“虛實結(jié)合”和“線上+線下”教學(xué)在“食品工程原理實驗”中的應(yīng)用

劉薈萃，陳 霞，秦艷婷，王進英

（青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，青海 西寧 810016）

0 引言

“食品工程原理實驗”作為食品工程原理的配套實驗課程，是食品科學(xué)與工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。“食品工程原理實驗”密切結(jié)合食品工程原理的講授內(nèi)容設(shè)立其教學(xué)內(nèi)容，是連接食品工程理論基礎(chǔ)和實踐操作的橋梁[1-3]。通過該課程的學(xué)習(xí)，加深學(xué)生對工程設(shè)備的認識，將理論學(xué)習(xí)知識應(yīng)用于實踐，培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力、設(shè)計能力和工程意識，為后期其他專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計的開展奠定扎實的工程基礎(chǔ)，使學(xué)生不僅能從事實驗室工作，更能解決工程實際問題[4-6]。因此，“食品工程原理實驗”是對理論知識的延伸，在培養(yǎng)理工科人才的創(chuàng)新能力和實踐能力過程中起著至關(guān)重要的作用。

1 “食品工程原理實驗”教學(xué)中亟待解決的關(guān)鍵問題

“食品工程原理實驗”作為一門工程類實驗課程，需要成套的教學(xué)設(shè)備，占地面積大，組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作存在風(fēng)險且復(fù)雜。同時，實驗過程中，由于受設(shè)備臺套數(shù)、教學(xué)場地和教學(xué)時間的限制，傳統(tǒng)實驗教學(xué)通常以驗證型實驗為主，很難培養(yǎng)學(xué)生的探索能力和創(chuàng)新能力[7-8]。因此，“食品工程原理實驗”教學(xué)的以下幾個方面的問題亟待解決。

1.1 教學(xué)資源有限

通常本科招生人數(shù)較多，實驗教學(xué)的場地和儀器設(shè)備不能充分滿足學(xué)生的需求。因此，在有限的教學(xué)資源條件限制下，只能將學(xué)生分組（每組5~7 人） 進行實驗，但此教學(xué)安排不能保證每個學(xué)生都能在有限的教學(xué)時間內(nèi)親自動手操作，導(dǎo)致部分積極性不高的學(xué)生最終僅僅記錄了實驗數(shù)據(jù)，完成實驗報告書寫[9-10]。此教學(xué)模式難以培養(yǎng)學(xué)生的實踐操作能力，很難將理論與實踐聯(lián)系起來。

1.2 課時有限，課程設(shè)置單一

“食品工程原理實驗”課時設(shè)置一般為16 個學(xué)時，但一些綜合性實驗（如傳熱綜合實驗、精餾綜合實驗等） 耗時較長，只能停留在講解和操作演示階段，在有限的教學(xué)時間內(nèi)學(xué)生不能完整地、連續(xù)地操作整個實驗。另外，實驗項目只能根據(jù)實驗室現(xiàn)有設(shè)備設(shè)置，無法進行拓展。因此，實驗項目設(shè)置一般比較單一和固定，不能培養(yǎng)學(xué)生的鉆研和探索能力。

1.3 設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、抽象難懂

“食品工程原理實驗”所用到的實驗設(shè)備（如精餾實驗裝置、傳熱實驗裝置等） 組成結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。對于工科基礎(chǔ)較弱的學(xué)生難以理解、難以想象其內(nèi)部構(gòu)成。因此，應(yīng)該通過視頻動畫讓學(xué)生直觀觀察設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)成，或者采用虛擬仿真操作進行設(shè)備的拆解和組裝，使學(xué)生全面掌握設(shè)備的構(gòu)成。

1.4 考核方式單一

由于傳統(tǒng)實驗教學(xué)以實驗報告評分為最終成績，導(dǎo)致一部分學(xué)習(xí)興趣不高的學(xué)生只重視最終實驗數(shù)據(jù)的記錄和實驗報告的撰寫，沒有真正投入到實驗操作中去，不能真正掌握實驗原理和實驗操作等。即使參與實驗操作也不能督促學(xué)生深入思考。因此，以實驗報告評分為最終成績的單一考核方式起不到鍛煉學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題的能力[11]。科學(xué)合理的實驗考核體系應(yīng)該全面考核學(xué)生預(yù)習(xí)情況、實驗過程參與度、采集的實驗數(shù)據(jù)是否正確、實驗報告撰寫內(nèi)容是否完整、數(shù)據(jù)分析是否正確等。

針對傳統(tǒng)“食品工程原理實驗”教學(xué)亟待解決的問題，實踐教學(xué)質(zhì)量的進一步提升存在著明顯的瓶頸。因此，探索有效的教學(xué)模式，以學(xué)生為主，想方設(shè)法提高學(xué)生對工程類實驗課程的學(xué)習(xí)積極性是提高“食品工程原理實驗”教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果的關(guān)鍵。借助新興教學(xué)技術(shù)手段及智能化教學(xué)設(shè)施提高教學(xué)質(zhì)量。例如，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實踐教學(xué)過程，將視、聽、觸等多種感知的虛擬實驗環(huán)境融入實驗教學(xué)，可以更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升工程實驗教學(xué)效果[11-12]。

2 虛擬仿真教學(xué)

虛擬仿真技術(shù)是采用計算機技術(shù)模擬真實環(huán)境，可克服真實實驗受教學(xué)資源、場地、時間的限制，讓使用者在虛擬環(huán)境完成實驗操作，在此條件下的實驗體驗和感受幾乎與真實實驗相同。虛擬仿真實驗教學(xué)是“虛擬現(xiàn)實+教育”深度融合的產(chǎn)物，其推廣順應(yīng)了教育信息化的發(fā)展趨勢和現(xiàn)實需要，推動了高校實驗教學(xué)改革和創(chuàng)新。2012 年，教育部印發(fā)了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020）》。2017 年，教育部啟動示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目認定工作，2018 年確定名稱為國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目，是國家級“金課”[11-13]。教育部對虛擬仿真實驗教學(xué)的重視程度并將其應(yīng)用于教學(xué)中的需要有目共睹。

虛擬仿真實踐教學(xué)的宗旨是以“能實不虛、虛為實用、虛實結(jié)合”為原則，可以解決“食品工程原理實驗”教學(xué)設(shè)備臺套數(shù)不足、實驗場地限制、教學(xué)時間限制等問題。作為一種新的教學(xué)方式，虛擬仿真技術(shù)不僅為教師提供授課的良好工具，而且可以利用計算機技術(shù)及信息化、智能化技術(shù)讓學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)，實現(xiàn)寓教于樂、以學(xué)生為主，實現(xiàn)教與學(xué)的形式多樣化，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，擴展學(xué)生的視野，以達到理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)目的，對于高校傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式改革具有重要意義。通過探索虛擬仿真技術(shù)在實踐教學(xué)中的應(yīng)用，以虛擬仿真教學(xué)為突破口，探索食品工程原理實驗教學(xué)改革的思路和途徑，可獲得創(chuàng)新性的教學(xué)成果，為食品科學(xué)與工程本科專業(yè)發(fā)展和一流專業(yè)建設(shè)奠定基礎(chǔ)[14-15]。

3 “虛實結(jié)合”“線上+線下”混合實驗教學(xué)模式

鑒于“食品工程原理實驗”教學(xué)過程存在的問題，在教學(xué)過程中采用虛擬仿真技術(shù)，并結(jié)合“線上+線下”的混合實驗教學(xué)模式，旨在提高“食品工程原理實驗”教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

3.1 虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)

堅持“虛實結(jié)合、相互補充”的原則，以傳統(tǒng)教學(xué)模式和現(xiàn)有食品工程原理實驗裝置為基礎(chǔ)，并進行適當(dāng)?shù)耐卣菇ㄔO(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。該虛擬實驗教學(xué)平臺包括2 個模塊（圖1）：①認知模塊：食品工程原理實驗室安全認知系統(tǒng)；②虛擬仿真實驗操作模塊：包括流體力學(xué)綜合仿真實驗、離心泵特性曲線測定仿真實驗、傳熱綜合仿真實驗、洞道干燥虛擬仿真實驗、精餾綜合仿真實驗和恒壓過濾常數(shù)測定虛擬仿真實驗。以上虛擬仿真實驗的操作均可以參照學(xué)校自主編寫的參考教材進行[16]。

圖1 “食品工程原理”虛擬仿真實驗平臺

“食品工程原理”虛擬仿真實驗平臺見圖1。

3.2 “虛實結(jié)合”“線上+線下”混合實驗教學(xué)體系的建設(shè)

采用“虛實結(jié)合”“線上+線下”的實驗教學(xué)模式。在“食品工程原理實驗”虛實結(jié)合模式中，虛擬仿真實驗是輔助教學(xué)手段，而實體實驗是核心，二者有機結(jié)合。由于虛擬仿真實驗不受時間、地點限制，因此虛擬仿真軟件主要用于“食品工程原理實驗”的課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，以“線上教學(xué)”為主。實體實驗以“線下教學(xué)”為主，可以使學(xué)生理論聯(lián)系實際，切身體驗工程實驗的操作流程和注意事項等，全面培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，知行合一。因此，虛實結(jié)合的“食品工程原理實驗”教學(xué)模式不僅能夠使學(xué)生全面掌握實驗原理、基礎(chǔ)知識等，并且能鍛煉學(xué)生的動手能力和工程意識。該教學(xué)模式的具體實施如下。

3.2.1 實驗前預(yù)習(xí)（線上教學(xué)）

在實體實驗前，需要學(xué)生通過虛擬仿真實驗平臺對所做實驗的實驗?zāi)康摹嶒炘怼嶒炘O(shè)備等進行預(yù)習(xí)并進行自測，便于教師掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，有針對性地進行指導(dǎo)。

3.2.2 實驗進行階段

①虛擬仿真實驗（線上）。首先是教師講解。對所做實驗中的重點難點進行講解和強調(diào)。其次是師生互動。指導(dǎo)學(xué)生操作軟件，回答學(xué)生提出的問題，總結(jié)并講解共同性問題。最后進行課上練習(xí)。學(xué)生操作軟件進行練習(xí)，通過評定系統(tǒng)找到自己操作的扣分點，通過課上反復(fù)操作熟悉實驗操作、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等。同時，學(xué)生可設(shè)置不同的初始條件，考核不同實驗條件對實驗結(jié)果的影響。多次嘗試不僅鍛煉學(xué)生的自主思考能力和探索能力，也能避免學(xué)生在真實實驗中隨意設(shè)置實驗參數(shù)導(dǎo)致設(shè)備故障、實驗數(shù)據(jù)錯誤等。②實體實驗（線下）。通過虛擬仿真軟件的課前預(yù)習(xí)和課上練習(xí)，學(xué)生掌握實驗原理、實驗操作、數(shù)據(jù)采集、注意事項后即可開展食品工程原理實體實驗。在實驗過程中，學(xué)生根據(jù)實驗講義和虛擬仿真實驗的練習(xí)，進行實驗設(shè)備的調(diào)試、參數(shù)設(shè)定等，最后記錄實驗數(shù)據(jù)，初步分析數(shù)據(jù)合理后即可結(jié)束實驗。課下對采集的實驗數(shù)據(jù)進行分析計算后根據(jù)教師要求撰寫實驗報告。③實驗復(fù)習(xí)階段（線上）。在實驗結(jié)束之后，學(xué)生可自主通過虛擬仿真實驗教學(xué)平臺再次復(fù)習(xí)相關(guān)實驗教學(xué)內(nèi)容，并將實驗報告導(dǎo)出作為虛擬仿真實驗的最終報告。

3.3 基于“虛實結(jié)合”“線上+線下”混合實驗教學(xué)模式的教學(xué)評價體系的建立

遵循“虛實結(jié)合、相互補充”的原則，“線上+線下”結(jié)合的教學(xué)模式，建立“食品工程原理實驗”教學(xué)的評價體系。

基于“虛實結(jié)合”“線上+線下”混合實驗教學(xué)模式的教學(xué)評價體系見表1。

表1 基于“虛實結(jié)合”“線上+線下”混合實驗教學(xué)模式的教學(xué)評價體系

表1 的考核方式基于虛擬仿真實驗和實體實驗全面考核了學(xué)生實驗預(yù)習(xí)、實驗過程考核和實驗學(xué)習(xí)效果，尤其是增加了實體實驗過程考核，要求學(xué)生根據(jù)自己的實驗結(jié)果，考核學(xué)生對所做實驗的實驗原理、實驗操作、實驗結(jié)果分析、注意事項等的掌握情況。實驗過程考核可有效提高學(xué)生對實驗預(yù)習(xí)、實驗操作、實驗結(jié)果分析等的重視程度，從而促進學(xué)生保質(zhì)保量的完成實驗的每一個環(huán)節(jié)。

4 “虛實結(jié)合”“線上+線下”混合實驗教學(xué)模式的實施效果

“食品工程原理實驗”教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)，并采用“線上+ 線下”結(jié)合的實驗教學(xué)模式，滿足了現(xiàn)代化教學(xué)的要求，提高了學(xué)生對“食品工程原理實驗”等工程類實驗課程的學(xué)習(xí)積極性，同時提高了學(xué)生對專業(yè)知識學(xué)習(xí)的自信。學(xué)校食品科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生已連續(xù)2 年參加了“全國食品專業(yè)工程實踐訓(xùn)練綜合能力競賽”，2019 年在“西部賽區(qū)”比賽中榮獲特等獎、一等獎、二等獎和優(yōu)秀組織獎，并順利晉級全國總決賽，在總決賽中榮獲二等獎。2021 年在“西部賽區(qū)”榮獲一等獎和4 項“個人單項獎”，順利晉級全國總決賽，在總決賽中也榮獲二等獎。該競賽展現(xiàn)的是學(xué)生工程實踐能力，此能力的培養(yǎng)主要是通過“食品工程原理”及“食品工程原理”實驗獲得。因此，以上參賽成績一定程度體現(xiàn)了學(xué)校食品科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生具備扎實的工程實踐能力，體現(xiàn)了“食品工程原理”及“食品工程原理”實驗課程的教學(xué)效果。

5 結(jié)語

食品工程原理實驗學(xué)習(xí)也為其他工科課程和畢業(yè)設(shè)計的開展奠定扎實的工程基礎(chǔ)，對提高實驗教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量具有重要意義。因此，將虛擬仿真技術(shù)融合到“食品工程原理實驗”教學(xué)中，并采用“線上+線下”的混合教學(xué)模式，突破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)中受教學(xué)資源、課程學(xué)時安排和安全風(fēng)險等條件的限制，拓展了“食品工程原理實驗”的教學(xué)內(nèi)容，可強化學(xué)生對實驗內(nèi)容的掌握程度并鍛煉學(xué)生的探索能力。此教學(xué)模式的實踐與應(yīng)用為學(xué)校及其他食品院校“食品工程原理實驗”教學(xué)改革奠定了基礎(chǔ)和提供了參考。