虛擬仿真技術在“乳品工程”實驗教學中的應用

李曉東，張秀秀，鄭冬梅，崔立雪，張宏偉，徐 漸，于曉雪，劉 璐

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

隨著我國乳品工業的快速發展，各大乳品企業新設備及技術已達到甚至超過國外發達國家的水平，熟悉工藝和操控的人才嚴重短缺，迫切需要相關院校提供此類專業人才。乳品工程作為工科類專業，實踐是至關重要的，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人才培養的瓶頸。對乳品專業人才實踐能力的要求也由簡單的專業技術和理論能力轉變為系統思維能力、工程實踐能力、團結協作能力和工作適應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展的內部需求，也就是說，其有助于擴大乳制品教學內容的廣度和深度，為實踐教學節省時間和空間，有效地提高了教學質量和水平[2]。

1 傳統實驗教學體系

“乳品工程”的傳統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建實驗方案，然后在教師的指導下進行修改，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，培養創新和動手能力。然而，傳統實驗教學中仍存在一些問題，具體表現為以下幾個方面：

（1） 受儀器設備的制約。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備才能完成，而這些設備存在價格昂貴、占地面積大、操作復雜，且損壞后的維修費用高等問題。因此，由于經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設備，這使得工藝實驗與生產實際脫節。目前，實驗的教學設備，僅僅用于展示原理和作坊式實驗，生產實驗無法開展，稍有不慎就可能導致不同程度的設備損壞甚至人員傷亡事故，實驗教學因此出現短板。

（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，學生對于設備的有些內部結構很難直觀看到，不能真正理解設備的工作原理[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”，應為重點環節，但由于干酪加工過程較長，學生不能全程實踐發酵、凝乳、加鹽及壓榨等制作過程[5]。由于食品安全和生產成本等因素，乳品企業一般也不接受學生參與一線生產，學生只能進行觀摩教學。

（4） 受考核方式的制約。在傳統實驗室課程考核中，實驗結果是成績的主要評定標準，但這會導致學生更加注重結果而輕視實驗過程[6]。完整的實驗過程應包括預習、準備、操作、結果記錄、數據處理及誤差分析，除此之外還有一些自主性的創新和突發問題的應變。但目前傳統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實、網絡通訊和人機交互等重要信息化技術形成的一種高級的教學輔助系統[7]，在1971 年開始進行應用性研究，早期主要應用在軍事、航空航天、航海等高精尖領域，2016 年呈現爆發式增長。在教育部建設300 家虛擬仿真實驗教學中心項目的推動下，各個高校也興起應用虛擬現實技術服務教學實踐，在應用中獲得良好的效果。

虛擬仿真教學是一種面向現代化的新型高等教育教學模式，是高等教育信息化發展的內在要求。自2013 年教育部啟動建設國家虛擬仿真實驗教學中心以來，已批準建設了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]。虛擬仿真技術在“乳品工程”實驗教學中，通過虛擬現實仿真乳品技術直觀展示加工設備的結構，且現實難以實現的項目的全過程模擬，依靠電腦，可完成整個大型乳品企業在消毒、原料驗收、預處理、發酵、真空濃縮、噴霧干燥等中的所有復雜的過程。集仿真、安全、專業、高可靠性等優點于一體，有效地增強了學生的綜合實踐能力和創新能力，解決了傳統實驗教學的不足。

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

（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、延伸實驗教學時間、增強學生自主性等優點，使培養目標更易實現[10]。

（4） 過程化考核。虛擬仿真可進行自主考核，自動評分，在規定時間內允許上機考核多次，取最高分作為最終成績。同時，教師可通過評分系統及時了解學生知識體系的不足，對學生的指導更加有針對性，提高教學效率和質量。學生也可在練習模式下可以參照評分系統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有實驗教學資源相結合，對于充分發揮信息化教學的優勢十分重要。如何協調好虛擬仿真實驗與實際實驗之間的關系，做到“線上線下虛實結合”，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]。以東北農業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的整體布局和具體工藝的操作參數和步驟。

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

（3） 課上練習。學生對乳粉加工虛擬仿真件進行操控，軟件的試卷系統實時給出操作是否正確和當前得分。學生根據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任務進行各個物料的衡算；根據產品工藝要求設定各個設備的運行參數；調節各個閥門和工藝設備的運行狀態；調整物料、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。

（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，通過試卷評定系統找到自己操作的扣分點，通過反復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 分以上為優秀，學生可以在規定時間內反復考核，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注意如下問題：

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

（2） 尊重客觀規律。在利用虛擬仿真實驗輔助教學時，一定要以客觀規律為依據來設定實驗器材、過程和結果，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） 增設教師講解環節。在虛擬仿真實驗的過程中，應涵蓋相應的介紹和幫助。在構建實驗教學平臺時，應加入課前指導、實驗項目的重難點講解、實驗操作過程中結果誤差原因分析。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） 重視操作過程的監督。實時監控每名學生的操作過程，對問題進行記錄?？蛇m當增設設計性的實驗。

（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站無法打開，沒有相關人員進行維護。應該重視完善和形成高質量的虛擬仿真實驗課程體系，形成更專業、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用

以東北農業大學食品學院“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） 乳品生產虛擬仿真教學資源。由乳粉虛擬仿真生產實驗模塊和干酪虛擬仿真生產實驗模塊組成，可進行配方粉虛擬生產實驗、干酪虛擬生產實驗、常見故障識別與排除實驗和機械設備實驗。

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合的教學模式，使學生深入了解和掌握噴霧干燥系統的組成和工作過程，從而達到實驗教學的目的[4]。干酪在工業生產中涉及干酪槽、殺菌、壓榨等設備。在虛擬仿真實驗中，學生可通過奶酪槽的模擬操作界面，通過調節發酵劑、氯化鈣和凝乳酶的用量來控制奶酪的發酵和凝結過程。有助于學生熟悉和掌握干酪生產工藝流程和關鍵工藝參數的調節，以及干酪槽、滅菌設備和壓榨機的操作和調節[4]。

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

圖1 乳制品生產虛擬仿真實驗教學資源教學體系

圖2 乳制品生產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、氣質聯用、原子吸收、紫外-可見吸收和冷場發射掃描電子顯微鏡六大仿真實驗模塊構成。以真實設備和實驗數據庫作為支撐，學生可進行虛擬儀器操作、數據采集、數據分析。

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 結語

構建基于虛擬仿真的在線實驗教學平臺，結合傳統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、設備、仿真于一體，充分發揮傳統實驗和虛擬實驗的優勢，堅持“以學生為中心、以生產為導向、持續改進”的原則，解決了傳統實踐教學的瓶頸問題，達到利用高質量的實驗教學提高教育質量的目的。