“虚实结合”和“线上+线下”教学在“食品工程原理实验”中的应用

刘荟萃，陈 霞，秦艳婷，王进英

（青海大学农牧学院，青海 西宁 810016）

0 引言

“食品工程原理实验”作为食品工程原理的配套实验课程，是食品科学与工程专业的一门专业基础课程。“食品工程原理实验”密切结合食品工程原理的讲授内容设立其教学内容，是连接食品工程理论基础和实践操作的桥梁[1-3]。通过该课程的学习，加深学生对工程设备的认识，将理论学习知识应用于实践，培养学生工程实践能力、设计能力和工程意识，为后期其他专业课程的学习和毕业设计的开展奠定扎实的工程基础，使学生不仅能从事实验室工作，更能解决工程实际问题[4-6]。因此，“食品工程原理实验”是对理论知识的延伸，在培养理工科人才的创新能力和实践能力过程中起着至关重要的作用。

1 “食品工程原理实验”教学中亟待解决的关键问题

“食品工程原理实验”作为一门工程类实验课程，需要成套的教学设备，占地面积大，组成结构复杂，操作存在风险且复杂。同时，实验过程中，由于受设备台套数、教学场地和教学时间的限制，传统实验教学通常以验证型实验为主，很难培养学生的探索能力和创新能力[7-8]。因此，“食品工程原理实验”教学的以下几个方面的问题亟待解决。

1.1 教学资源有限

通常本科招生人数较多，实验教学的场地和仪器设备不能充分满足学生的需求。因此，在有限的教学资源条件限制下，只能将学生分组（每组5~7 人） 进行实验，但此教学安排不能保证每个学生都能在有限的教学时间内亲自动手操作，导致部分积极性不高的学生最终仅仅记录了实验数据，完成实验报告书写[9-10]。此教学模式难以培养学生的实践操作能力，很难将理论与实践联系起来。

1.2 课时有限，课程设置单一

“食品工程原理实验”课时设置一般为16 个学时，但一些综合性实验（如传热综合实验、精馏综合实验等） 耗时较长，只能停留在讲解和操作演示阶段，在有限的教学时间内学生不能完整地、连续地操作整个实验。另外，实验项目只能根据实验室现有设备设置，无法进行拓展。因此，实验项目设置一般比较单一和固定，不能培养学生的钻研和探索能力。

1.3 设备结构复杂、抽象难懂

“食品工程原理实验”所用到的实验设备（如精馏实验装置、传热实验装置等） 组成结构较复杂。对于工科基础较弱的学生难以理解、难以想象其内部构成。因此，应该通过视频动画让学生直观观察设备的内部构成，或者采用虚拟仿真操作进行设备的拆解和组装，使学生全面掌握设备的构成。

1.4 考核方式单一

由于传统实验教学以实验报告评分为最终成绩，导致一部分学习兴趣不高的学生只重视最终实验数据的记录和实验报告的撰写，没有真正投入到实验操作中去，不能真正掌握实验原理和实验操作等。即使参与实验操作也不能督促学生深入思考。因此，以实验报告评分为最终成绩的单一考核方式起不到锻炼学生提出问题、分析问题和解决问题的能力[11]。科学合理的实验考核体系应该全面考核学生预习情况、实验过程参与度、采集的实验数据是否正确、实验报告撰写内容是否完整、数据分析是否正确等。

针对传统“食品工程原理实验”教学亟待解决的问题，实践教学质量的进一步提升存在着明显的瓶颈。因此，探索有效的教学模式，以学生为主，想方设法提高学生对工程类实验课程的学习积极性是提高“食品工程原理实验”教学质量和教学效果的关键。借助新兴教学技术手段及智能化教学设施提高教学质量。例如，将虚拟仿真技术应用于实践教学过程，将视、听、触等多种感知的虚拟实验环境融入实验教学，可以更好地激发学生的学习兴趣，提升工程实验教学效果[11-12]。

2 虚拟仿真教学

虚拟仿真技术是采用计算机技术模拟真实环境，可克服真实实验受教学资源、场地、时间的限制，让使用者在虚拟环境完成实验操作，在此条件下的实验体验和感受几乎与真实实验相同。虚拟仿真实验教学是“虚拟现实+教育”深度融合的产物，其推广顺应了教育信息化的发展趋势和现实需要，推动了高校实验教学改革和创新。2012 年，教育部印发了《教育信息化十年发展规划（2011—2020）》。2017 年，教育部启动示范性虚拟仿真实验教学项目认定工作，2018 年确定名称为国家虚拟仿真实验教学项目，是国家级“金课”[11-13]。教育部对虚拟仿真实验教学的重视程度并将其应用于教学中的需要有目共睹。

虚拟仿真实践教学的宗旨是以“能实不虚、虚为实用、虚实结合”为原则，可以解决“食品工程原理实验”教学设备台套数不足、实验场地限制、教学时间限制等问题。作为一种新的教学方式，虚拟仿真技术不仅为教师提供授课的良好工具，而且可以利用计算机技术及信息化、智能化技术让学生开展自主学习，实现寓教于乐、以学生为主，实现教与学的形式多样化，从而激发学生的学习兴趣，提高学生的学习效率，扩展学生的视野，以达到理论与实践相结合的教学目的，对于高校传统实验教学模式改革具有重要意义。通过探索虚拟仿真技术在实践教学中的应用，以虚拟仿真教学为突破口，探索食品工程原理实验教学改革的思路和途径，可获得创新性的教学成果，为食品科学与工程本科专业发展和一流专业建设奠定基础[14-15]。

3 “虚实结合”“线上+线下”混合实验教学模式

鉴于“食品工程原理实验”教学过程存在的问题，在教学过程中采用虚拟仿真技术，并结合“线上+线下”的混合实验教学模式，旨在提高“食品工程原理实验”教学质量和教学效果。

3.1 虚拟仿真实验平台的建设

坚持“虚实结合、相互补充”的原则，以传统教学模式和现有食品工程原理实验装置为基础，并进行适当的拓展建设虚拟仿真实验教学平台。该虚拟实验教学平台包括2 个模块（图1）：①认知模块：食品工程原理实验室安全认知系统；②虚拟仿真实验操作模块：包括流体力学综合仿真实验、离心泵特性曲线测定仿真实验、传热综合仿真实验、洞道干燥虚拟仿真实验、精馏综合仿真实验和恒压过滤常数测定虚拟仿真实验。以上虚拟仿真实验的操作均可以参照学校自主编写的参考教材进行[16]。

图1 “食品工程原理”虚拟仿真实验平台

“食品工程原理”虚拟仿真实验平台见图1。

3.2 “虚实结合”“线上+线下”混合实验教学体系的建设

采用“虚实结合”“线上+线下”的实验教学模式。在“食品工程原理实验”虚实结合模式中，虚拟仿真实验是辅助教学手段，而实体实验是核心，二者有机结合。由于虚拟仿真实验不受时间、地点限制，因此虚拟仿真软件主要用于“食品工程原理实验”的课前预习和课后复习，以“线上教学”为主。实体实验以“线下教学”为主，可以使学生理论联系实际，切身体验工程实验的操作流程和注意事项等，全面培养学生的动手能力，知行合一。因此，虚实结合的“食品工程原理实验”教学模式不仅能够使学生全面掌握实验原理、基础知识等，并且能锻炼学生的动手能力和工程意识。该教学模式的具体实施如下。

3.2.1 实验前预习（线上教学）

在实体实验前，需要学生通过虚拟仿真实验平台对所做实验的实验目的、实验原理、实验设备等进行预习并进行自测，便于教师掌握学生的学习情况，有针对性地进行指导。

3.2.2 实验进行阶段

①虚拟仿真实验（线上）。首先是教师讲解。对所做实验中的重点难点进行讲解和强调。其次是师生互动。指导学生操作软件，回答学生提出的问题，总结并讲解共同性问题。最后进行课上练习。学生操作软件进行练习，通过评定系统找到自己操作的扣分点，通过课上反复操作熟悉实验操作、数据采集、数据处理等。同时，学生可设置不同的初始条件，考核不同实验条件对实验结果的影响。多次尝试不仅锻炼学生的自主思考能力和探索能力，也能避免学生在真实实验中随意设置实验参数导致设备故障、实验数据错误等。②实体实验（线下）。通过虚拟仿真软件的课前预习和课上练习，学生掌握实验原理、实验操作、数据采集、注意事项后即可开展食品工程原理实体实验。在实验过程中，学生根据实验讲义和虚拟仿真实验的练习，进行实验设备的调试、参数设定等，最后记录实验数据，初步分析数据合理后即可结束实验。课下对采集的实验数据进行分析计算后根据教师要求撰写实验报告。③实验复习阶段（线上）。在实验结束之后，学生可自主通过虚拟仿真实验教学平台再次复习相关实验教学内容，并将实验报告导出作为虚拟仿真实验的最终报告。

3.3 基于“虚实结合”“线上+线下”混合实验教学模式的教学评价体系的建立

遵循“虚实结合、相互补充”的原则，“线上+线下”结合的教学模式，建立“食品工程原理实验”教学的评价体系。

基于“虚实结合”“线上+线下”混合实验教学模式的教学评价体系见表1。

表1 基于“虚实结合”“线上+线下”混合实验教学模式的教学评价体系

表1 的考核方式基于虚拟仿真实验和实体实验全面考核了学生实验预习、实验过程考核和实验学习效果，尤其是增加了实体实验过程考核，要求学生根据自己的实验结果，考核学生对所做实验的实验原理、实验操作、实验结果分析、注意事项等的掌握情况。实验过程考核可有效提高学生对实验预习、实验操作、实验结果分析等的重视程度，从而促进学生保质保量的完成实验的每一个环节。

4 “虚实结合”“线上+线下”混合实验教学模式的实施效果

“食品工程原理实验”教学中引入虚拟仿真技术，并采用“线上+ 线下”结合的实验教学模式，满足了现代化教学的要求，提高了学生对“食品工程原理实验”等工程类实验课程的学习积极性，同时提高了学生对专业知识学习的自信。学校食品科学与工程专业学生已连续2 年参加了“全国食品专业工程实践训练综合能力竞赛”，2019 年在“西部赛区”比赛中荣获特等奖、一等奖、二等奖和优秀组织奖，并顺利晋级全国总决赛，在总决赛中荣获二等奖。2021 年在“西部赛区”荣获一等奖和4 项“个人单项奖”，顺利晋级全国总决赛，在总决赛中也荣获二等奖。该竞赛展现的是学生工程实践能力，此能力的培养主要是通过“食品工程原理”及“食品工程原理”实验获得。因此，以上参赛成绩一定程度体现了学校食品科学与工程专业学生具备扎实的工程实践能力，体现了“食品工程原理”及“食品工程原理”实验课程的教学效果。

5 结语

食品工程原理实验学习也为其他工科课程和毕业设计的开展奠定扎实的工程基础，对提高实验教学水平和教学质量具有重要意义。因此，将虚拟仿真技术融合到“食品工程原理实验”教学中，并采用“线上+线下”的混合教学模式，突破了传统实验教学中受教学资源、课程学时安排和安全风险等条件的限制，拓展了“食品工程原理实验”的教学内容，可强化学生对实验内容的掌握程度并锻炼学生的探索能力。此教学模式的实践与应用为学校及其他食品院校“食品工程原理实验”教学改革奠定了基础和提供了参考。