“食品工程虚拟仿真”课程实践与探索<br/>——以湘潭大学食品科学与工程专业为例

“食品工程虚拟仿真”课程实践与探索
——以湘潭大学食品科学与工程专业为例

2022-06-17陈秀梅车金鑫陈东方黄师荣陶能国

农产品加工 2022年9期

陈秀梅，车金鑫，陈东方，黄师荣，陶能国

（湘潭大学化工学院生物与食品工程系，湖南湘潭 411105）

0 引言

工程能力的培养贯穿食品科学与工程专业培养过程。我国加入华盛顿协议后，工程教育认证成为工科专业培养模式的一种检验手段，也是与国际接轨的重要途径[1]。湘潭大学食品科学与工程专业于2019 年正式通过教育部工程教育专业认证，成为全国第30 个、湖南省第2 个通过工程教育专业认证的食品类专业。国内高校食品类专业工程能力培养体系大体分为基础类课程、专业课程、课程设计和毕业设计等模块，这些模块之间的内在关联非常密切。从目前文献和各高校食品类专业人才培养方案来看，由于受实验条件和场地的影响，这些环节很难在学校教学过程中得以完全展示。“新工科”背景下，虚拟仿真平台是复合型卓越工程技术人才培养的必要手段，在本科教学攻坚战中具有重要的战略地位[2]，构建虚实结合、虚实互补的教学体系也是当前教学改革的方向之一[3]。因此，将虚拟仿真平台和现有教学资源相结合，构建综合性虚拟仿真实验教学模式，对于充分发挥信息化教学的优势、解决传统教学中面临的诸多现实问题、促进创新人才的培养、工程能力的提高等方面具有重要意义[4-9]。湘潭大学食品科学与工程专业根据认证实践，通过优化人才培养方案，单独设置了“食品工程虚拟仿真”课程，开创性将“虚实结合”深入融合虚拟仿真课程教学模式中，在全国范围内的食品类专业中并不多见。对“食品工程虚拟仿真”的课程实践进行了总结与分析，通过该课程的实践与探讨以期为国内其他院校食品类专业的学生工程能力培养，实现应用型人才知识、能力和素质的协调发展提供参考。

1 课程基本情况

课程面向学生工程知识和工程能力培养，基于啤酒生产2D/3D 虚拟仿真软件，初步掌握运用模拟软件，学习啤酒酿造的原理、单元操作，掌握相关仪器设备等，培养全面发展并灵活运用食品专业基础理论解决复杂工程问题的综合能力。

1.1 课程支撑毕业要求指标点

湘潭大学“食品工程虚拟仿真”课程于2019 年首次作为一门独立的食品专业课程被写入教学大纲，有利于其教学一体化模式的形成与发展。根据食品专业本科生的12 个毕业要求，“食品工程虚拟仿真”课程支撑了其中2 个要求，分别是：①工程知识：必须具有从事食品工程所需的数学、自然科学、工程基础和专业知识，并用于解决复杂食品工程问题；②使用现代工具：开发、选择和使用合适的现代仪器设备、资源、信息技术和专业软件，获取相关信息，对关键过程和参数进行预测、模拟和优化，并能理解其局限性。这2 个毕业要求所对应支撑指标点是能够将相关食品专业知识和数学模型方法用于推演、分析食品工程问题并进行模拟仿真和能够针对复杂食品工程中的具体对象，开发或选用满足特定需求的现代仪器设备、资源、信息技术和专业软件，并对专业问题进行模拟和预测，分析其适用性。

1.2 课程目标

根据课程对毕业要求支撑的指标点，确定与其相对应的2 个课程目标。

（1）掌握啤酒发酵及生产工艺的基本过程；了解典型设备的构造、性能和操作原理，并具有设备选型及校核的基本知识；培养综合运用化学、食品工艺学、食品机械与设备等专业基础理论分析和解决食品工程问题的能力。

（2）能够针对复杂食品工程中的对关键过程和参数进行预测、模拟和优化，提出多种可能的解决方案，识别和判断食品工程实验、研究、设计和开发等问题的关键环节和参数，具有分析和解决单元操作中一般工程问题的初步能力。

2 课程实施

“食品工程虚拟仿真”的课程性质与属性按照学科需求归为食品科学与工程专业的专业选修课，设置32 学时与2 学分，其中理论课时为8 课时，主要讲解啤酒发酵生产工艺、啤酒发酵设备介绍、啤酒发酵流程介绍等教材的理论知识；另外，24 课时为实践课时，基于2D/3D 啤酒发酵工艺虚拟仿真软件实践为主，其中8 课时安排学生进行专题训练，包括对啤酒生产厂3D 虚拟现实仿真软件的认识及啤酒生产工艺仿真的学习，通过啤酒发酵工艺流程介绍、单元操作知识的讲解与讨论，相关检测基本原理和相应的思考题，帮助学生深入了解啤酒发酵工艺知识等，为后续上机操作打好理论基础。其余16 课时让学生分组进行上机操作，通过3D 啤酒虚拟仿真软件的操作学习掌握真实啤酒生产车间相关生产设备的操作，如相关仪器设备的布局，发酵工艺参数分析包括压力、CO2浓度、流量、温度及时间的监控等，同时在软件操作过程中让学生通过与相关操作相互交会的动画了解罐内的物料动态情况、直观地观察到溶氧曲线及糖度曲线的变化，还能根据质量评分对自己的操作进行实时反馈，此外还可以针对啤酒酿造过程中相关的知识点对学生进行实时考核，使学生充分掌握啤酒发酵生产工艺的操作，能够对酿造过程中的常见问题进行分析和控制。

课程考核方式基于虚拟仿真软件操作质量评分、相应的理论考试和平时成绩3 个部分组成。成绩的评定中期末成绩和平时成绩占总成绩的比例为7∶3，平时成绩根据学生的出勤情况、上机实操纪律、课堂讨论、课后作业等计算，其中理论考核主要是考查啤酒原辅料、麦芽制备、酒花种类、过滤方法、稳定技术，以及各个工艺流程的副产物利用方面的理论基础知识的掌握情况。

3 教学效果分析

通过“食品工程虚拟仿课程调查问卷”，对2017 和2018 级食品科学与工程专业的本科生93 人借助于“问卷星”进行无记名问卷调查，内容涵盖课程的设置、教学方法、考核方法，教学效果和建议5 个部分，对调查问卷结果进行统计分析。设置课程（理论课时8 +实践课时24）的满意度调查结果，学生对该课程设置的完全满意达到59.21%，基本满意是39.47%，不满意仅占1.32%，学生对该课程的整体设置满意度较高。

课程设置的满意情况调查见图1。

图1 课程设置的满意情况调查

对课堂教学方式调查结果显示，40.79%的学生赞成课堂讲授+虚拟仿真实训，22.37%的学生赞成虚拟仿真实训过程边做边讲这种方式，而35.53%学生赞成课堂讲授+虚拟仿真实训+课堂讨论的授课方式，仅有1.32%的学生赞成单纯的课堂讲授，同时52.63%的学生认为教师在课堂上播放知识点相关视频，对课程学习帮助大，易于理解，44.74%的学生认为有一定帮助，可以活跃课堂气氛，2.63%的学生认为帮助不大，相比较教师的讲课，以上结果表明学生更欢迎教师多元化教学方式。“食品工程虚拟仿真”课程旨在提高学生的工程能力，通过学生对教师教学侧重的培养能力的期待调查结果显示注重学生工程能力培养要求的期待达到63.16%，而知识的传授占25%，素质教育占9.21%，其他能力培养占2.63%，同时61.84%学生更注重工程知识传递的方式，18.42%注重知识广度，19.74%的学生关注课堂气氛，调查结果表明学生更注重工程能力方面的提高与课程的宗旨一致。考核方式的满意度结果显示，98.68%的学生认为考核方式合理，表明学生对考核方式非常满意。

学生通过理论与虚拟仿真实验相结合的学习模式，能举一反三地利用所学到的知识，强化学生的工程实践和实际动手操作能力，是开设“食品工程虚拟仿真”课程初衷所在。

虚拟仿真实验对学习的影响见图2。

图2 虚拟仿真实验对学习的影响

所有学生都认为这种学习模式相较于传统的课堂授课模式是有提升影响的，其中有40.79%的学生认为通过虚拟仿真的学习使书本上的知识原理更直观和条理化，1.05%的学生认为可以弥补课堂上的不足，19.74%的学生认为增强了实际操作和相关食品工程技能。所以，相较于传统的书本理论知识的讲解，增加虚拟仿真实操，98.68%的学生认为更有助于原理等知识点的理解与学习。

学生对3D 啤酒工艺虚拟仿真教学工程知识关注程度调查见图3。

图3 学生对3D 啤酒工艺虚拟仿真教学工程知识关注程度调查

由图3 可知，89.47%的学生认为通过该课程学习可以更加直观掌握厂区布局及车间布置，包括粉碎车间、糖化车间、发酵车间、中控室、包装车间等区域的工作原理。89.47%的学生认为可以直观认识书本中提到的生产设备：包括麦芽粉碎机、发酵罐、糖化锅、糊化锅、煮沸锅、过滤机、原位清洗系统（CIP）、灌装机等。63.16%的学生认为可以熟悉和了解一些重点设备的内部结构。59.21%的学生认为可以熟悉主要生产工段的工艺操作，包括工艺条件控制、分散控制系统监控（DCS）、安全生产操作规范等。44.74%的学生认为可以达到掌握和自行设计不同啤酒生产的工艺流程。因此，结合虚拟仿真软件的应用，有助于学生对啤酒工艺的理解，能够培养学生综合发挥食品专业相关的理论知识和掌握的技能，缩短学生所学知识与职业岗位所需求的专业知识和职业技能之间的差距。根据调查结果显示，通过特定模拟啤酒酿造生产工艺环境里进行综合性和系统化的锻炼，75%的学生对该课程设置的实用性、先进性总体评价是满意，22.37%的学生较满意。对教学效果满意度的调查结果表明，学生对该课程的整体教学效果满意度较高，其中完全满意占44.2%，比较满意占52.6%，但还是存在一些不足。

4 课程教学启示

4.1 显著提升了学生工程知识和工程能力

“新工科”建设背景下，食品相关专业实践教学环节应以有机融合并加强实践创新能力，通过虚拟仿真技术，构建虚实结合、虚实互补的教学模式，取得了一定的效果，但是“虚实结合”和“虚实互补”的教学思想尚未真正融入整个食品专业教学体系中，也没有形成融合教学改革和人才工程能力培养于一体的教学教育模式，更没有深入融合虚拟仿真教学实习、专业课程设计和毕业设计等多个环节。通过食品工程虚拟仿真教学实践表明，将食品工程虚拟仿真课程与其他专业课程有机融合，多措并举的教学模式能激发学生在教学中的主动参与意识与学习兴趣，能有效提升课程教学效果，提升学生工程知识和工程能力。同时，通过调查问卷分析，60.53%的学生认为啤酒工艺虚拟仿真实验教学对食品工厂设计的能力有提升作用，36.84%的学生认为一般，仅有2.63%的学生认为对食品工厂设计的能力没有提升作用。

4.2 可持续改进之处

学生根据自己学习时的切身体会，对“食品工程虚拟仿真”课程提出了很多建设性的意见，有利于今后课程的优化改进。通过对调查问卷的开放题统计分析，部分学生建议可以适当增加内容和课时，多安排一些食品工程相关虚拟仿真软件。同时，关于食品工程虚拟仿真课程中除了啤酒生产工艺虚拟仿真软件是否还需要增加其他食品相关的虚拟仿真软件的问卷调查结果表明，84.21%的学生认为有必要增加其他食品工程相关的虚拟仿真软件，仅有15.79%的学生认为不需要，学生诉求与开放题基本一致，表明大家对虚拟仿真技术融入其他相关食品工程课程的期待。例如，将“食品机械与设备”课程中引入虚拟仿真技术教学，包括机械设备结构认知仿真和虚拟仿真实验操作，既解决了大型机械设备短缺、场地限制等问题，又充分发挥了虚拟仿真实验生动、直观和安全等优势，能促进学生更好地学习课程，帮助理解机械设备在食品加工生产过程中的重要性，从而强化学生的工程实践能力[10-13]。“食品工程虚拟仿真”课程其积极意义毋庸置疑，部分也反映了软件自身的问题，如软件每个功能太单一、系统细节操作过于繁琐、软件漏洞较多、软件建模效果需要提升等，有些按钮不好用，按了没反应，软件性能有待完善升级。因此，学校需加大对食品工程软件的资金投入，更新升级现有虚拟仿真软件，选择性能更好、仿真程度更高的软件。