虛擬仿真技術(shù)在“乳品工程”實驗教學中的應(yīng)用

李曉東，張秀秀，鄭冬梅，崔立雪，張宏偉，徐 漸，于曉雪，劉 璐

（1. 東北農(nóng)業(yè)大學食品學院，黑龍江哈爾濱 150030；2. 東北農(nóng)業(yè)大學乳品科學教育部重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150030）

隨著我國乳品工業(yè)的快速發(fā)展，各大乳品企業(yè)新設(shè)備及技術(shù)已達到甚至超過國外發(fā)達國家的水平，熟悉工藝和操控的人才嚴重短缺，迫切需要相關(guān)院校提供此類專業(yè)人才。乳品工程作為工科類專業(yè)，實踐是至關(guān)重要的，但是僅依靠乳品實驗操作是遠遠不夠的，學生對于接觸工廠大型儀器的生疏變成了制約乳品專業(yè)人才培養(yǎng)的瓶頸。對乳品專業(yè)人才實踐能力的要求也由簡單的專業(yè)技術(shù)和理論能力轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)思維能力、工程實踐能力、團結(jié)協(xié)作能力和工作適應(yīng)能力相一致的綜合水平[1]。

虛擬仿真教學是一種新的高等教育教學模式，是高等教育信息化發(fā)展的內(nèi)部需求，也就是說，其有助于擴大乳制品教學內(nèi)容的廣度和深度，為實踐教學節(jié)省時間和空間，有效地提高了教學質(zhì)量和水平[2]。

1 傳統(tǒng)實驗教學體系

“乳品工程”的傳統(tǒng)實驗教學都是圍繞小型實驗室進行。首先，學生通過理論知識構(gòu)建實驗方案，然后在教師的指導(dǎo)下進行修改，最后在實驗室進行實踐。在這個過程中，學生可進一步理解理論知識的含義，培養(yǎng)創(chuàng)新和動手能力。然而，傳統(tǒng)實驗教學中仍存在一些問題，具體表現(xiàn)為以下幾個方面：

（1） 受儀器設(shè)備的制約。實驗室中進行的乳品實驗并不適合真正的工廠使用，當乳制品真正投入工廠加工時，需要借助各種大型機械設(shè)備才能完成，而這些設(shè)備存在價格昂貴、占地面積大、操作復(fù)雜，且損壞后的維修費用高等問題。因此，由于經(jīng)費和實驗場地的限制，學校平臺不可能購置大量的大型生產(chǎn)設(shè)備，這使得工藝實驗與生產(chǎn)實際脫節(jié)。目前，實驗的教學設(shè)備，僅僅用于展示原理和作坊式實驗，生產(chǎn)實驗無法開展，稍有不慎就可能導(dǎo)致不同程度的設(shè)備損壞甚至人員傷亡事故，實驗教學因此出現(xiàn)短板。

（2） 受教學手段的制約。在實驗教學中很難保證每個學生都有親自動手操作的機會，單靠教師做演示實驗，學生對于設(shè)備的有些內(nèi)部結(jié)構(gòu)很難直觀看到，不能真正理解設(shè)備的工作原理[3-4]。

（3） 受教學時間的制約。由于實驗課的課時數(shù)較少，一些耗時較長實驗只能簡單進行原理講解與操作演示。例如，乳品實驗中涉及的“干酪的制作”，應(yīng)為重點環(huán)節(jié)，但由于干酪加工過程較長，學生不能全程實踐發(fā)酵、凝乳、加鹽及壓榨等制作過程[5]。由于食品安全和生產(chǎn)成本等因素，乳品企業(yè)一般也不接受學生參與一線生產(chǎn)，學生只能進行觀摩教學。

（4） 受考核方式的制約。在傳統(tǒng)實驗室課程考核中，實驗結(jié)果是成績的主要評定標準，但這會導(dǎo)致學生更加注重結(jié)果而輕視實驗過程[6]。完整的實驗過程應(yīng)包括預(yù)習、準備、操作、結(jié)果記錄、數(shù)據(jù)處理及誤差分析，除此之外還有一些自主性的創(chuàng)新和突發(fā)問題的應(yīng)變。但目前傳統(tǒng)實驗教學會忽略這些步驟。甚至有部分學生根本不動手操作，只等待實驗結(jié)果來撰寫實驗報告。

2 虛擬仿真在“乳品工程”實驗教學的實踐與探索

2.1 虛擬仿真實驗教學體系

虛擬仿真是利用了虛擬現(xiàn)實、網(wǎng)絡(luò)通訊和人機交互等重要信息化技術(shù)形成的一種高級的教學輔助系統(tǒng)[7]，在1971 年開始進行應(yīng)用性研究，早期主要應(yīng)用在軍事、航空航天、航海等高精尖領(lǐng)域，2016 年呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。在教育部建設(shè)300 家虛擬仿真實驗教學中心項目的推動下，各個高校也興起應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)服務(wù)教學實踐，在應(yīng)用中獲得良好的效果。

虛擬仿真教學是一種面向現(xiàn)代化的新型高等教育教學模式，是高等教育信息化發(fā)展的內(nèi)在要求。自2013 年教育部啟動建設(shè)國家虛擬仿真實驗教學中心以來，已批準建設(shè)了300 多個國家級虛擬仿真實驗教學中心，覆蓋27 個省、204 所高校[8-9]。虛擬仿真技術(shù)在“乳品工程”實驗教學中，通過虛擬現(xiàn)實仿真乳品技術(shù)直觀展示加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)，且現(xiàn)實難以實現(xiàn)的項目的全過程模擬，依靠電腦，可完成整個大型乳品企業(yè)在消毒、原料驗收、預(yù)處理、發(fā)酵、真空濃縮、噴霧干燥等中的所有復(fù)雜的過程。集仿真、安全、專業(yè)、高可靠性等優(yōu)點于一體，有效地增強了學生的綜合實踐能力和創(chuàng)新能力，解決了傳統(tǒng)實驗教學的不足。

（1） 解決工藝設(shè)備問題。虛擬仿真實驗可以建立虛擬的生產(chǎn)線和乳品工廠布局，可以讓學生提前練習，為實際實驗操作奠定基礎(chǔ)，有效解決了人才培養(yǎng)需求與設(shè)備條件的沖突。

（2） 提升學生實踐能力。對于虛擬仿真操作而言，每名學生都有上機的機會，可直觀地學習實驗或設(shè)備原理，以動畫的形式直觀和形象地展示原理，仿佛身臨工廠一線，給學生最佳的操作視角，不但避免了實際中機械損壞的危險，同時也讓學生鍛煉了操作反應(yīng)能力。

（3） 打破時空限制。虛擬仿真能夠有效克服課時和資源的限制，不受時間、場地的影響，具有危害小、可重復(fù)、延伸實驗教學時間、增強學生自主性等優(yōu)點，使培養(yǎng)目標更易實現(xiàn)[10]。

（4） 過程化考核。虛擬仿真可進行自主考核，自動評分，在規(guī)定時間內(nèi)允許上機考核多次，取最高分作為最終成績。同時，教師可通過評分系統(tǒng)及時了解學生知識體系的不足，對學生的指導(dǎo)更加有針對性，提高教學效率和質(zhì)量。學生也可在練習模式下可以參照評分系統(tǒng)進行操作并找到扣分點。

2.2 虛擬仿真教學活動的組織與實施

將虛擬仿真平臺和現(xiàn)有實驗教學資源相結(jié)合，對于充分發(fā)揮信息化教學的優(yōu)勢十分重要。如何協(xié)調(diào)好虛擬仿真實驗與實際實驗之間的關(guān)系，做到“線上線下虛實結(jié)合”，對于切實提高“乳品工藝”實驗教學效果也具有深刻的意義[11]。以東北農(nóng)業(yè)大學食品學院實驗教學——乳粉為例，具體的實施過程如下：

（1） 教師講解。教師進行嬰兒配方乳粉工藝的講解，重點講解理論課上難以講解明白、較為抽象的知識點，以先進的嬰兒配方乳粉廠的虛擬模型為案例著重生產(chǎn)的整體布局和具體工藝的操作參數(shù)和步驟。

（2） 師生互動。教師指導(dǎo)學生操作軟件，回答學生提出的問題，總結(jié)并講解共同性問題。

（3） 課上練習。學生對乳粉加工虛擬仿真件進行操控，軟件的試卷系統(tǒng)實時給出操作是否正確和當前得分。學生根據(jù)掌握的知識并參照筆記和講義，依照給定的配方乳粉配方和生產(chǎn)任務(wù)進行各個物料的衡算；根據(jù)產(chǎn)品工藝要求設(shè)定各個設(shè)備的運行參數(shù)；調(diào)節(jié)各個閥門和工藝設(shè)備的運行狀態(tài)；調(diào)整物料、工藝用水和蒸汽的使用；最終完整地實施配方乳粉的虛擬生產(chǎn)。

（4） 課前課后自主練習。學生通過“乳品工程”虛擬仿真實驗教學中心網(wǎng)站下載乳粉加工虛擬仿真軟件，通過學號和密碼登錄后進行自主操作練習，通過試卷評定系統(tǒng)找到自己操作的扣分點，通過反復(fù)操作熟練掌握配方乳粉加工工藝流程。

（5） 自助考核。學生輸入學號后自助進行乳粉加工虛擬仿真實驗百分制上機考核，系統(tǒng)自動評分收集成績，得分在70 分以上為合格，得分在80 分以上為良好，得分在90 分以上為優(yōu)秀，學生可以在規(guī)定時間內(nèi)反復(fù)考核，取最高分作為最終成績。

在虛擬仿真教學活動的組織與實施過程中應(yīng)注意如下問題：

（1） 以傳統(tǒng)實驗為基礎(chǔ)，以虛擬仿真為輔助。在傳統(tǒng)實驗中，學生可以直觀地觀察實驗過程，分析實驗結(jié)果和誤差。然而，在虛擬實驗中，現(xiàn)實中許多情況并不能完全呈現(xiàn)出來，從而導(dǎo)致許多錯誤被忽略。但是，這些錯誤可能會導(dǎo)致實驗中出現(xiàn)很大的錯誤甚至失敗。因此，虛擬仿真與傳統(tǒng)實驗應(yīng)相輔相成，合理分配。

（2） 尊重客觀規(guī)律。在利用虛擬仿真實驗輔助教學時，一定要以客觀規(guī)律為依據(jù)來設(shè)定實驗器材、過程和結(jié)果，否則會讓學生誤以為虛擬仿真實驗可以替代真實實驗，而忽視了真實實驗的重要性[12]。

（3） 增設(shè)教師講解環(huán)節(jié)。在虛擬仿真實驗的過程中，應(yīng)涵蓋相應(yīng)的介紹和幫助。在構(gòu)建實驗教學平臺時，應(yīng)加入課前指導(dǎo)、實驗項目的重難點講解、實驗操作過程中結(jié)果誤差原因分析。增加教師線上答疑模塊，促進師生之間的互動與交流，讓學生有效地掌握工程知識。

（4） 重視操作過程的監(jiān)督。實時監(jiān)控每名學生的操作過程，對問題進行記錄。可適當增設(shè)設(shè)計性的實驗。

（5） 加強虛擬仿真教學項目的維護。目前，有些平臺上的虛擬仿真項目網(wǎng)站無法打開，沒有相關(guān)人員進行維護。應(yīng)該重視完善和形成高質(zhì)量的虛擬仿真實驗課程體系，形成更專業(yè)、完整的課程體系。

2.3 虛擬仿真在“乳品工程”實驗教學中的實踐應(yīng)用

以東北農(nóng)業(yè)大學食品學院“乳品工程”實驗教學為例，乳品工程虛擬仿真實驗教學中心初步建成的乳品工程虛擬仿真教學平臺擁有“虛擬乳制品生產(chǎn)虛擬仿真實驗教學資源”“乳品儀器分析虛擬仿真實驗教學資源” “乳品工程原理3D 虛擬仿真實驗教學資源”。

（1） 乳品生產(chǎn)虛擬仿真教學資源。由乳粉虛擬仿真生產(chǎn)實驗?zāi)K和干酪虛擬仿真生產(chǎn)實驗?zāi)K組成，可進行配方粉虛擬生產(chǎn)實驗、干酪虛擬生產(chǎn)實驗、常見故障識別與排除實驗和機械設(shè)備實驗。

在乳粉實驗教學中，噴霧干燥是典型的教學實驗，也是實驗的難點。當引入虛擬仿真實驗后，學生可先進行噴霧干燥的仿真運行，熟悉噴霧干燥系統(tǒng)的組成，獨立地選擇樣本的濃度，滿足在不同樣品濃度的需求。在傳統(tǒng)的實驗操作過程中，學生可熟練地按照噴霧干燥的實驗步驟操作，提高實驗效率，降低實驗操作的錯誤率。通過虛擬與真實相結(jié)合的教學模式，使學生深入了解和掌握噴霧干燥系統(tǒng)的組成和工作過程，從而達到實驗教學的目的[4]。干酪在工業(yè)生產(chǎn)中涉及干酪槽、殺菌、壓榨等設(shè)備。在虛擬仿真實驗中，學生可通過奶酪槽的模擬操作界面，通過調(diào)節(jié)發(fā)酵劑、氯化鈣和凝乳酶的用量來控制奶酪的發(fā)酵和凝結(jié)過程。有助于學生熟悉和掌握干酪生產(chǎn)工藝流程和關(guān)鍵工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，以及干酪槽、滅菌設(shè)備和壓榨機的操作和調(diào)節(jié)[4]。

乳制品生產(chǎn)虛擬仿真實驗教學資源教學體系見圖1，乳制品生產(chǎn)虛擬仿真實驗教學資源見圖2。

圖1 乳制品生產(chǎn)虛擬仿真實驗教學資源教學體系

圖2 乳制品生產(chǎn)虛擬仿真實驗教學資源

（2） 乳品儀器分析虛擬仿真實驗教學資源。由液相色譜、氣相色譜、氣質(zhì)聯(lián)用、原子吸收、紫外-可見吸收和冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡六大仿真實驗?zāi)K構(gòu)成。以真實設(shè)備和實驗數(shù)據(jù)庫作為支撐，學生可進行虛擬儀器操作、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析。

乳品儀器分析虛擬仿真實驗教學資源教學體系見圖3，乳品儀器分析虛擬仿真實驗教學資源實驗場景見圖4。

圖3 乳品儀器分析虛擬仿真實驗教學資源教學體系

圖4 乳品儀器分析虛擬仿真實驗教學資源實驗場景

（3） 乳品工程原理虛擬仿真實驗教學資源。學生通過流體綜合實驗、傳熱實驗、攪拌器性能測定實驗和精餾實驗等實驗掌握抽象的設(shè)備原理。

乳品工程原理虛擬仿真實驗教學資源實驗場景見圖5。

圖5 乳品工程原理虛擬仿真實驗教學資源實驗場景

3 結(jié)語

構(gòu)建基于虛擬仿真的在線實驗教學平臺，結(jié)合傳統(tǒng)的線下實驗教學模式，是“乳品工程”實驗教學體系改革的一個重要方向。其集理論、設(shè)備、仿真于一體，充分發(fā)揮傳統(tǒng)實驗和虛擬實驗的優(yōu)勢，堅持“以學生為中心、以生產(chǎn)為導(dǎo)向、持續(xù)改進”的原則，解決了傳統(tǒng)實踐教學的瓶頸問題，達到利用高質(zhì)量的實驗教學提高教育質(zhì)量的目的。