利用虚拟仿真技术构建食品专业一流本科课程体系

刘丽莉，张孟军，康怀彬，程伟伟，赵胜娟

（河南科技大学食品与生物工程学院，食品加工与安全国家级教学示范中心，河南洛阳 471023）

近年来，随着科学技术的发展与进步，教育教学质量在不断提高，然而实验实训等实践项目受限、教学效果不理想仍是亟待解决的重要问题，还需要探索新的教学思路和方法。另外，经费和资源的不足也使得工科类院校或相关专业的发展受限，如设备仪器缺乏或落后、师资力量薄弱等，这使得教学在内容上较为枯燥，不够新颖，创新性和探索性相对缺乏；在形式上较为单一，教和学转化率相对较低[1]。

以河南科技大学食品与生物工程学院专业课——“食品工艺学”课程教学为例，该课程在2018年荣获国家级精品在线课程，达到同类课程的国内领先水平，受到学校和国内同行的一致好评。校内外修读取得了显著效果，已获得一定的进展与广泛好评。然而，“食品工艺学”课程教学仍存在一些不足：①内容多、课时少，虽然有在线精品课程的加持，但仍无法全面细致，面面俱到；②缺乏实践，仅仅“走马观花”式的观摩不能直接接触参与实验过程，使得学生的知识与技能学习转化效率不高，且记忆不深刻；③由于部分实验实训具有成本高、存在安全问题等特点，再加上时间和空间等方面的限制，学生很难独立完成实验操作，导致学生参与度与互动性较低，不易发现现有问题，独立思考、创新性解决问题的能力得不到提升，教学效果严重受限[1]。

1 虚拟仿真教学应用于传统教学的意义

所谓虚拟仿真技术，就是将实训或实际生产过程中由于时间、空间、经费、安全性等因素限制而无法实现的项目用计算机结合3D 建模等技术采用模型方式展示出来，在计算机上建立一套虚拟分析系统，达到与真实操作相关仪器相似的效果[2]。主要有以下优点：①使课堂内容更加丰富，激发学生的兴趣，从而促使学生从不同的角度思考，提出专业性的问题，提高其创新思维的能力。②通过计算机及仿真技术使学生直观了解到机器内部运转情况，有助于加深其对实验原理的理解，具有较为立体直观的感受。③节约成本，受限较小。采用虚拟仿真技术构建虚拟模拟训练场景，使得一些由于技术、环境、成本、安全性等原因限制而无法完成整个实验过程的问题得以解决，且可根据教学任务的变更进行拓展，节约实验室维护的成本。

目前，只依靠传统教学模式已无法适应我国市场经济发展的趋势，必须将传统教学方式与现代科学技术紧密统一，虚实结合，形成多元化立体教学模式，使教学内容更丰富、可靠；实践内容更安全、经济、高效[3-4]。虚拟仿真技术的出现和应用弥补了传统教学模式的弊端，打破了实践教学内容在时间、空间、安全性等方面的局限性，进一步从实质上使实践教学成效得到了拓展，极大程度上提高学生学习的效率，使教和学的转化率大幅提升，传统教学方式与虚拟仿真技术有效互补、相辅相成。对培养学生创新意识、动手能力、发现和解决问题的能力具有重要的意义，可满足用人单位和社会对人才培养质量的要求[5-6]。

2 “虚实结合”两位一体教学模式的构建

2.1 虚拟仿真实践教学中心的建立

2.1.1 食品专业实践中适用虚拟技术辅助教学的课程

食品专业课程虚拟仿真实践系统具体需要根据其各自的专业特色进行开发。例如，“食品工艺学”“食品工程原理”等课程，工程性质强，只依靠概念性文字描述不能对其进行很好的解释，学生得不到全面系统的理解。这就需要虚拟仿真技术加以辅助，通过三维动画将食品加工过程场景模拟出来，再加以教师结合动画进行互动性教学，模拟实际实践场景，学生在学习后可通过虚拟软件独立进行相应的实践操作，给学生带来直观全面的模拟实践体验。例如，在啤酒、葡萄酒等食品生产加工工艺过程中，能够突破时间、空间等的局限性，通过3D 模型高度还原且完整展示其生产加工的全部过程，及相关仪器工作原理和运转方式，应用于食品专业，如“食品科学与工程”“食品质量与安全”“乳品工程”等课程的虚拟仿真技术，要求其具有良好的承继性、合理性、可操作性和方便实用性，且能够与实践实训、实际生产操作相符，具有较高的还原度[1，5-7]。

2.1.2 应用于食品专业课程的虚拟仿真技术的设计

设计虚拟仿真课程与在线精品课程相结合的软件技术，满足学生实验预习、模拟实验、实验数据管理的需求，达到三维动画流畅，内部结构可视，课堂理论讲解与仪器操作能即时结合的效果，从而更好地促进食品专业课程教学。虚拟仿真技术还需要相关软件技术的支撑，将专业软件技术团队与食品专业课程教师结合，由课程教师根据课程需要提供相关素材，由专业的软件技术团队提供技术指导和支持，积极做好交流与沟通，多层次、递进式地进行模型设计，将抽象的难以理解的仪器设备结构原理更加细致化、形象化，促进知识的转化，使虚拟仿真实训平台更能切合食品专业课程的实践教学体系需求[8]。

虚拟仿真技术系统的设计应涵盖以下方面：①虚拟仿真实践教学管理系统。基于国家精品在线课程针对在线教育研发后台管理系统，需通过账号及密码登录，包括个人信息中心、教学管理、资源库、辅助教学平台等。②虚拟仿真实训识图与构造软件。由课程教师联合专业技术团队共同设计，达到具体工艺流程对应三维动画模型，可通过调整从各个方位各个角度展示，并且生成相应的二维图纸，模型界面和图纸界面可以相互转换进入或是同时打开对比，方便学生理解记忆。③用户系统建设。需账户密码登录，包括个人信息中心、课程素材、实践中心等基本内容，实践中心按层次划分为单元操作、过程操作、实际生产加工模拟等，通过实践中心能达到课前预习，课间操作、课后复习的目的。

2.1.3 应用虚拟仿真技术实现资源整合与共享

随着互联网和相关技术的飞速发展，借助于远程虚拟实验技术的远程教育随之兴起。联合校内外、本地区各高校乃至全国各高校建立教学资源共享平台，使教学资源更加完整丰富，节约开发成本的基础上最大程度地满足学生需求，建立立体化、全方位、多层次的学习平台。相互弥补，形成完整的教学体系，共同促进，形成一种绿色可循环的“资源库共享”模式[9-10]。

2.2 传统教学与虚拟仿真技术有机结合

实现教学模式的多元化，将传统教育方式与现代化技术相结合。传统教学模式中，多以课堂为主，实验室为辅。虚拟仿真软件能够将实验室搬进课堂，实现理论知识与实验操作的统一与同步，刺激学生的积极性。另一方面，现代科学技术始终是未来发展的重要方向，紧跟时代发展步伐，将现代科技运用到教学中，利用现代科学技术更高效地促进教学。因此通过虚拟仿真实验软件开发，能够实现教学模式的多元化，促进教学实践与信息技术的融合，形成“虚实结合”的教学体系[10]。

2.2.1 课程体系的改革

改变传统教学固定化的教学模式，将虚拟仿真技术融入其中，为学生学习课程提供“先导式”教学内容，学生通过虚拟仿真教学软件对专业课程的流程进行提前学习，完成对专业课程部分的预习。教师根据课程变革重新修订授课内容，在理论教学的过程中，结合虚拟仿真技术，进一步丰富和完善网上教学资源，对学生仍有疑惑的部分进行讲解和系统的总结，保证课程资源的正常、稳定建设。通过虚拟仿真技术，极大程度地提高了学生对仪器构造及工作原理的理解，使工艺流程实际操作的记忆能力和空间思维能力得到了更好的塑造。通过教师解惑总结，使得学生的学习效率得到很大的提升。另外，在课程设置方面，要做到精简、优化，更加注重培养和提高学生创新能力、动手能力、独立思考和解决问题的能力，继而全方位、多角度、多层次地提升教学质量[11]。

2.2.2 建立“三合一”实习课程体系

建立一种虚拟仿真技术与校内实验室实习及校外企业实际生产实习“三合一”的模式，充分利用校内外资源，改革课程实验内容设置及实习内容设置，与企业实际生产过程相结合[12]。更新教学理念，实行分阶段多层次实践性教学。首先，将虚拟仿真技术引入实践教学中，通过仿真技术使学生更高效地掌握实际生产的过程及原理；其次，继续加强实验、实训场所及设施建筑，构建可持续发展的多元实践教学基地，增强实践教学基地的仿真性；最后，以校内实验为依托，校外企业实际生产实习为目标，充分发挥校内外实习基地的作用，在虚拟系统模拟训练的基础上通过实际操作更深程度地加深学生的理解，提高其动手能力及解决实际生产过程中突发问题的能力，学会知识与技能的融会贯通。

2.2.3 改革实习实践模式

将虚拟仿真技术应用在课程实训、顶岗实习、毕业设计、项目竞赛中，构建虚拟仿真实践中心及校企联合实验室。将专业介绍、金工实习、认识实习、课程设计、生产实习、科研训练课、食品工艺实验、毕业实习等实践教学课程有计划分阶段地安排在整个课程计划中，以达到最佳的教学效果。

3 现有成效及优化办法

学校食品专业本科课程自设立以来，经过学院教师20 多年的努力，已建成了完整的课程体系和实践基地，形成了自己的特色和风格。依靠雄厚的师资力量和先进的科研基地，并利用河南省食品工业快速发展的优势，在授课过程中，充分利用现代化设备，在教学手段上更加注重多媒体化。为学校工程教育的国际化打开了新局面，为学校工程类专业的建设和发展提供了宝贵的经验，并获得了同行的一致认可，得到同类院校专家的高度评价。但是，由于科学技术的发展与进步，食品企业实际生产设备也在逐步更新，向智能化、自动化、复杂化、大型化方向发展。学生未实际接触过大型设备，这给课程讲解带来了一定的难度，为适应时代的发展，这使得类似于“食品工艺学”的课程需要接受更新、更大的挑战，需要不断地探索与完善。

为此，提出以下几点优化方法：①进一步加强专业课程建设，更深层次地加大校企合作，在对外交流与宣传上投入更多精力，提升知名度，积极申报国家级精品在线开放课程，并且结合虚拟仿真技术实现“食品工艺学”等专业课程推广。②加强师资队伍建设，加强课程教师的引进和师资的培训，向更高水平、更高层次、更高标准的方向发展，逐步向国内一流教师团队靠拢。③以食品专业课程为例进行课程的改革，总结经验、改进不足，稳步完成对食品专业课程的全部改造，实现食品专业一流本科课程体系的建设。

4 结语

虚拟仿真技术在食品专业中的应用，对促进知识的转化、提升学生学习效率有重要的意义，借助虚拟仿真技术，学生可以清晰地了解到平常不易接触到的大型仪器内部构造及工作运行状态，帮助其更深层次地理解与记忆。随着科学发展的趋势，更高效安全的技术应用到教育行业中势在必行，通过在虚拟系统中的模拟与训练，获得与实际操作仪器设备相似的效果，使学生工程创新能力、随机应变能力、迅速创造生产力能力得到有效的提升，这是人才培养中不可或缺的目标。另外，虚拟仿真技术结合传统教学方式，构建多元化、立体式教学模式，二者相互补充、相辅相成，促进“所学及所用”，达到产学研并行。同时，将成熟的应用模式引进到其他学科建设中，可逐步带动食品专业一流本科课程体系的建设。