面包烘焙品质虚拟仿真实验设计及构建

2023-10-26王新伟田双起赵仁勇蒋洪新娄海伟牛永武王香玉

农产品加工 2023年16期

王新伟，田双起，赵仁勇，蒋洪新，娄海伟，牛永武，王香玉

（河南工业大学粮油食品学院，河南郑州 450001）

面包烘焙品质试验是河南工业大学粮食工程专业和食品科学与工程专业本科生必修实践课程“食品工艺综合实验”中的一个实验项目，共6 个学时。教学大纲中要求学生采用直接发酵法、快速烘焙法和中种发酵法3 种方法制备面包，进行品质评价。但是因为课时和条件的局限，指导教师不得不在课前把很多工作都代替学生做了，学生上课时只能做部分工序，显然不符合教学大纲要求，也没有达到实验目的。因此，有必要通过虚拟仿真技术，模拟面包生产过程的实景环境和生产状态，使学生通过面包制备虚拟仿真实验达到实地开展实验的效果。

1 开展面包烘焙品质虚拟仿真实验的必要性

1.1 当前实验方法所用学时的限制

根据GB/T 14611—2008[1]，直接发酵法是将面粉和其他配料混合制成面团后，经90 min 发酵后成型，醒发45 min 后入烤箱烘烤，出炉后进行品质评价。除去和面及中间的操作，只计发酵和醒发就需135 min，即3 学时。

根据GB/T 35869—2018[2]，快速烘焙法是将面粉粉和其他配料混合制成面团后，经20 min 发酵后成型，醒发40 min 后入烤箱烘烤，出炉后进行品质评价。除去和面及中间的操作，只计发酵和醒发需要60 min。

根据GB/T 14612—2008[3]，中种发酵法是先将部分面粉及全部酵母揉混调制成中种面团，经过较长时间发酵，然后再与剩余的面粉、水及其他配料揉混调制成主面团，经短时间延续发酵，进行分割揉圆，中间醒发和成型，再经过最后醒发，入炉烘烤。出炉后进行品质评价。其中，中种面团发酵4 h，主面团延续发酵30 min，中间醒发12~15 min，最后醒发65 min。除去和面及中间的操作，只计发酵和醒发需要350 min，将近8 学时。

在实验教学大纲要求的6 个学时内，要求学生完成8 个学时的实验内容，采用3 种方法制备面包，并进行品质评价显然是不可能的。

1.2 教育信息化时代的要求

为贯彻教育部2018 年发布《教育信息化2.0 行动计划》通知，结合学校特色与教育信息化规划，粮油食品学院领导与“食品工艺综合实验”课程教学团队积极开展课程信息化教改。经过多轮研讨和论证，形成了“食品工艺综合实验”课程教学信息化的共识，并通过虚拟仿真技术手段对小麦粉面包烘焙品质实验项目进行改革，提出了模拟直接发酵法、快速烘焙法和中种发酵法3 种方法制备面包、围绕实验室网络环境基础、多媒体可视交流系统、虚拟仿真实验教学项目等建设内容，设定了课时信息化比例整体达100%。使学生通过虚拟仿真实验达到实地开展3 种方法制备面包实验的效果。

2 面包烘焙品质虚拟仿真实验的实用性

2.1 破解实验难以全部开展的困局

面包是主食品加工的重要品类之一，面包生产行业是我国重要的食品加工产业之一。同时，面包加工过程需要“食品化学”“食品微生物学”“食品工艺学”等多领域知识，掌握面包加工技能可扩展至发酵面制品加工等其他行业领域，对学生的食品工程能力培养发挥着不可替代的作用。针对面包生产实验实训时，“面包制备实验学时不够”“面包生产实验劳动强度大”和学生数量大不易安排的老大难问题，教研团队一直在探索更科学合理的实验开展方式，但并未在实体环境下找到切实可行的方案。借助虚拟仿真技术，建设面包加工虚拟仿真项目可以破解学生无法在既定的6 个学时内开展3 种方法制备面包的困局，提升实验质量。

2.2 贯彻“两性一度”，融合“课程思政”

根据教育部对课程“两性一度”的要求，在面包烘焙品质虚拟仿真实验项目中构建接近实验室状态的虚拟环境，使学生有身临其境的感受，并在此环境下，对学生开展的实验提出3 种方法制备面包、品质评价、优化工艺参数等高阶要求；并通过生产不同类型面包，使学生在产品类型和生产工艺创新等多方面提出要求，提升学生创新能力培养；使学生感受到实验实操过程的挑战度提高，激发学生实验过程的兴趣，从而积极完成虚拟仿真条件下的实验实操学习。

在模拟仿真实验实操过程中，将“生产安全”“食品安全”“工匠精神”等思政元素融入实验过程。

3 面包烘焙品质虚拟仿真实验的先进性

3.1 实验资源具有鲜明的专业特色

虚拟仿真实验项目依托学校特色——粮油食品加工，结合学校面包产品研发、工艺设计、品质评价的超强实力和突出能力，而且学校与面包加工的龙头企业的良好合作关系，通过面包生产龙头企业桃李、盼盼，小麦粉加工龙头企业益海嘉里和五得利，面包发酵剂生产龙头企业安琪酵母等一系列面包加工领域的企业，提供本项目建模所需的生产实景及实用、先进生产技术支持，为构建面包加工虚拟仿真实验项目模型和数字影像库提供了优质实体实验材料资源。

3.2 根据“新工科”建设要求进行系统设计

系统根据“新工科”建设和工程教育专业认证的要求，围绕OBE 理念开展[4]。以学生为中心，包含有课前了解、实验训练、实验考核、实验报告、融合与拓展、学情分析、学习资料、研发团队等模块。满足学生实操实验需求，突出“两性一度”和“课程思政融合”的要求，使学生进行创新性、探索性的实验，并感受到思政元素传递的正能量。

3.3 研发具有知识产权的实验教学系统

课程教学团队依据教育部的《教育信息化2.0 行动计划》，根据软件系统知识产权法律法规的规定，在实验教学系统中融入多种教学手段，利用“元认知策略”“虚拟现实技术”和“游戏化教学”等近几年教育教学的新兴理念与技术，在虚拟仿真实验系统研发过程将沉浸性、交互性、虚幻性和逼真性等贯穿系统中。课程团队教师与虚拟仿真系统开发公司的工程师协同合作，使用增强现实（AR）、3D仿真、虚拟现实（VR）等开发技术，研发完全拥有自主知识产权的面包生产及品质评价虚拟仿真系统。

3.4 根据“元宇宙”新形态发展持续改进

根据“元宇宙”理念，依托VR 和Internet 发展与迭代更新，围绕信息教育发展趋势和粮油食品专业领域科研最新动态，在当前增强现实和虚拟仿真技术满足实验课程教学需求基础上，在本项目的虚拟仿真系统中预留后期多次开发功能和模块，为满足持续改进提供升级空间，未来能与“元宇宙”体系有效对接，拓展本虚拟仿真系统的应用。