吳春華 童彩玲 江漢森 嚴(yán)志明 龐杰

摘要實(shí)驗(yàn)教學(xué)是食品工程原理教學(xué)的重要組成部分，將新興的虛擬仿真教學(xué)手段融入傳統(tǒng)食品工程原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，是培養(yǎng)學(xué)生工程創(chuàng)新能力的重要方式。針對(duì)目前食品工程原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題，構(gòu)建了適合的食品工程原理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)體系，這對(duì)于提高學(xué)生的實(shí)踐能力、提高食品工程創(chuàng)新人才的培養(yǎng)質(zhì)量具有重要意義。

關(guān)鍵詞食品工程原理實(shí)驗(yàn);虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

中圖分類號(hào)S-01?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611（2019）18-0280-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.18.079

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Exploration on the Experimental Virtual Simulation Teaching System of Food Engineering Principles

WU Chun-hua1，TONG Cai-ling1，JIANG Han-sen2 et al（1.College of Food Science，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350002;2.Office of Educational Administration，F(xiàn)ujian Agriculture and Foresty Universtiy，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350002）

AbstractExperimental teaching is an important part of the teaching of food engineering principles. Integrating the emerging virtual simulation teaching methods into the experimental teaching of traditional food engineering principles is an important way to cultivate students engineering innovation ability. Aiming at the existing problems in the experimental teaching of food engineering principles，this paper constructed a proper virtual simulation teaching system for food engineering principles，which was of great significance to improve students practical ability and improve the quality of food engineering innovation talents.

Key wordsFood engineering principle experiment;Virtual simulation;Experimental teaching reform

培養(yǎng)工程科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新人才是新時(shí)期國(guó)家“新工科”建設(shè)核心目標(biāo)，而工程教育人才培養(yǎng)模式的探索是其關(guān)鍵所在[1]。食品工程原理作為食品科學(xué)與工程本科專業(yè)及其相近專業(yè)的一門理論性和實(shí)踐性很強(qiáng)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，與食品工業(yè)生產(chǎn)緊密聯(lián)系，在食品工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)中起著承前啟后和由理及工的重要紐帶作用[2]。食品工程原理實(shí)驗(yàn)課程是理論課程學(xué)習(xí)的重要補(bǔ)充和實(shí)踐，是培養(yǎng)食品類學(xué)生工程實(shí)踐能力的重要途徑[3]。目前，多媒體輔助教學(xué)技術(shù)雖然已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于食品工程原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，但由于該課程的專業(yè)性較強(qiáng)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課件內(nèi)容展示手段較少，缺乏與學(xué)生實(shí)質(zhì)性的互動(dòng)教學(xué)環(huán)節(jié)，單獨(dú)的平面教學(xué)講解仍很難調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，未能起到很好的教學(xué)效果。同時(shí)，食品工程原理實(shí)驗(yàn)涉及的食品工程相關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，操作過程繁瑣[4-6]。因此，如何運(yùn)用國(guó)際先進(jìn)的教學(xué)系統(tǒng)替代或者互補(bǔ)傳統(tǒng)的食品工程原理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式迫在眉睫。

虛擬仿真教學(xué)是一種共享型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，是以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為核心，利用多媒體、人機(jī)交互和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，為學(xué)習(xí)者提供一個(gè)生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，是目前國(guó)際先進(jìn)的教學(xué)模式[7]。自2013年教育部在全國(guó)開展“國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”的認(rèn)定工作（教高司函〔2013〕94 號(hào)文件）以來，有關(guān)虛擬仿真教學(xué)已成為國(guó)內(nèi)現(xiàn)代教育研究關(guān)注的焦點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用于工科、醫(yī)學(xué)相關(guān)院校的實(shí)踐教學(xué)[8-10]，然而有關(guān)食品工程原理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)鮮見報(bào)道。因此，針對(duì)傳統(tǒng)食品工程原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，有必要借鑒國(guó)際先進(jìn)的教學(xué)模式[11]，遵循“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的原則，探索構(gòu)建食品工程原理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)體系，提高食品工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

1食品工程原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的主要問題

目前，國(guó)內(nèi)大部分食品專業(yè)院校在食品工程原理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方面存在以下問題：①實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師大多以傳統(tǒng)“填鴨式”教學(xué)方式對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、操作步驟及注意事項(xiàng)進(jìn)行講解，并自己手動(dòng)操作設(shè)備演示實(shí)驗(yàn)，供學(xué)生參考學(xué)習(xí)[12]，傳統(tǒng)的封閉灌輸式教育模式注重理論教育，對(duì)實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐不夠重視，導(dǎo)致學(xué)生眼高手低，不能很好地掌握和運(yùn)用理論知識(shí)，這種模式不能充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，不能有效激發(fā)學(xué)生的求知欲和探索精神。②由于食品工程原理相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格高、體積大，導(dǎo)致多數(shù)食品專業(yè)院校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足[13]。一般采用多人為一小組在同一臺(tái)設(shè)備上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式，造成少數(shù)學(xué)生以動(dòng)手操作為主，多數(shù)學(xué)生觀看的現(xiàn)象，難以達(dá)到培養(yǎng)每個(gè)學(xué)生自我動(dòng)手能力和操作能力的教學(xué)要求;多年食品加工類專業(yè)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明，僅僅采用實(shí)驗(yàn)式、半理論、半實(shí)踐的訓(xùn)練，對(duì)學(xué)生來說還是比較抽象的，獲得的知識(shí)也是片面的，不完全的。?③由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量有限，通常同一時(shí)間段需要開展2～3個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目， 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師很難做到及時(shí)糾正學(xué)生實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的不規(guī)范操作現(xiàn)象，如常出現(xiàn)離心泵憋泵、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集不完整等問題。

④考核方式較為傳統(tǒng)，考試考核制度仍然注重卷面考試，主要依據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的結(jié)果進(jìn)行評(píng)定[14]，存在部分學(xué)生抄襲（特別是組內(nèi)相互抄襲）問題，很難從實(shí)驗(yàn)報(bào)告上區(qū)分學(xué)生之間的差距，未能準(zhǔn)確反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，使其失去了實(shí)驗(yàn)成績(jī)的考核意義。

⑤由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備較大，且運(yùn)行存在著一定的危險(xiǎn)性[15]，因此學(xué)生只能在實(shí)驗(yàn)課固定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，課后沒有機(jī)會(huì)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鞏固和練習(xí)，嚴(yán)重影響本科生對(duì)食品工程原理課程的深入認(rèn)識(shí)和理解，不能及時(shí)將所學(xué)食品工程原理知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際問題中，對(duì)于工程方面不能全面透徹地認(rèn)識(shí)。如何拓展實(shí)踐領(lǐng)域、豐富教學(xué)內(nèi)容，提供綠色、可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一直是困擾工程實(shí)踐教學(xué)的難題。

2食品工程原理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)體系的構(gòu)建

為了彌補(bǔ)上述傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足，在福建省食品工程虛擬仿真教學(xué)中心及相關(guān)校級(jí)網(wǎng)絡(luò)示范課程建設(shè)的基礎(chǔ)上，依托北京歐倍爾軟件技術(shù)開發(fā)有限公司開發(fā)仿真模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，以“福建省食品工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”和“產(chǎn)業(yè)學(xué)院”為首的22個(gè)專業(yè)類實(shí)踐基地為依托，針對(duì)地方工科大學(xué)生工程實(shí)踐能力不能滿足社會(huì)發(fā)展需要的普遍現(xiàn)象和“以教師為中心、書本為中心和課堂為中心”的傳統(tǒng)封閉灌輸式教學(xué)模式之弊端以及實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、大型貴重儀器實(shí)訓(xùn)時(shí)間不足等難題，改變單向灌輸、學(xué)生被動(dòng)接受的局面，在現(xiàn)有食品工程原理實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中融入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，搭建“虛實(shí)結(jié)合”的全過程管理的實(shí)踐教學(xué)體系?（圖1）。

此教學(xué)體系采用“虛實(shí)結(jié)合式教學(xué)”和“情景再現(xiàn)式教學(xué)”的教學(xué)方法，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)品工程原理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目受場(chǎng)地、時(shí)間、設(shè)備、安全等因素制約的缺陷，順應(yīng)“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”趨勢(shì)，培養(yǎng)出具有創(chuàng)新意識(shí)的新世紀(jì)復(fù)合型食品工程技術(shù)人才。在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的基礎(chǔ)上，充分發(fā)掘虛擬仿真軟件的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使學(xué)習(xí)更加深入、生動(dòng)，還可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣和積極性，將自主學(xué)習(xí)、互助學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)有機(jī)結(jié)合，有效解決了目前學(xué)生工程實(shí)踐能力缺乏和創(chuàng)新意識(shí)缺失的核心問題，培養(yǎng)學(xué)生的工程化能力，有利于復(fù)合應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)、虛擬仿真等技術(shù)轉(zhuǎn)變實(shí)踐課程建設(shè)方式，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性。虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)拓展實(shí)踐領(lǐng)域、豐富教學(xué)內(nèi)容，提供綠色、可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。網(wǎng)絡(luò)課堂與真實(shí)教學(xué)相結(jié)合，計(jì)算機(jī)模擬與真實(shí)實(shí)訓(xùn)相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，采取虛實(shí)結(jié)合和情景再現(xiàn)的互聯(lián)網(wǎng)線上線下融合的個(gè)性化教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生的好奇心，啟發(fā)思考，帶著問題學(xué)習(xí)教材或查找相關(guān)文獻(xiàn)、尋找答案的過程中，鍛煉了學(xué)生的自學(xué)能力、運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。具體實(shí)施方案如下：

實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用集中授課和自主練習(xí)相結(jié)合的方式。課程開始時(shí)，教師在多媒體實(shí)驗(yàn)室對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)中的虛擬軟件進(jìn)行演示。學(xué)生在進(jìn)入食品工程原理實(shí)驗(yàn)室前，可以通過虛擬仿真平臺(tái)預(yù)習(xí)、觀摩、模擬相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，了解每次實(shí)驗(yàn)單元操作裝置流程、操作規(guī)程以及數(shù)據(jù)采集的要點(diǎn)，熟悉實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理。學(xué)生完成線上軟件測(cè)試后，在線提交虛擬實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)教師在線評(píng)分并及時(shí)反饋給學(xué)生，取得測(cè)試合格后方可開始實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，師生可通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上的在線答疑功能進(jìn)行互動(dòng)交流。在學(xué)生提前線上學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師在線下實(shí)驗(yàn)室設(shè)備上邊現(xiàn)場(chǎng)演示操作、邊講解，供學(xué)生課前觀摩學(xué)習(xí)，領(lǐng)會(huì)操作要點(diǎn)等。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，以線上提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)、線下實(shí)驗(yàn)操作成績(jī)和線下實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)相結(jié)合的形式考核學(xué)生。學(xué)生不僅能夠在實(shí)體實(shí)驗(yàn)中獲得第一手知識(shí)和技能，而且能夠在仿真情境中進(jìn)行模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)自身需求反復(fù)練習(xí)，培養(yǎng)其科學(xué)精神與創(chuàng)新能力。

3食品工程原理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)體系的實(shí)施效果

3.1激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣基于網(wǎng)絡(luò)化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有網(wǎng)絡(luò)化、開放性、交互性和易操作等特點(diǎn)，有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)、實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。學(xué)生可以借助便捷的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算環(huán)境，隨時(shí)、隨地動(dòng)手開展實(shí)驗(yàn)，在人機(jī)交互的虛擬實(shí)驗(yàn)中提高自主學(xué)習(xí)能力。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過模擬真實(shí)的食品生產(chǎn)操作，使學(xué)生身臨其境，真實(shí)地感受并掌握食品加工過程中各單元設(shè)備的操作方法，給學(xué)生提供了一個(gè)無危險(xiǎn)、低成本的方式以及與真實(shí)世界交互的平臺(tái)，是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方式的重大挑戰(zhàn)，也是高校教學(xué)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的一個(gè)新飛躍。

3.2加強(qiáng)學(xué)生理論與實(shí)際結(jié)合食品工程原理實(shí)驗(yàn)與生產(chǎn)實(shí)際密切相關(guān)。但實(shí)體實(shí)驗(yàn)存在設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作過程繁瑣、水電氣安全風(fēng)險(xiǎn)高（尤其真空濃縮）、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備與實(shí)際生產(chǎn)有差別、原料采收期短且不耐貯藏、難以向?qū)W生全面展示和解釋等問題。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)受時(shí)空條件、儀器數(shù)量和操作過程等條件的限制，能使學(xué)生深入了解設(shè)備原理、操作規(guī)程等知識(shí)，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量，進(jìn)一步提升高校創(chuàng)新人才的培養(yǎng)能力。

3.3拓展學(xué)生學(xué)習(xí)資源基于網(wǎng)絡(luò)化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生可以借助于便捷的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算環(huán)境（如移動(dòng)終端、個(gè)人電腦等設(shè)備），隨時(shí)隨地動(dòng)手開展實(shí)驗(yàn)，使其對(duì)基本原理的理解、公式中各種參數(shù)的來源及使用范圍有更加深刻的認(rèn)識(shí)，從而幫助學(xué)生理解從書本上較難弄懂的概念，而且可以利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)貴重儀器的遠(yuǎn)程操控和共享。由于學(xué)生不需要到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，大大提高了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和貴重設(shè)備的共享和利用率。此外，虛擬仿真教學(xué)體系引入了很多原來不可實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，例如通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，同學(xué)對(duì)食品的生產(chǎn)流程會(huì)有一個(gè)直觀、清晰的了解，將課本上的知識(shí)真正運(yùn)用到實(shí)踐中。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來實(shí)驗(yàn)極大地提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)水平。

4結(jié)語

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是當(dāng)今國(guó)際先進(jìn)的教學(xué)模式方式之一，其借助多媒體、人機(jī)交互和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建了高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，不僅能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有教學(xué)資源不足的缺陷，而且可以豐富教學(xué)內(nèi)容的作用[16]。食品工程原理實(shí)驗(yàn)是一門實(shí)踐性、工程性極強(qiáng)的課程，將虛擬仿真教學(xué)模式引入教學(xué)中，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)受時(shí)空條件、儀器數(shù)量和操作過程等條件的限制，能使學(xué)生通過自行設(shè)定相應(yīng)參數(shù)，深入了解設(shè)備操作單元原理、操作規(guī)程等知識(shí)。通過該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，可以實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量，進(jìn)一步提升食品工程創(chuàng)新人才的培養(yǎng)能力。

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