虚拟仿真技术在“食品工艺学”实验教学中的应用

刘丽莉，吴 彤，肖 枫，程伟伟，贺家亮，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）

“食品工艺学”是食品类专业重要的生产实践应用性课程，教学内容和课时中实验内容占据较大的比例，综合性和实践性也比较强。开设该课程主要是为了使学生掌握相应的理论和实验技能，具备开展科学研究的能力，熟知产品生产工艺和控制过程，成为全面发展的动手能力强的有用人才。如今社会竞争越来越激烈，拥有丰富专业知识和实验动手能力的复合型人才将会更加受到欢迎。在实验室进行实验操作是培养学生能力的最直接有效的方法。同时，学生通过在实验课上的实验操作能够对已学的知识进行验证并熟练掌握，培养探索精神，提高想象力。因此实验教学是提高学生知识运用能力的重要方法[1]。而食品工艺实验需要购买大量的食品原辅料、加工生产设备及加工生产线及工艺条件设计等，这些都需要花费大量的经费和时间，错误的实验操作可能造成设备的损坏、食品原辅料和时间的浪费。再者由于教学方法的单一和考核方式的不合理，导致学生学习效果不尽理想。

虚拟仿真技术是利用计算机技术、网络通讯技术、人机交互技术、人工智能技术及传感技术等交叉综合集成产生的一种现代技术，由计算机硬件、软件及多种传感器构成的三维虚拟环境。教师利用虚拟仿真技术将实验教学中晦涩难懂的知识点直观形象地传达出来，使学生学习起来更加容易[2]。虚拟仿真实验通过标准化的虚拟操作，不仅可以巩固和加深学生已学过的食品生产设备的加工原理及理论知识，使学生掌握各种加工设备的使用方法，掌握不同食品加工方法，熟悉食品加工工艺操作；而且可以克服加工工艺条件限制；并且可以通过低成本且不枯燥的方式丰富课程内容和完善考核制度，使更多的学生能够更早地熟悉食品加工工艺过程，提高学生对食品工艺实验的认知，培养学生的创新创业意识、科研思维和动手能力。

1 “食品工艺学”传统实验教学中的不足

1.1 实践教学资源有限

近年来，高校扩招已然成为一种趋势，再加之部分院校本身经费和资源投入不足，实验的场地和设备不能够满足实验教学的需求。在实验课程中，学生通常都被分为小组，很难保证每个人都能动手操作。而对于价格昂贵的大型精密仪器，学生只能通过教师的演示操作进行简单学习，不明白其中复杂的原理。学生到企业或工厂中实习也往往只能进行生产线中某一环节的简单操作过程，无法单独完成整个生产线的具体流程及掌握大型检测设备的操作。此外，由于学校教育经费有限，学生对实习企业的地点进行选择时受到限制，达不到实践的目的，学生的动手能力和创新能力也得不到显著提升。

1.2 教学方法和内容单一

传统的“食品工艺学”实验教学都是基本加工操作，缺乏创新新颖的内容；而且实验课一般课时有限，只能挑选几个具有代表性的实验，由实验教师准备实验所需辅料和仪器后进行简单讲解，学生按照实验步骤机械地完成操作，不会主动思考实验流程和原理。学生处于被动接受的状态进行实验教学活动，限制了学习的主动性和积极性[3]。甚至有些学生认为完成实验报告就是实验的唯一宗旨，利用实验课时间完成实验报告。这种教学方法同时也是对实验资源的浪费。

1.3 考核方式只重结果

一般来说，“食品工艺学”实验课程的考核方式是出勤加上实验报告，忽视实验过程中的具体实验操作细节。学生只要按部就班参加实验课程，认真书写实验报告，往往就能取得很高的分数。这种考核方式不能客观全面地评价学生的能力。完整的实验课程应从实验预习、实验原料的准备，到实验的完整操作、实验报告的书写、反思与自我评价。

2 虚拟仿真技术在“食品工艺学”实验教学中的优势

2.1 节省教学资源

“食品工艺学”实验课上所用的食品加工类大型仪器设备原理和内部构造十分复杂，如果仅通过教师PPT图片简单展示讲解，学生不能掌握仪器设备的原理。虚拟仿真系统采用虚拟的动画和人物操作，形象地讲述仪器设备的原理和整个生产工艺流程，使学生在虚拟环境中进行类似于游戏的操作就能学习整个工艺流程，提高学生的学习主动性，唤起学生的求知欲，使学生在体验虚拟游戏的同时快乐学习，达到事半功倍的效果[4]。运用虚拟仿真技术能减少实验教学花销，提升学生的实操效果，增强了教学的趣味性。接触虚拟仿真技术后，其方便性和趣味性也会驱使学生在课后继续进行实验的开展，同时也能够提高学生的创新精神[5]。通常学生只有通过到相关单位进行参观来了解工厂实际操作。但是为了确保工序的正常进行和产品的质量与安全，学生只能观看不能动手随意操作仪器设备[6]，因此没有办法实际了解掌握各种大型仪器设备的操作步骤和工艺参数，无法获得全面的知识。利用虚拟仿真技术搭建虚拟工厂场景，再现食品加工整个工艺流程、加工厂设备操作讲解和操作提示等内容，能够使学生深入了解食品生产流程及行业先进技术，有助于巩固学生的专业基础知识提高实际动手能力，从而使学生适应未来食品加工企业的要求。

2.2 丰富课程内容

由于“食品工艺学”实验学时有限，不能保证学生在实验课程中将所有的实验都操作一遍，再者有些实验对仪器设备的要求较高，学生只能依靠课下自行了解或课上教师的系统性阐述进行简单学习。利用虚拟仿真技术进行实验模拟操作，学生可以在有限的实验课时内了解更多的食品加工机械和设备，掌握更多的食品加工原理和过程，丰富了课程内容，提高了学生的学习效率。同时通过虚拟仿真实验的进行可以开阔学生眼界，即使没有亲手接触到实物，学生也能在虚拟实验操作中了解学习实验操作的整个流程，提高了学生就业能力[7]。

2.3 考核评价更客观

只有通过考核才能检验教学质量，利用科学、合理和全面的考核方式能够帮助教师检查学生的学习效果，从而改进教学方法，提高学生的学习效果[8]。教师事先设定评分细则，虚拟仿真系统依据评分细则针对学生的实验操作进行评分，进而了解学生实验前的预习准备、实验操作情况及课后的巩固复习情况，能够更加全面地了解学生的整个实验学习掌握情况。利用虚拟仿真技术改变了原有的简单考核方式，使学生在实验学习中化被动为主动，喜欢动手操作并不断思考，使实验成绩考核评价全面客观，提高实验教学的效果[9]。

3 虚拟仿真技术的局限性与解决措施

3.1 虚拟仿真技术的局限性

虚拟仿真实验虽然在实验教学方面有一定的优势，但是与使用真实仪器设备进行的实验相比，其实验条件设定得太过理想，包括所用的器材、操作的实验流程。设置一定的工艺参数后，运行仿真软件就只能准确无误地得到一种结果。通过真实的实验操作，学生在观察到食品原料的各种变化细节和仪器设备的运行情况的同时还能得到更多感性认知，如面包的烘烤过程中发生的美拉德反应[10]。同时，虚拟仿真技术在代替实物操作的情况下，也会减少学生团队合作和交流的机会。

3.2 解决措施

由于虚拟实验还存在局限性，使用时要尽可能有机地把两者结合起来。通过结合虚拟仿真实验软件进行实验教学能够得到更加多元化的教学模式，促进高新技术和教学实践活动的融合，形成“虚实结合”的教学体系[11]。在进入实验室进行实际操作之前，学生先通过仿真软件进行实验操作的模拟来熟悉实验步骤。课上，教师讲解重难点，答疑解惑，必要时进行演示，介绍相关工艺过程和设备运行方式。课下学生再次操作，巩固复习。当学生考核达标后即可在实体设备上进行操作[12]。虚拟实验是真实实验的理想化状态，能够克服干扰帮助学生快速掌握实验原理，拓展学习和探索的空间；真实实验是虚拟实验在客观真实条件下的验证，在动手操作的过程中有助于学生加深了解实验过程和现象[13]。先预习、实验，再进行复习、实践这样系统的实验教学过程能够提高学生的逻辑思维和实践能力。

4 虚拟仿真技术在“食品工艺学”实验教学中的具体实施

以“新型酸奶加工工艺”的实验教学为例。在新型酸奶加工工艺中，加工过程涉及许多技术难题：如菌种活力不足、加工工艺操作过于简单、产品品质差等；同时涉及到无菌操作、杀菌系统、发酵罐、灌装设备等自动化设备缺乏，学生只能在实验室做出家庭式自制酸奶，无法实现理论和实践相结合的学习目的，不能实现学生对现代化生产过程的了解和熟悉加工设备的原理及操作能力的培养，同时使学生产生课程实验过于简单的概念，调动不了学生对实验教学的积极性和主动性。目前学院缺乏完整的酸奶加工的生产线，而且针对乳制品加工企业，由于厂区安全生产管理严格，生产规模大，生产过程集成化、自动化、连续化；同时厂区分块，相对封闭，许多区域非生产人员一般不允许进入，学生也只能在指定参观区域学习，无法接触到实际的工艺操作和生产设备，生产线只能在参观通道参观，对于一些加工设备内部原理和操作无法近距离接触和观看。这些因素对“食品工艺学”课程中实验教学的开展产生了极大的影响，不利于创新人才培养。因此，围绕新型酸奶加工工艺开展虚拟仿真实验教学具有重要的现实意义。

学生通过虚拟仿真软件，能够熟悉进入酸奶生产车间前的更衣消毒全过程，按照原辅料的不同，掌握新型酸奶的加工工艺流程。而酸奶加工的工艺流程中最重要的是反应条件的控制，如原料配比、接种量、发酵温度、发酵时间、杀菌温度和时间、均质温度和压力等。借助虚拟仿真软件进行实验教学，能够帮助学生熟悉主要的加工生产设备、了解实际生产操作数据，设计工艺参数标准及相应的判断方法。由于不同的操作条件将改变不同参数，从而生产的产品量和产品也不相同，真正做到一人一个实验结果。在不断的实践中，学生可以探索最优条件，最大化地对新型酸奶加工工艺流程过程有深入的认识。

凝固型酸奶生产工艺流程：

搅拌型酸奶生产工艺流程：

4.1 实验教学流程

实验教学流程图见图1。

图1 实验教学流程图

（1）实验预习。课前学生进入河南科技大学食品加工与安全国家级实验教学示范中心——虚拟仿真实验中心平台，点击实验教学资源模块，输入学号和密码，在虚拟实验管理信息系统中选择“新型酸奶工艺虚拟仿真实验教学软件”，通过观看平台提供的工艺讲解视频，了解主要加工工艺，熟悉整个实验操作流程。同时，完成实验报告的预习部分。

再通过对加工过程的在线观看和操作，进一步巩固主要实验内容，学习人物操作后进入仿真工厂进行相应操作，并就视频网课和初次仿真模拟学习中所遇到的问题，学生之间进行讨论并反馈给教师。

（2）课堂讲解及实验操作。教师发布问题检测试题，学生在教学平台答测试题、反馈问题，教师根据测试反馈信息检查学生预习情况。之后教师进行实验讲解，通过图文并茂的课件形式将重点知识和操作呈现给学生，必要时可进行重点操作演示。课后学生再次操作软件并根据教师布置任务进行复习巩固，分数达标后才能进入实验室操作仪器设备。

（3）报告及评价。课堂教学完成后，学生将基于实验内容完成实验报告和软件上的测试题。学生的成绩包括虚拟软件操作评分、测试题得分和实验报告得分。前两者评分由虚拟软件的系统自动评分，实验报告则由教师进行批改评分。

4.2 虚拟仿真软件的具体操作

在虚拟仿真界面，通过回车键控制虚拟人物做酸奶加工厂介绍。认识原料车间、预处理车间、发酵车间、灌装车间、包装车间等区域，了解各车间的厂区布置。

车间参观见图2。

图2 车间参观

进入原料间和鲜奶贮存间，了解储奶罐、流量泵等设备内部构造。切换到水果预处理车间，鼠标滑在水果粉碎机、打浆机等控制箱等设备，将有相应的名称、功能及规格信息提示。

原料间见图3。

图3 原料间

进入原料乳预处理间及控制系统，了解相关设备的原理等。进入原料混合、预热、均质、杀菌和冷却、灌装工艺、酸奶接种、发酵。查看发酵罐清洁过程控制，乳酸菌活化、扩培控制，将发酵剂接种到发酵罐中，注意接种量、温度和时间等因素的选择，发酵罐开始发酵。点击发酵罐温控选项卡，查看发酵情况，直至发酵结束。

进入包装车间学习典型的包装工艺流程，熟悉各种设备加工原理等。切换到中控室，对不同的生产过程进行实时监控。

酸奶加工过程的实时监控见图4。

图4 酸奶加工过程的实时监控

5 结语

“食品工艺学”的实验具有很强的综合性，掌握理论知识和了解加工工艺和操作流程二者相辅相成。新型酸奶加工工艺的虚拟仿真软件，通过三维模拟方式，以现实的酸奶生产工厂为蓝本，营造出一个现代化的新型酸奶虚拟生产工厂，在计算机屏幕将真实的酸奶厂生产场景生动再现，虚拟剖析部分重点设备的内部结构，帮助学生理解、掌握设备的工作原理和操作规范，允许改变原料配比和工艺条件，模拟生产不同风味的产品。用网络化的人机互动方式，让更多的未接触过实际工厂新型酸奶加工生产的学生在虚拟的环境中获得真实的体会，达到理论与实践的完美结合。虚拟仿真实验和真实实验二者结合，相辅相成，培养学生对于设备的操作能力和创新能力，有效提高“食品工艺学”实验课程的学习效果。