陳燕萌，柳富杰，覃逸明

(廣西科技師范學(xué)院 食品與生化工程學(xué)院，廣西 來賓 546199)

食品工程原理是食品類專業(yè)必修的一門基礎(chǔ)專業(yè)課，有很強的理論性和實踐性，且與食品工業(yè)生產(chǎn)密切聯(lián)系，在課程體系中起著承前啟后和由理及工的重要紐帶作用[1]。食品工程原理實驗課程是食品工程原理課程的重要補充和實踐，是學(xué)生理論聯(lián)系實踐的重要途徑，對學(xué)生工程意識和工程思維的培養(yǎng)起著重要作用。虛擬仿真教學(xué)是一種共享型虛擬實驗系統(tǒng)，是以計算機網(wǎng)絡(luò)為核心，利用多媒體、人機交互和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，為學(xué)習(xí)者提供一個生動、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，是目前國際先進的教學(xué)模式[2]。

1 食品工程原理實驗傳統(tǒng)教學(xué)的優(yōu)點與不足

1.1 傳統(tǒng)實驗教學(xué)的優(yōu)點

1.1.1 提高學(xué)生的感知認識

傳統(tǒng)的食品工程原理實驗教學(xué)是指學(xué)生到食品工程原理實驗室親自操作真實的儀器開展真實的實驗。從心理學(xué)的角度出發(fā)，學(xué)生總是對自己能夠親身接觸的實物記憶得更加深刻和透徹[3]。在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，學(xué)生可以看到真實的實驗設(shè)備構(gòu)造和組成，可以通過實體的儀器理清管路和閥門的作用，可以學(xué)習(xí)某些重要設(shè)備的實際操作方法，如離心泵、板框壓濾機的使用等，這種通過視覺、觸覺、聽覺等來認識事物并獲得感性認知的過程，可提高學(xué)生對食品工程原理實驗的興趣，同時也會加深學(xué)生對理論知識的理解與掌握。

1.1.2 培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力

學(xué)生在進行傳統(tǒng)的實驗時，總會遇到各種各樣的問題，學(xué)生能否正確、快速解決這些問題，將會直接或間接影響實驗結(jié)果。如，在雷諾演示實驗過程中，水箱液位的波動幅度將會直接影響紅墨水呈現(xiàn)出來的流動形狀，間接影響學(xué)生所觀察到的流體流動形態(tài)，對此，要求學(xué)生在操作過程中必須隨時根據(jù)出水流量的變化，調(diào)節(jié)正確的閥門，控制水箱的液位達到平衡，以防進、出水量失衡造成的水箱液位波動嚴重、或水箱水量不足、或水箱水量溢出等現(xiàn)象的出現(xiàn)。學(xué)生通過經(jīng)歷傳統(tǒng)實驗，不僅提高了動手操作的能力，也培養(yǎng)了分析和解決問題的能力。

1.2 傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足

1.2.1 教學(xué)設(shè)備守舊，數(shù)量不足

目前，傳統(tǒng)的食品工程原理實驗室現(xiàn)有的實驗設(shè)備大多是流體力學(xué)、恒壓過濾、吸收、傳熱、干燥、精餾等操作單元的教學(xué)儀器，這些教學(xué)儀器與化工原理實驗的儀器大體相同，大多是一些基礎(chǔ)型、驗證性實驗項目，缺乏一些綜合性、設(shè)計性的實驗項目。此外，食品工程原理實驗的每個實驗項目僅有一臺儀器設(shè)備，而上課對象一般多達15人/組以上，學(xué)生操作工位非常擁擠，使得在實際教學(xué)中往往會出現(xiàn)部分學(xué)生操作、部分學(xué)生圍觀等現(xiàn)象，不利于學(xué)生的學(xué)習(xí)探索。

1.2.2 儀器易出現(xiàn)異常，實驗結(jié)果不理想

傳統(tǒng)的實驗儀器有一定的使用壽命，常因使用率高、或?qū)W生操作不當(dāng)?shù)纫蛩貢霈F(xiàn)異常，影響實驗結(jié)果。如，在流體流動阻力的測定實驗中，其中一個步驟是對倒U型壓差計進行排氣，學(xué)生對這步操作經(jīng)常做不對，需要重重復(fù)復(fù)操作，增加了對儀器的使用率，使高壓閥、低壓閥超負荷扭轉(zhuǎn)，最終出現(xiàn)漏水，影響了儀器的性能；在傳熱實驗中，由于溫度探頭接觸不良，使得測量冷流體的出口溫度間歇性出現(xiàn)異常，也會影響實驗結(jié)果。

1.2.3 教學(xué)內(nèi)容單一，范圍狹窄

傳統(tǒng)的食品工程原理實驗教學(xué)內(nèi)容主要是雷諾演示實驗、流體阻力測定實驗、離心泵特性曲線測定實驗、洞道干燥實驗、填料吸收塔實驗、恒壓過濾實驗、篩板精餾實驗、傳熱實驗這八大實驗項目，內(nèi)容都較偏向化工原理實驗方向，缺乏一些與食品工業(yè)相近的基礎(chǔ)性實驗項目和綜合性設(shè)計的實驗項目，如蒸發(fā)實驗、噴霧干燥實驗、流化床干燥實驗、超臨界流體萃取實驗等。

1.2.4 實驗教學(xué)受時間、場地限制

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)一般都是在規(guī)定的時間到特定的實驗室開展相關(guān)的實驗項目，基本是一周學(xué)習(xí)一個實驗項目，每個實驗項目安排3學(xué)時。對于原理抽象、過程復(fù)雜的食工原理實驗，3學(xué)時的學(xué)習(xí)時間肯定是不夠的，學(xué)生需要更多的時間和機會對所學(xué)項目進行練習(xí)和更深入的探討。然而，高校的食品工程原理實驗教學(xué)普遍存在學(xué)生人數(shù)眾多、儀器數(shù)量較少、食品工程原理實驗的教師和實驗員人數(shù)不足的現(xiàn)象，這些因素在很大程度上限制了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，導(dǎo)致學(xué)生不能根據(jù)自己的時間自主規(guī)劃自己的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

2 虛擬仿真實驗的優(yōu)點與不足

2.1 虛擬仿真實驗的優(yōu)點

2.1.1 教學(xué)內(nèi)容全面，綜合性實驗增多

食品工程原理實驗的虛擬仿真實驗內(nèi)容比較全面，除了傳統(tǒng)教學(xué)的實驗項目外，還包括了流體黏度測定實驗、氣體液體擴散實驗、蒸發(fā)實驗、噴霧干燥實驗、流化床干燥實驗、液液萃取實驗、超臨界萃取、葡萄酒發(fā)酵單元虛擬實驗等，既包含了所有化工操作單元的基礎(chǔ)性實驗，又包含了一些綜合性設(shè)計實驗，教學(xué)內(nèi)容全面，符合國家對應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求。

2.1.2 操作思路清晰，安全簡便

虛擬仿真實驗在程序設(shè)定過程中會遵循安全操作的原則，對于學(xué)生操作不當(dāng)、設(shè)置不合理的地方，系統(tǒng)會立即出現(xiàn)提示或安全警告，讓學(xué)生意識到錯誤和危險，從而提高了學(xué)生的安全防患意識。如，在虛擬仿真恒壓過濾實驗中，系統(tǒng)操作界面如圖1所示，當(dāng)配料桶的懸浮液未經(jīng)“泵入口閥-離心泵-回流閥”混合均勻時，就點擊采出閥輸送液體到高位槽，這時系統(tǒng)就會提示“懸浮液未混合均勻”的提示；若加水量少了，配制的懸浮液濃度過高，點擊采出閥時，系統(tǒng)會提示“懸浮液濃度太高，請加水”；當(dāng)未打開排氣閥，就點擊采出閥輸送樣品時，系統(tǒng)會提示“請先打開高位槽排氣閥”。此外，還有更多不正確的操作，系統(tǒng)都會給予正確的提示，引導(dǎo)實驗一步步有序進行?？梢?，虛擬仿真實驗避免了傳統(tǒng)實驗過程中可能出現(xiàn)的泄露、高壓等危險事故的發(fā)生，避免了學(xué)生現(xiàn)場操作手忙腳亂、一片混亂的場景。

圖1 虛擬仿真恒壓過濾實驗系統(tǒng)操作界面

2.1.3 可無限重復(fù)，數(shù)據(jù)更接近理論值

虛擬仿真實驗是在仿真軟件下進行實驗的，不受實體物料、設(shè)備的限制，學(xué)生只要有電腦、軟件就能開展相關(guān)的學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生可根據(jù)自己的時間，進行重復(fù)練習(xí)，同時也可通過更改參數(shù)條件，采集不同的數(shù)據(jù)，比較實驗參數(shù)變化對實驗結(jié)果的影響。此外，虛擬仿真實驗的實驗避免了傳統(tǒng)實驗過程中的種種故障和異常，即減少了傳統(tǒng)實驗的系統(tǒng)誤差、人為誤差和偶然誤差等，故采集出來的實驗數(shù)據(jù)較理想，學(xué)生通過虛擬仿真實驗數(shù)據(jù)驗證出來的結(jié)果也會更接近理論值。

2.1.4 虛擬實驗不受時間、場地的限制

與傳統(tǒng)實驗不同的是，虛擬仿真實驗實施的條件是電腦+軟件，學(xué)生可在自己的筆記本電腦裝上食品工程原理仿真實驗軟件，隨時隨地開展實驗項目的自主學(xué)習(xí)，不再受傳統(tǒng)教學(xué)學(xué)時、儀器設(shè)備、場所的限制。

2.2 虛擬仿真實驗的不足

2.2.1 缺乏實驗的氛圍

虛擬仿真實驗采用人機交互的模式，學(xué)生面對的是冰冷的電腦和一些不真實的軟件。授課時教師一般是通過主機控制方式與學(xué)生互動，這會給學(xué)生帶來一種感覺：他們面對只是一個會講解實驗知識的機器，而并非真正的人。虛擬仿真實驗?zāi)Ｊ揭话悴扇∫蝗艘粰C，無法提供真實實驗中的人文環(huán)境，難以實現(xiàn)核心素養(yǎng)中提出的培養(yǎng)學(xué)生合作交流能力的要求[3]。

2.2.2 實驗過程過于理想化

虛擬仿真實驗完全是在虛擬的實驗環(huán)境中進行，每個步驟的進行都是通過操控鼠標(biāo)或鍵盤來完成的。食品工程原理實驗注重培養(yǎng)學(xué)生面對實際事件時分析問題和解決問題的能力，而虛擬實驗過程都非常理想，對真實實驗過程中的一些細節(jié)，特別是易出現(xiàn)的實驗故障等問題缺乏模擬，不利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力[3]。

3 傳統(tǒng)教學(xué)與虛擬仿真的有機結(jié)合

3.1 從實驗內(nèi)容的構(gòu)架將兩者有機結(jié)合

根據(jù)國家教育部對高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求，實驗課的實驗內(nèi)容應(yīng)包含基礎(chǔ)性、驗證性、綜合性、設(shè)計性的實驗項目。在食品工程原理實驗的教學(xué)中，教師可采用傳統(tǒng)教學(xué)模式開展一些基礎(chǔ)性、驗證性的實驗項目，采用虛擬仿真教學(xué)模式開展一些綜合性、設(shè)計性的實驗項目，以此合理安排框架完整的實驗項目。

3.2 從實驗的操作可行性將兩者有機結(jié)合

食品工程原理實驗傳統(tǒng)教學(xué)中，個別實驗操作繁瑣、數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、存在安全隱患等問題，如，在恒壓過濾實驗中，由于學(xué)生控制壓力不恒定、所裝板框濾布漏液、實驗存在高壓風(fēng)險，該實驗項目的常不能順利開展全部實驗內(nèi)容，或采集出來的原始數(shù)據(jù)也不理想。因此，教師針對操作不穩(wěn)定、操作存在安全隱患等實驗項目，可結(jié)合虛擬軟件開展仿真教學(xué)，以此實現(xiàn)教學(xué)目的。

4 結(jié)束語

食品工程原理實驗的傳統(tǒng)教學(xué)模式與虛擬仿真實驗教學(xué)模式各有其獨特的優(yōu)點與不足，兩者不應(yīng)獨立存在，而應(yīng)相互共存、相互補足、相互促進的統(tǒng)一體。為了使食品工程原理實驗的教學(xué)效果達到最優(yōu)，在高校的食品工程原理實驗教學(xué)中應(yīng)將兩種實驗教學(xué)模式有機結(jié)合起來，從而實現(xiàn)實驗教學(xué)的目的。