吳永祥，胡長(zhǎng)玉，王德青，金聲瑯，呂順清

(1.黃山學(xué)院 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，安徽 黃山245041；2.黃山學(xué)院 旅游學(xué)院，安徽 黃山245041)

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算等技術(shù)的快速發(fā)展，在“中國(guó)制造2015”、“工業(yè)4.0”等強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略背景下，新興工業(yè)強(qiáng)勢(shì)崛起，推動(dòng)了食品工程與信息化、數(shù)據(jù)化、智能化等領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型升級(jí)，同時(shí)也為我國(guó)高校培養(yǎng)食品科學(xué)與工程專業(yè)應(yīng)用型創(chuàng)新人才提供了良好契機(jī)[1]。食品科學(xué)與工程主要涉及食品加工工藝、產(chǎn)品保藏與包裝、工廠設(shè)計(jì)與制圖、現(xiàn)代儀器分析、機(jī)械與設(shè)備、企業(yè)管理等學(xué)科。實(shí)踐教學(xué)中相關(guān)的加工設(shè)備、現(xiàn)代分析儀器、企業(yè)車(chē)間布局設(shè)計(jì)等成本投入高，但因資金和場(chǎng)地有限，導(dǎo)致教學(xué)中學(xué)生的工程實(shí)踐鍛煉只能停留在表面，達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)效果，不能滿足當(dāng)前社會(huì)對(duì)“新工科”背景下食品科學(xué)與工程專業(yè)應(yīng)用型創(chuàng)新人才的需求[2,3]。黃山學(xué)院食品科學(xué)與工程專業(yè)起步較晚，專業(yè)師資與專業(yè)基礎(chǔ)薄弱，尚未形成科學(xué)的學(xué)科專業(yè)體系，且在培養(yǎng)工科應(yīng)用型創(chuàng)新人才過(guò)程中暴露出理論知識(shí)與實(shí)踐應(yīng)用結(jié)合性不強(qiáng)等問(wèn)題[4]。作為傳統(tǒng)的食品科學(xué)與工程專業(yè)，要在新時(shí)代環(huán)境中生存與發(fā)展，只有不斷轉(zhuǎn)型升級(jí)和改革創(chuàng)新。

“新工科”作為工程教育的新理念、新模式，為工程教育的創(chuàng)新發(fā)展提供了諸多思路。與傳統(tǒng)工科比較，“新工科”理念更加注重多學(xué)科的交叉融合，著重培養(yǎng)人才的工程意識(shí)、工程素質(zhì)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力[5]。2017 年 4 月，教育部發(fā)布了《2017-2020 年示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)規(guī)劃》，提出了以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，開(kāi)展虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)，延伸教學(xué)的時(shí)間與空間，以增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。虛擬仿真教學(xué)作為先進(jìn)的教學(xué)手段，是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)字多媒體技術(shù)、人機(jī)交換技術(shù)等信息技術(shù)，模擬虛擬現(xiàn)實(shí)下的環(huán)境，使現(xiàn)有條件下無(wú)法完成的教學(xué)活動(dòng)在虛擬條件下進(jìn)行，并實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的共享開(kāi)發(fā)與數(shù)字化[6]。虛擬仿真教學(xué)具有較強(qiáng)的演示性、實(shí)踐性、趣味性和安全性，不僅能將理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)連接成一個(gè)有機(jī)整體，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)理論更深層次的理解，而且能加強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐鍛煉，有效提升學(xué)生的創(chuàng)新能力[7]。黃山學(xué)院食品科學(xué)與工程專業(yè)亟需運(yùn)用“新工科”的工程教育理念，構(gòu)建食品科學(xué)與工程專業(yè)虛擬仿真教學(xué)與創(chuàng)新平臺(tái)，整合與完善現(xiàn)有的教學(xué)資源，深化教學(xué)改革，構(gòu)建完整的學(xué)科專業(yè)體系，以滿足當(dāng)今社會(huì)對(duì)新型工科食品科學(xué)與工程專業(yè)應(yīng)用型創(chuàng)新人才的需求。

1 平臺(tái)構(gòu)建目標(biāo)

食品科學(xué)與工程專業(yè)虛擬仿真教學(xué)與創(chuàng)新平臺(tái)的建設(shè)以當(dāng)今社會(huì)對(duì)人才需求為導(dǎo)向，結(jié)合專業(yè)定位，構(gòu)建合理的虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目，建立科學(xué)的食品科學(xué)與工程專業(yè)課程教育體系，豐富教學(xué)內(nèi)容。以學(xué)生為中心，從大學(xué)生的理解和實(shí)踐能力入手，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，注重培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。充分利用數(shù)字多媒體技術(shù)、人機(jī)交換技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、傳感器技術(shù)等信息技術(shù)，革新傳統(tǒng)教學(xué)方式，利用互動(dòng)式、競(jìng)賽式、項(xiàng)目式的教學(xué)方法，訓(xùn)練學(xué)生的工程項(xiàng)目思維和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，延伸教學(xué)的時(shí)間與空間，推動(dòng)教學(xué)方式多樣化。以虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的科學(xué)性、課程的教學(xué)效果、學(xué)生工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力的提升為標(biāo)準(zhǔn)，建立多元、動(dòng)態(tài)的評(píng)價(jià)體系，確保虛擬仿真教學(xué)評(píng)價(jià)體系的有效性。

2 平臺(tái)構(gòu)建思路

為解決食品科學(xué)與工程專業(yè)傳統(tǒng)教學(xué)存在的問(wèn)題，將虛擬仿真技術(shù)引入到現(xiàn)代教學(xué)中，可以彌補(bǔ)實(shí)體教學(xué)受儀器設(shè)備、場(chǎng)地環(huán)境、時(shí)間與空間等因素制約的缺陷，充分發(fā)揮虛擬仿真教學(xué)的生動(dòng)形象、直觀易懂，有助于激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情和推動(dòng)學(xué)生積極進(jìn)行實(shí)踐綜合訓(xùn)練。同時(shí)需要注意的是不能簡(jiǎn)單地將虛擬仿真教學(xué)附屬于實(shí)體教學(xué)，真正的動(dòng)手能力與技能還需要在現(xiàn)實(shí)中去實(shí)踐與鍛煉，應(yīng)遵循“虛實(shí)融合互補(bǔ)，多元協(xié)同工作”的理念來(lái)確定兩者的關(guān)系，構(gòu)建虛實(shí)兼顧的一體化教學(xué)體系[8]。

黃山學(xué)院生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院在食品科學(xué)與工程專業(yè)大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)中引入虛擬仿真教學(xué)模式，不斷完善軟硬件條件，充分發(fā)揮虛擬仿真教學(xué)對(duì)實(shí)體教學(xué)的補(bǔ)充作用、對(duì)大型或加工環(huán)境實(shí)體實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的替代功能，以滿足當(dāng)今社會(huì)對(duì)新型工科食品科學(xué)與工程專業(yè)應(yīng)用型創(chuàng)新人才的迫切需求。結(jié)合實(shí)際，學(xué)院積極探索新型工科應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，構(gòu)建食品科學(xué)與工程專業(yè)虛擬仿真教學(xué)與創(chuàng)新綜合平臺(tái)，如圖1。

圖1 黃山學(xué)院食品科學(xué)與工程專業(yè)虛實(shí)結(jié)合的一體化教學(xué)體系

3 平臺(tái)構(gòu)建內(nèi)容

黃山學(xué)院食品科學(xué)與工程專業(yè)虛擬仿真教學(xué)與創(chuàng)新平臺(tái)主要分為專業(yè)理論教學(xué)虛擬仿真模塊、專業(yè)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真模塊、專業(yè)實(shí)訓(xùn)虛擬仿真模塊、創(chuàng)新設(shè)計(jì)虛擬仿真模塊4個(gè)部分。整個(gè)平臺(tái)構(gòu)建內(nèi)容按照虛實(shí)融合互補(bǔ)的原則進(jìn)行建設(shè)，形成了多元協(xié)同的較為完善的教學(xué)新體系，具有多學(xué)科的綜合與交叉的特征。

3.1 專業(yè)理論教學(xué)虛擬仿真模塊

食品科學(xué)與工程專業(yè)核心課程如食品機(jī)械與設(shè)備、食品工程原理、食品工廠設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等知識(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜分散，內(nèi)容抽象難懂，要求學(xué)生有較強(qiáng)的空間想象能力，因此在傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中面臨較大困難。專業(yè)理論教學(xué)虛擬仿真模塊能將不同食品加工工作原理、不同食品加工設(shè)備的運(yùn)作和操作過(guò)程、不同食品工廠生產(chǎn)車(chē)間平面設(shè)計(jì)等相關(guān)知識(shí)內(nèi)容系統(tǒng)化，并以3D 動(dòng)畫(huà)形式一一呈現(xiàn)出來(lái)，極大增強(qiáng)了教學(xué)的直觀性和生動(dòng)性，讓學(xué)生有種親臨其境的學(xué)習(xí)氛圍。如圖2 所示，以食品機(jī)械與設(shè)備為例的專業(yè)理論虛擬仿真教學(xué)，可以結(jié)合學(xué)院現(xiàn)有的加工設(shè)備，采用虛擬現(xiàn)實(shí)和三維技術(shù)重點(diǎn)教學(xué)食品物料輸送機(jī)械、原料預(yù)處理設(shè)備、食品分離機(jī)械、加熱殺菌設(shè)備、濃縮與干燥設(shè)備、包裝技術(shù)裝備等幾十種典型食品加工設(shè)備的工作原理、加工操作和維修維護(hù)。通過(guò)虛擬仿真教學(xué)，以3D動(dòng)畫(huà)形式呈現(xiàn)機(jī)械與設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組裝及運(yùn)行過(guò)程。同時(shí)，學(xué)生可隨時(shí)隨地進(jìn)行相應(yīng)的學(xué)習(xí)，通過(guò)反復(fù)訓(xùn)練，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)理論更深層次的理解。在此過(guò)程中教師與學(xué)生可以進(jìn)行線上和線下的互動(dòng)交流與答疑，針對(duì)教師的解答效果和學(xué)生項(xiàng)目的完成情況進(jìn)行互評(píng)，針對(duì)性地提出改進(jìn)意見(jiàn)，完善平臺(tái)建設(shè)。

圖2 食品機(jī)械與設(shè)備的專業(yè)理論虛擬仿真教學(xué)模塊

3.2 專業(yè)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真模塊

為彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中大型儀器設(shè)備和場(chǎng)地不足，專業(yè)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真模塊以虛實(shí)結(jié)合的原則對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革，通過(guò)對(duì)典型大型儀器單元操作，如氣相色譜、高效液相色譜、原子吸收光譜、紅外吸收光譜、掃描電鏡、核磁共振波譜等的仿真，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)儀器單元結(jié)構(gòu)及工作原理的理解，提升學(xué)生對(duì)儀器單元操作的實(shí)踐能力。如以食品分析實(shí)驗(yàn)課程中“原子吸收光譜法在農(nóng)產(chǎn)品重金屬檢測(cè)中的應(yīng)用分析”為例，學(xué)生可在原子吸收光譜虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行儀器結(jié)構(gòu)認(rèn)知、樣品預(yù)處理、分析條件設(shè)定、火焰法檢測(cè)、石墨爐法檢測(cè)及日常維護(hù)與故障維修6個(gè)模塊的實(shí)踐訓(xùn)練。虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括各種樣品的預(yù)處理、氣體流量調(diào)節(jié)、儀器操作條件設(shè)定與優(yōu)化、測(cè)量操作、數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析等多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中，可選擇不同類(lèi)型的樣品在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上模擬試劑配制操作，完成標(biāo)準(zhǔn)樣品與試樣的配制，并可以通過(guò)改變虛擬儀器的分析條件，觀察比較吸光度數(shù)值的變化來(lái)確定最佳實(shí)驗(yàn)條件。此外，學(xué)生能根據(jù)選擇的樣品，通過(guò)3D 仿真實(shí)驗(yàn)裝置交互式操作，模擬出該樣品的分析全過(guò)程，包括標(biāo)準(zhǔn)樣品與試樣的分析、標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制、數(shù)據(jù)處理過(guò)程等。每個(gè)學(xué)生都能親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、記錄與分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握。

3.3 專業(yè)實(shí)訓(xùn)虛擬仿真模塊

實(shí)訓(xùn)虛擬仿真模塊是食品科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)體系中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力最重要的模塊。根據(jù)專業(yè)建設(shè)要求，構(gòu)建啤酒發(fā)酵工藝虛擬仿真實(shí)訓(xùn)、果酒發(fā)酵工藝虛擬仿真實(shí)訓(xùn)、蘋(píng)果汁飲料生產(chǎn)加工虛擬仿真實(shí)訓(xùn)、香腸加工虛擬仿真實(shí)訓(xùn)、雞蛋分級(jí)加工虛擬仿真實(shí)訓(xùn)、面膜生產(chǎn)加工虛擬仿真實(shí)訓(xùn)、軟糖3D 工廠車(chē)間虛擬仿真設(shè)計(jì)等。采用虛擬工廠的形式可以展現(xiàn)食品生產(chǎn)企業(yè)的廠區(qū)總平面設(shè)計(jì)、生產(chǎn)車(chē)間管道設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝路線和加工設(shè)備等，將產(chǎn)品生產(chǎn)良好操作規(guī)程、SSOP 衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)操作程序、ISO22000質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和車(chē)間管理等內(nèi)容融合到虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中，并進(jìn)行仿真互動(dòng)。實(shí)訓(xùn)虛擬仿真模塊含有評(píng)判功能，由預(yù)設(shè)的智能化評(píng)分系統(tǒng)對(duì)學(xué)生的實(shí)際操作進(jìn)行科學(xué)打分，將成績(jī)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)并輸出。學(xué)生通過(guò)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)能夠全面系統(tǒng)地掌握產(chǎn)品的生產(chǎn)全過(guò)程，強(qiáng)化學(xué)生的工程意識(shí)、工程素質(zhì)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，為學(xué)生進(jìn)入生產(chǎn)企業(yè)實(shí)習(xí)與就業(yè)打下良好的基礎(chǔ)。

3.4 創(chuàng)新設(shè)計(jì)虛擬仿真模塊

創(chuàng)新設(shè)計(jì)虛擬仿真模塊主要是學(xué)生經(jīng)過(guò)專業(yè)理論、專業(yè)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)訓(xùn)后進(jìn)行的創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐，該模塊以專業(yè)的各類(lèi)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)科競(jìng)賽、教師的縱向與橫向項(xiàng)目、國(guó)家級(jí)與省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目為訓(xùn)練資源（如圖3 所示），鞏固學(xué)生專業(yè)理論知識(shí)，啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，有助于提升教學(xué)效果。結(jié)合虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)資源豐富和實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，以競(jìng)賽或項(xiàng)目的形式培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作及解決實(shí)際問(wèn)題的能力，進(jìn)而從整體上提升學(xué)生的創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)能力。創(chuàng)新設(shè)計(jì)虛擬仿真模塊具備跨學(xué)科、跨年級(jí)等特點(diǎn)，可以將多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的學(xué)生匯聚在一起，推動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)面的擴(kuò)展。黃山學(xué)院食品科學(xué)與工程專業(yè)在教學(xué)中使用創(chuàng)新設(shè)計(jì)虛擬仿真模塊取得了較好的教學(xué)效果。近3 年，學(xué)生參加省部級(jí)以上創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽并獲獎(jiǎng)20余項(xiàng)，包括全國(guó)大學(xué)生生命科學(xué)競(jìng)賽三等獎(jiǎng)3 項(xiàng)、安徽省大學(xué)生食品設(shè)計(jì)創(chuàng)新大賽一等獎(jiǎng)2 項(xiàng)和二等獎(jiǎng)5 項(xiàng)、安徽省“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽銀獎(jiǎng)3項(xiàng)、安徽省大學(xué)生“創(chuàng)新、創(chuàng)意及創(chuàng)業(yè)”挑戰(zhàn)賽二等獎(jiǎng)1項(xiàng)等；學(xué)生主持或參加國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目12項(xiàng)、省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目25項(xiàng)；參與申請(qǐng)國(guó)家專利15項(xiàng)；學(xué)生參與發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇。

圖3 食品科學(xué)與工程專業(yè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)虛擬仿真模塊

4 小 結(jié)

在“新工科”的建設(shè)背景下，虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用已成為發(fā)展趨勢(shì)。食品科學(xué)與工程專業(yè)虛擬仿真教學(xué)與創(chuàng)新平臺(tái)的構(gòu)建和應(yīng)用，無(wú)疑會(huì)極大地豐富教學(xué)內(nèi)容和創(chuàng)新教學(xué)方式，能有效地深化教學(xué)改革，完善教學(xué)體系，大大提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，促進(jìn)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的提升，有效提高教學(xué)質(zhì)量。本平臺(tái)的建設(shè)今后還能共享于生物技術(shù)、烹飪與營(yíng)養(yǎng)、生物科學(xué)以及環(huán)境工程等專業(yè)，并為工程教育的改革發(fā)展提供一定的借鑒。但現(xiàn)行的虛擬仿真教學(xué)仍處于起步階段，需要在平臺(tái)建設(shè)過(guò)程中積極探索，在教學(xué)實(shí)踐中不斷思考和總結(jié)，才能推動(dòng)虛擬仿真教學(xué)體系的可持續(xù)發(fā)展。