP清洗的典型，通過虛擬仿真可以清楚地看到原料奶通過管道的傳遞到達各個罐體進行各種操作的具體流程和生產完后CIP清洗消毒時各種試劑的流通過程。因此，通過虛擬仿真實驗，有助于學生將課堂上、實驗室中所學的內容與生產實踐相結合，提升學生的綜合應用能力[9]。

2.3 虛實結合，優勢互補

在應用虛擬仿真技術進行“食品工藝綜合實驗”教學時，應以真實實驗為基礎，虛擬仿真技術為輔，不能一味地依賴于虛擬仿真技術，傳統實驗的重要性無可取代。在虛擬實驗中，是按照既定的步驟進行操作，具體操作是機器按照所設定的程序進行，因此很多現實實驗可能出現的情況不能完全真實展現出來，會導致很多錯誤被忽略和規避，而這些錯誤可能會導致實驗產生很大誤差甚至失敗[10]。因此，虛擬仿真實驗項目建成后，不應完全依賴于虛擬效果，而應“以虛補實”“虛實結合”。虛擬實驗與真實實驗二者各有利弊，應相互結合、優勢互補，在課程設置中合理分配安排這2種實驗[11]。

如何將虛擬仿真與傳統實驗教學有利結合，教師在此過程中發揮著更加重要的作用，在課堂上要將理論學習、虛擬仿真實驗、實體實驗相互補充、相互結合。在進行虛擬仿真實驗之前，講解傳統理論時融入虛擬仿真實驗模塊，將實驗中所涉及的實驗原理和反應過程等實體實驗中無法看到的現象呈現給學生，使學生更加直觀地理解理論知識和內部原理，提高學習興趣。而且學生可反復進行虛擬實驗，逐步理解每一個設備的作用、每一步操作的意義、參數設定的依據和整體流程順序的重要性，通過不斷嘗試，使學生充分理解和掌握實驗的精髓，在此過程中如果出現問題可以及時將問題反饋給教師，教師亦可同步進行線上指導；在充分理解實驗的基礎上，再通過實體實驗，由學生自主完成，將自己動手所得的結果與虛擬仿真實驗相比較得出自己的實驗心得。虛擬仿真實驗和傳統實驗室2種不同方式的教學，對學生而言是一種全新的體驗，對教師同樣有著更高的要求，必須不斷補充自己的知識庫，而且還要積極與企業交流，切實掌握新動態、新方法。同樣，教師可對學生學習過程中產生的大數據加以整理、對比，據此可進一步對虛擬仿真實驗進行改進和優化[12]。

2.4 考核形式多樣化，更具全面性

傳統實驗教學中，主要根據實驗報告的撰寫和實驗過程的操作進行評分，但是很多學生并沒有參與其中，因此分數存在一定的不公平性。而經過教學內容的重新設計和教學方式的改革后，增加了具備實驗預約、課前預習、下載資料、互動討論、上傳實驗報告、系統監控等功能的虛擬仿真實驗平臺，教師可對學生的預習測驗情況、實驗過程、討論與思考情況、實驗報告質量等多方面進行考核評價。因此，考核形式實現了多樣化，除了實驗報告之外，還包括設計方案、虛擬仿真實驗成績，能夠更加全面地評價學生在實驗中的表現。

3 結語

總之，針對“食品工藝綜合實驗”教學的開展，學校已經建成了肉制品加工、植物蛋白飲料、酸乳加工和油脂加工四大虛擬仿真實驗，后續實驗內容還將進一步完善。2021年第一次啟用虛擬仿真實驗平臺，首先教師進行了認真詳細的培訓，構建了合理的教學隊伍，完全能夠勝任接下來的教學任務；再將虛擬仿真技術用于“食品工藝綜合實驗”時，使學生更好地了解了企業生產的實際場景，更加清楚了整個生產工藝流程，學生普遍反映受益匪淺，表示自己仿佛置身于工廠，增加了使命感，沒有了依賴性，充滿了責任感，提高了專業的熱愛度；在進行傳統實驗教學時，學生很自然地將理論知識與實驗相結合，嚴格按照步驟進行，提高了實驗教學質量，從而有利于高校應用創新型人才的培養。