宋賢良， 葉盛英， 司徒文貝， 羅樹燦

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院， 廣州 510640)

0 引 言

食品機械與設(shè)備是食品科學(xué)與工程專業(yè)一門重要的專業(yè)課程，也是一門工程性和實踐性強的課程。在該課程的教學(xué)與學(xué)習(xí)過程中，強化學(xué)生的工程實踐和實際動手操作能力顯得尤為重要[1-2]。實驗教學(xué)能直觀形象地展示各種加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理，加深學(xué)生對典型設(shè)備的認(rèn)識，使理論與實踐相結(jié)合，進行工程知識的熏陶，有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程觀及運算、設(shè)計能力，提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)。因此，實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力的有力手段，在課程教學(xué)中占有重要地位[3]。但是食品機械與設(shè)備傳統(tǒng)實驗教學(xué)受儀器設(shè)備、教學(xué)條件和實驗學(xué)時不足的限制，且傳統(tǒng)實驗以驗證型實驗為主，較難激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)新性[4]。因此，如何解決課程實驗教學(xué)中存在的問題，提高實驗教學(xué)效果是人們長期關(guān)注并積極探索的熱點。

虛擬仿真實驗是借助計算機和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建虛擬的實驗操作環(huán)境，學(xué)生在虛擬環(huán)境中運用虛擬實驗設(shè)備進行仿真實驗操作，完成預(yù)定的實驗項目[5]。近年來，虛擬仿真技術(shù)已在許多課程的實驗教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用[6-9]，通過三維仿真實驗平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式難以達到的教學(xué)效果，可使抽象枯燥的教學(xué)變得豐富多彩，教學(xué)過程變得更加直觀、生動[10]。而虛擬仿真技術(shù)在食品機械與設(shè)備實驗教學(xué)中的應(yīng)用尚未見報道，本文在食品機械與設(shè)備實驗教學(xué)中嘗試開展虛擬仿真實驗教學(xué)的探索，通過虛實結(jié)合的教學(xué)模式以期提高該課程的教學(xué)效果。

1 食品機械與設(shè)備傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的問題

培養(yǎng)應(yīng)用型、技術(shù)型人才是高等教育發(fā)展的目標(biāo)之一[11]。對于食品科學(xué)與工程專業(yè)，實驗教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計和實際操作能力方面發(fā)揮著重要作用。目前，該課程實驗教學(xué)面臨諸多問題，嚴(yán)重影響了實驗教學(xué)的質(zhì)量和效果。

(1) 受儀器設(shè)備的制約。傳統(tǒng)食品機械與設(shè)備實驗教學(xué)需要借助各種大型的機械設(shè)備才能完成，這些設(shè)備往往價格昂貴、體積大，操作不當(dāng)容易損壞，設(shè)備維修費用高等。食品機械設(shè)備種類繁多，然而受教學(xué)經(jīng)費和實驗場地的限制，食品機械實驗平臺不能購置更多的實驗設(shè)備，導(dǎo)致開設(shè)的實驗數(shù)目少。

(2) 受教學(xué)條件的限制。隨著高校招生規(guī)模的擴大，辦學(xué)經(jīng)費得不到長足的補充，使得教學(xué)場地?fù)頂D，實驗設(shè)備短缺和陳舊老化等問題顯得尤為突出[12]。食品機械與設(shè)備實驗所采用的實驗設(shè)備較大，學(xué)生人數(shù)眾多，設(shè)備運行時間長、維修頻率高，可操作的實驗設(shè)備臺數(shù)有限。目前普通高等院校的食品機械實驗設(shè)備基本上是每個實驗項目僅有1～2臺(套)，即使按分組實驗，每臺設(shè)備至少要同時容納8～10名學(xué)生操作，因此在實驗教學(xué)中很難保證每個學(xué)生有親自動手操作的機會，直接影響到實踐教學(xué)效果。

(3) 實驗學(xué)時不足。隨著高校教學(xué)改革的不斷深入，高等教育正向大眾化教育階段跨越，社會對人才的需求也呈現(xiàn)不同特點[13]。在這樣的背景下，各專業(yè)人才培養(yǎng)計劃一再調(diào)整，專業(yè)課學(xué)時數(shù)不斷壓縮。如食品機械與設(shè)備課程由原先的80學(xué)時壓縮至54學(xué)時，因此總課時數(shù)減少，實驗課學(xué)時數(shù)也隨之減少，使得開設(shè)的實驗項目的數(shù)目明顯不足。

(4) 設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、抽象難懂。食品機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，講解抽象，學(xué)生難理解，即使教師在現(xiàn)場做情景化、實時化的演示實驗，對設(shè)備的有些內(nèi)部結(jié)構(gòu)也很難直觀看到，要求學(xué)生有較好的空間想象能力，才能真正理解設(shè)備的工作原理[14]。

鑒于食品機械與設(shè)備傳統(tǒng)實驗教學(xué)中存在的問題，對其進行改革創(chuàng)新已勢在必行。虛擬仿真實驗技術(shù)是一種新型的輔助教學(xué)手段，通過虛擬仿真模擬整個實驗過程，可使學(xué)生在高沉浸感的虛擬環(huán)境下感知機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理，可增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高實驗教學(xué)效果。

2 食品機械與設(shè)備虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的構(gòu)建

為解決食品機械與設(shè)備傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的問題，將虛擬仿真技術(shù)引入到本課程實驗教學(xué)中，充分發(fā)揮虛擬仿真實驗生動、直觀、安全，不受時間、場地、儀器設(shè)備限制等優(yōu)勢，開發(fā)食品機械與設(shè)備虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，構(gòu)建的平臺示意圖(見圖1)。該平臺主要包括機械設(shè)備結(jié)構(gòu)認(rèn)知仿真和虛擬仿真實驗操作2個模塊，設(shè)備結(jié)構(gòu)認(rèn)知仿真模塊涵蓋輸送設(shè)備、加工設(shè)備和包裝設(shè)備3 個動畫仿真庫，虛擬仿真實驗操作模塊包括噴霧干燥、啤酒發(fā)酵和切達干酪生產(chǎn)3個仿真實驗。整個虛擬仿真實驗教學(xué)平臺都是按照虛實結(jié)合的原則進行建設(shè)，形成了較為完善的實驗教學(xué)新體系，體現(xiàn)多學(xué)科綜合與交叉的特征。

圖1 食品機械與設(shè)備仿真實驗教學(xué)平臺構(gòu)建示意圖

3 虛擬仿真技術(shù)在食品機械與設(shè)備實驗教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 食品機械與設(shè)備結(jié)構(gòu)認(rèn)知仿真

食品機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，抽象難董，要求學(xué)生有較強的空間想象能力，因此學(xué)習(xí)過程中往往面臨較大困難。在食品機械與設(shè)備教學(xué)過程中，采用掛圖和幻燈片的形式展示機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)和原理，在一定程度上能增強對設(shè)備結(jié)構(gòu)認(rèn)知的直觀性，但是這種靜態(tài)的圖片展示不能很好表達大型復(fù)雜設(shè)備的運動過程和原理。因此，采用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)出針對不同食品加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作過程的仿真動畫庫，以3D動畫形式呈現(xiàn)復(fù)雜機械設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組裝及運行過程，從而極大增強了學(xué)生對食品機械設(shè)備結(jié)構(gòu)認(rèn)知的直觀性。

食品機械與設(shè)備結(jié)構(gòu)認(rèn)知仿真庫按照輸送設(shè)備、食品加工設(shè)備和包裝設(shè)備三大塊，采用Pro/E，eDrawings，F(xiàn)lash等軟件開發(fā)出如帶式輸送機、離心泵、均質(zhì)機、碟片離心機、高壓滅菌鍋等幾十種典型設(shè)備的仿真動畫。圖2 是離心泵的分解動畫圖，通過虛擬仿真技術(shù)能夠?qū)㈦x心泵的泵蓋、泵體、葉輪、填料、填料壓蓋、擋水圈、軸、軸承、托架、定位套等構(gòu)件以3D動畫形式一一呈現(xiàn)出來，并直觀展現(xiàn)各構(gòu)件的安裝順序，明顯增強了教學(xué)的直觀性和生動性，讓學(xué)生有種身臨其境的感覺。

圖2 離心泵分解動畫

3.2 食品機械與設(shè)備虛擬仿真實驗操作

為彌補食品機械與設(shè)備傳統(tǒng)實驗教學(xué)中儀器設(shè)備和場地不足，我們在東方仿真軟件技術(shù)有限公司的食品加工設(shè)備虛擬仿真實驗教學(xué)軟件的基礎(chǔ)上，開發(fā)出虛擬仿真實驗操作平臺(見圖3)。通過該平臺學(xué)生進行噴霧干燥單元操作、啤酒發(fā)酵工藝、切達干酪生產(chǎn)工藝等3個虛擬仿真實驗，以虛實結(jié)合的原則對食品機械與設(shè)備實驗教學(xué)進行改革，加強對學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。

圖3 虛擬仿真實驗操作平臺

3.2.1噴霧干燥仿真實驗

噴霧干燥在食品工業(yè)上廣泛應(yīng)用于奶粉、果蔬粉、速容咖啡、速容茶粉及微膠囊制品等產(chǎn)品的生產(chǎn)。食品機械與設(shè)備實驗教學(xué)中通常將噴霧干燥實驗作為一個典型的教學(xué)實驗。傳統(tǒng)噴霧干燥實驗由于受實驗設(shè)備的限制，通常采用分組實驗，每組8～10個學(xué)生共用1臺實驗設(shè)備，造成實驗過程中大多數(shù)學(xué)生只能旁觀，得不到實際動手操作的機會，實驗效果不理想。

噴霧干燥真實實驗進行前，學(xué)生可通過仿真實驗操作平臺，先進行噴霧干燥仿真實訓(xùn)操作。通過噴霧干燥仿真實驗軟件，學(xué)生可熟悉噴霧干燥系統(tǒng)組成(見圖4)，進行進風(fēng)量、進風(fēng)溫度、進料量和通針頻率的設(shè)定以及電加熱器和蠕動泵的操作，還可自主選擇樣品濃度，在不同樣品濃度下，控制各項指標(biāo)符合要求。經(jīng)過仿真實訓(xùn)操作，在真實實驗時學(xué)生都能夠按照噴霧干燥的實驗步驟熟練地進行實驗，大大提高了實驗效率，減少了實驗操作的失誤率。通過虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合的教學(xué)模式，學(xué)生對噴霧干燥的系統(tǒng)組成和工作過程都有深刻的理解和掌握，達到了實驗教學(xué)的目的。

圖4 噴霧干燥仿真系統(tǒng)組成

3.2.2啤酒發(fā)酵仿真實驗

實驗室規(guī)模的啤酒發(fā)酵實驗由于受糊化鍋、糖化鍋、發(fā)酵罐等大型機械設(shè)備的限制，學(xué)生只能借助三角瓶、培養(yǎng)箱等儀器分階段進行。這種傳統(tǒng)的實驗方法不能使學(xué)生對啤酒發(fā)酵設(shè)備產(chǎn)生直觀認(rèn)識，更談不上動手操作這些設(shè)備。

啤酒發(fā)酵仿真實驗是按照真實的啤酒發(fā)酵生產(chǎn)工藝和工藝參數(shù)構(gòu)建的數(shù)字化仿真實驗系統(tǒng)，其實驗過程與啤酒實際生產(chǎn)過程基本相同。通過仿真實訓(xùn)操作，能增強學(xué)生對啤酒發(fā)酵工藝和設(shè)備組成的全面和直觀認(rèn)識，有利于學(xué)生對啤酒發(fā)酵生產(chǎn)過程的運行、調(diào)控更好的理解和掌握。

該虛擬仿真實驗可進行糊化鍋、糖化鍋、發(fā)酵罐等設(shè)備的仿真實驗操作，圖5是糊化鍋的仿真操作界面；可對生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)(如溫度、壓力、pH值等)進行監(jiān)控；可對啤酒發(fā)酵過程中酵母、糖度、酒精度等趨勢繪制曲線，幫助學(xué)生了解整個發(fā)酵過程，并通過觀察曲線變化對發(fā)酵過程進行控制。學(xué)生通過對啤酒發(fā)酵虛擬仿真實驗軟件的操作，既可以掌握啤酒釀造的必備知識，也可以獨立完成對整個工藝流程和各設(shè)備的實際操作，通過對釀造過程中的眾多參數(shù)指標(biāo)的操作和調(diào)整，最終掌握啤酒生產(chǎn)的全過程。

圖5 糊化鍋仿真操作界面圖

3.2.3切達干酪工藝仿真實驗

干酪是一種發(fā)酵的牛奶制品，具有極高的營養(yǎng)價值，工業(yè)生產(chǎn)中需要干酪槽、殺菌設(shè)備、離心機、熱交換器、平衡槽等設(shè)備才能完成。切達干酪工藝仿真實驗是根據(jù)干酪工業(yè)化生產(chǎn)過程構(gòu)建的數(shù)字化仿真實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括原料乳預(yù)處理、巴氏殺菌、熱水加熱、緩沖貯罐、發(fā)酵和凝乳等部分組成。通過該仿真實驗系統(tǒng)，可按操作規(guī)范要求對原料乳預(yù)處理、巴氏殺菌、發(fā)酵和凝乳等工藝單元進行仿真實驗操作，并能對生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、液位和pH等數(shù)據(jù)進行監(jiān)控。圖6是干酪槽的仿真操作界面，通過調(diào)節(jié)發(fā)酵劑用量、氯化鈣用量和凝乳酶用量，可控制干酪的發(fā)酵和凝乳過程。該仿真實驗有利于學(xué)生熟悉和掌握切達干酪的生產(chǎn)過程和關(guān)鍵工藝參數(shù)的調(diào)控，掌握干酪槽、殺菌設(shè)備、離心機等設(shè)備的操作和調(diào)節(jié)。

圖6 干酪槽仿真操作界面

4 虛擬仿真實驗效果評價

虛擬仿真實驗教學(xué)為食品機械與設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作原理演示、操作過程仿真、故障診斷和操作培訓(xùn)提供了新的方法和手段，彌補了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的諸多不足，提高了信息的傳播與利用率，具有傳統(tǒng)實驗不可比擬的優(yōu)越性。

自2013年以來，面向我院學(xué)生開設(shè)虛擬仿真實驗，采用虛實結(jié)合的教學(xué)模式，已經(jīng)取得良好的教學(xué)效果。主要體現(xiàn)在以下方面：① 采用問卷調(diào)查的形式，獲得了開設(shè)虛擬仿真實驗對食品機械與設(shè)備課程學(xué)習(xí)的作用和效果。發(fā)出調(diào)查問卷150份，問卷回收率100%。從問卷調(diào)查的結(jié)果可看出，96.5%的學(xué)生都很贊同虛擬仿真實驗教學(xué)模式；93.7%的學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真實驗比傳統(tǒng)實驗更能激發(fā)學(xué)習(xí)興趣；91.5%的學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真實驗有利于對機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理的理解和掌握；88.2%的學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真實驗教學(xué)模式有利于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。由此可看出在食品機械與設(shè)備課程教學(xué)中開設(shè)虛擬仿真實驗?zāi)軌虻玫綄W(xué)生的普遍認(rèn)可。② 食品機械與設(shè)備課程期末考試成績有明顯提高。虛擬仿真實驗開設(shè)前，卷面分?jǐn)?shù)不及格率為20%左右，學(xué)生對設(shè)備的結(jié)構(gòu)和基本原理掌握不夠扎實，丟分較多；通過虛擬仿真實驗教學(xué)的開展，期末成績及格率明顯上升，卷面80分以上達到55%以上，不及格率僅為7%，學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握明顯增強。③ 學(xué)生畢業(yè)論文選擇與食品工廠設(shè)計相關(guān)的課題比例不斷增加，從2013年的8%增長到2016年的23%。近2年來，不少學(xué)生還參加了教師與企業(yè)合作的食品工廠設(shè)計項目，并依托項目來完成畢業(yè)論文，為培養(yǎng)食品工程領(lǐng)域高素質(zhì)應(yīng)用型人才打下了堅實的基礎(chǔ)。

5 結(jié) 語

食品機械與設(shè)備實驗?zāi)茏寣W(xué)生更好地鞏固和加深對課堂教學(xué)所闡述的食品加工機械的結(jié)構(gòu)和原理的理解和掌握，實現(xiàn)專業(yè)理論知識與實踐技能的有機結(jié)合，有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程觀和實踐創(chuàng)新能力。

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到食品機械實驗教學(xué)中，可大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，增加了對設(shè)備的直觀認(rèn)識，增強了實驗操作技能。仿真實驗教學(xué)突破了傳統(tǒng)實驗受場地、時間、安全等條件的限制，彌補了機械設(shè)備不足和老化的問題，豐富了實驗教學(xué)的內(nèi)容，是對傳統(tǒng)實驗教學(xué)的有益補充和擴展。為食品機械與設(shè)備教學(xué)手段的改進和教學(xué)質(zhì)量的提高提供了良好契機和有力保障。

參考文獻(References)：

[1] 謝 勇, 劉燕玉, 李 剛, 等. 基于工程能力培養(yǎng)的食品機械與設(shè)備課程教學(xué)改革[J]. 食品工業(yè), 2017,37(8):244-247.

[2] 劉登勇, 蓋圣美, 史秋峰. 農(nóng)業(yè)院校食品機械類課程教學(xué)模式的探索與實踐[J]. 食品與機械, 2011, 27(6):197-198,208.

[3] 李清明, 胡亞平, 鄧潔紅, 等. 食品工程與機械應(yīng)用技術(shù)實驗教學(xué)體系改革與實踐[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2007, 24(5):117-120.

[4] 李成剛, 劉海軍, 王 霞, 等. 《食品機械與設(shè)備》創(chuàng)新實驗教學(xué)的改革與實踐[J]. 包裝與食品機械, 2009, 27(3):65-67.

[5] 費景州, 路 勇, 高 峰, 等. 船舶動力技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)資源的建設(shè)與實踐[J]. 實驗室研究與探索, 2017, 36(1):147-151.

[6] 陳 龍, 郄小美, 馬學(xué)條. 數(shù)字電子技術(shù)綜合性虛擬仿真實驗教學(xué)改革[J]. 實驗室研究與探索, 2017, 36(5): 110-113.

[7] 錢 猛, 崔瑾, 成 丹, 等. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)微生物學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)模式的探索[J]. 微生物學(xué)通報, 2016, 43(4):861-866.

[8] 陳容容, 孫益頂, 魏東盛, 等. 多媒體虛擬仿真教學(xué)法在微生物學(xué)實驗中應(yīng)用[J]. 實驗室研究與探索, 2015, 34(11):194-196,200.

[9] 邸 馗, 于天彪, 陳培媛, 等. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械工程實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2014, 31(10):10-12.

[10] 蒙艷玫, 唐治宏, 董 振, 等. 機械工程虛擬仿真實驗教學(xué)體系的研究與實踐[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2016, 33(5):109-112.

[11] 杜月林, 黃 剛, 王 峰, 等. 建設(shè)虛擬仿真實驗平臺 探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[J]. 實驗技術(shù)與管理. 2015, 32(12):26-29.

[12] 胡曉波, 張一鳴, 王艷芳. 食品機械專業(yè)綜合實訓(xùn)教學(xué)的創(chuàng)新與實踐[J]. 實驗室研究與探索, 2009, 28(11): 248-251.

[13] 花奇芹, 陸 娟, 戴躍儂. 專業(yè)層面研究性教學(xué)改革的基本原則及其要點[J]. 中國大學(xué)教學(xué), 2017(2):43-46.

[14] 胡曉波, 張一鳴, 王艷芳. 食品機械專業(yè)綜合實訓(xùn)教學(xué)的創(chuàng)新與實踐[J]. 實驗室研究與探索, 2009, 28(11): 248-251.

[15] 廖盧艷, 吳衛(wèi)國, 易有金, 等. 食品工程機械應(yīng)用技術(shù)實驗教學(xué)改革初探[J]. 輕工科技, 2014(2):161-162.