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

劉薈萃，陳 霞，秦艷婷，王進(jìn)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(shí)驗(yàn)”作為食品工程原理的配套實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)”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(shí)踐操作的橋梁[1-3]。通過該課程的學(xué)習(xí)，加深學(xué)生對(duì)工程設(shè)備的認(rèn)識(shí)，將理論學(xué)習(xí)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力、設(shè)計(jì)能力和工程意識(shí)，為后期其他專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)的開展奠定扎實(shí)的工程基礎(chǔ)，使學(xué)生不僅能從事實(shí)驗(yàn)室工作，更能解決工程實(shí)際問題[4-6]。因此，“食品工程原理實(shí)驗(yàn)”是對(duì)理論知識(shí)的延伸，在培養(yǎng)理工科人才的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力過程中起著至關(guān)重要的作用。

1 “食品工程原理實(shí)驗(yàn)”教學(xué)中亟待解決的關(guān)鍵問題

“食品工程原理實(shí)驗(yàn)”作為一門工程類實(shí)驗(yàn)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(xiǎn)且復(fù)雜。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)過程中，由于受設(shè)備臺(tái)套數(shù)、教學(xué)場(chǎng)地和教學(xué)時(shí)間的限制，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常以驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)”教學(xué)的以下幾個(gè)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(shí)驗(yàn)教學(xué)的場(chǎng)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但此教學(xué)安排不能保證每個(gè)學(xué)生都能在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)親自動(dòng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告書寫[9-10]。此教學(xué)模式難以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力，很難將理論與實(shí)踐聯(lián)系起來。

1.2 課時(shí)有限，課程設(shè)置單一

“食品工程原理實(shí)驗(yàn)”課時(shí)設(shè)置一般為16 個(gè)學(xué)時(shí)，但一些綜合性實(shí)驗(yàn)（如傳熱綜合實(shí)驗(yàn)、精餾綜合實(shí)驗(yàn)等） 耗時(shí)較長(zhǎng)，只能停留在講解和操作演示階段，在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)學(xué)生不能完整地、連續(xù)地操作整個(gè)實(shí)驗(yàn)。另外，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目只能根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備設(shè)置，無法進(jìn)行拓展。因此，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)”所用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備（如精餾實(shí)驗(yàn)裝置、傳熱實(shí)驗(yàn)裝置等） 組成結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。對(duì)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(dòng)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(jìn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)以實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分為最終成績(jī)，導(dǎo)致一部分學(xué)習(xí)興趣不高的學(xué)生只重視最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫，沒有真正投入到實(shí)驗(yàn)操作中去，不能真正掌握實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)操作等。即使參與實(shí)驗(yàn)操作也不能督促學(xué)生深入思考。因此，以實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分為最終成績(jī)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(shí)驗(yàn)考核體系應(yīng)該全面考核學(xué)生預(yù)習(xí)情況、實(shí)驗(yàn)過程參與度、采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否正確、實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫內(nèi)容是否完整、數(shù)據(jù)分析是否正確等。

針對(duì)傳統(tǒng)“食品工程原理實(shí)驗(yàn)”教學(xué)亟待解決的問題，實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的進(jìn)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(duì)工程類實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)積極性是提高“食品工程原理實(shí)驗(yàn)”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(shí)踐教學(xué)過程，將視、聽、觸等多種感知的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境融入實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)技術(shù)模擬真實(shí)環(huán)境，可克服真實(shí)實(shí)驗(yàn)受教學(xué)資源、場(chǎng)地、時(shí)間的限制，讓使用者在虛擬環(huán)境完成實(shí)驗(yàn)操作，在此條件下的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)和感受幾乎與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相同。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是“虛擬現(xiàn)實(shí)+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(shì)和現(xiàn)實(shí)需要，推動(dòng)了高校實(shí)驗(yàn)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(dòng)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目認(rèn)定工作，2018 年確定名稱為國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，是國(guó)家級(jí)“金課”[11-13]。教育部對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)踐教學(xué)的宗旨是以“能實(shí)不虛、虛為實(shí)用、虛實(shí)結(jié)合”為原則，可以解決“食品工程原理實(shí)驗(yàn)”教學(xué)設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地限制、教學(xué)時(shí)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(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)寓教于樂、以學(xué)生為主，實(shí)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(kuò)展學(xué)生的視野，以達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)目的，對(duì)于高校傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)結(jié)合”“線上+線下”混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

鑒于“食品工程原理實(shí)驗(yàn)”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(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，旨在提高“食品工程原理實(shí)驗(yàn)”教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

3.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)

堅(jiān)持“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充”的原則，以傳統(tǒng)教學(xué)模式和現(xiàn)有食品工程原理實(shí)驗(yàn)裝置為基礎(chǔ)，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐卣菇ㄔO(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)包括2 個(gè)模塊（圖1）：①認(rèn)知模塊：食品工程原理實(shí)驗(yàn)室安全認(rèn)知系統(tǒng)；②虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作模塊：包括流體力學(xué)綜合仿真實(shí)驗(yàn)、離心泵特性曲線測(cè)定仿真實(shí)驗(yàn)、傳熱綜合仿真實(shí)驗(yàn)、洞道干燥虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、精餾綜合仿真實(shí)驗(yàn)和恒壓過濾常數(shù)測(cè)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。以上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的操作均可以參照學(xué)校自主編寫的參考教材進(jìn)行[16]。

圖1 “食品工程原理”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

“食品工程原理”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)見圖1。

3.2 “虛實(shí)結(jié)合”“線上+線下”混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的建設(shè)

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

3.2.1 實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)（線上教學(xué)）

在實(shí)體實(shí)驗(yàn)前，需要學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)所做實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等進(jìn)行預(yù)習(xí)并進(jìn)行自測(cè)，便于教師掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，有針對(duì)性地進(jìn)行指導(dǎo)。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行階段

①虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（線上）。首先是教師講解。對(duì)所做實(shí)驗(yàn)中的重點(diǎn)難點(diǎn)進(jìn)行講解和強(qiáng)調(diào)。其次是師生互動(dòng)。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(jìn)行課上練習(xí)。學(xué)生操作軟件進(jìn)行練習(xí)，通過評(píng)定系統(tǒng)找到自己操作的扣分點(diǎn)，通過課上反復(fù)操作熟悉實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等。同時(shí)，學(xué)生可設(shè)置不同的初始條件，考核不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)實(shí)驗(yàn)中隨意設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)導(dǎo)致設(shè)備故障、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等。②實(shí)體實(shí)驗(yàn)（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(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)采集、注意事項(xiàng)后即可開展食品工程原理實(shí)體實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)講義和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的練習(xí)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)備的調(diào)試、參數(shù)設(shè)定等，最后記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，初步分析數(shù)據(jù)合理后即可結(jié)束實(shí)驗(yàn)。課下對(duì)采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算后根據(jù)教師要求撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。③實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)階段（線上）。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后，學(xué)生可自主通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)再次復(fù)習(xí)相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，并將實(shí)驗(yàn)報(bào)告導(dǎo)出作為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的最終報(bào)告。

3.3 基于“虛實(shí)結(jié)合”“線上+線下”混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的教學(xué)評(píng)價(jià)體系的建立

遵循“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)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(shí)驗(yàn)”教學(xué)的評(píng)價(jià)體系。

基于“虛實(shí)結(jié)合”“線上+線下”混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的教學(xué)評(píng)價(jià)體系見表1。

表1 基于“虛實(shí)結(jié)合”“線上+線下”混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的教學(xué)評(píng)價(jià)體系

表1 的考核方式基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)全面考核了學(xué)生實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)過程考核和實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果，尤其是增加了實(shí)體實(shí)驗(yàn)過程考核，要求學(xué)生根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，考核學(xué)生對(duì)所做實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析、注意事項(xiàng)等的掌握情況。實(shí)驗(yàn)過程考核可有效提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等的重視程度，從而促進(jìn)學(xué)生保質(zhì)保量的完成實(shí)驗(yàn)的每一個(gè)環(huán)節(jié)。

4 “虛實(shí)結(jié)合”“線上+線下”混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的實(shí)施效果

“食品工程原理實(shí)驗(yàn)”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(shí)驗(yàn)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(duì)“食品工程原理實(shí)驗(yàn)”等工程類實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)積極性，同時(shí)提高了學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)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(guó)食品專業(yè)工程實(shí)踐訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽”，2019 年在“西部賽區(qū)”比賽中榮獲特等獎(jiǎng)、一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)和優(yōu)秀組織獎(jiǎng)，并順利晉級(jí)全國(guó)總決賽，在總決賽中榮獲二等獎(jiǎng)。2021 年在“西部賽區(qū)”榮獲一等獎(jiǎng)和4 項(xiàng)“個(gè)人單項(xiàng)獎(jiǎng)”，順利晉級(jí)全國(guó)總決賽，在總決賽中也榮獲二等獎(jiǎng)。該競(jìng)賽展現(xiàn)的是學(xué)生工程實(shí)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(shí)驗(yàn)獲得。因此，以上參賽成績(jī)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(shí)的工程實(shí)踐能力，體現(xiàn)了“食品工程原理”及“食品工程原理”實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效果。

5 結(jié)語

食品工程原理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)也為其他工科課程和畢業(yè)設(shè)計(jì)的開展奠定扎實(shí)的工程基礎(chǔ)，對(duì)提高實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)”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(shí)驗(yàn)教學(xué)中受教學(xué)資源、課程學(xué)時(shí)安排和安全風(fēng)險(xiǎn)等條件的限制，拓展了“食品工程原理實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)內(nèi)容，可強(qiáng)化學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)踐與應(yīng)用為學(xué)校及其他食品院校“食品工程原理實(shí)驗(yàn)”教學(xué)改革奠定了基礎(chǔ)和提供了參考。