劉麗莉，張孟軍，康懷彬，程偉偉，趙勝娟

（河南科技大學食品與生物工程學院，食品加工與安全國家級教學示范中心，河南洛陽 471023）

近年來，隨著科學技術(shù)的發(fā)展與進步，教育教學質(zhì)量在不斷提高，然而實驗實訓等實踐項目受限、教學效果不理想仍是亟待解決的重要問題，還需要探索新的教學思路和方法。另外，經(jīng)費和資源的不足也使得工科類院校或相關(guān)專業(yè)的發(fā)展受限，如設(shè)備儀器缺乏或落后、師資力量薄弱等，這使得教學在內(nèi)容上較為枯燥，不夠新穎，創(chuàng)新性和探索性相對缺乏；在形式上較為單一，教和學轉(zhuǎn)化率相對較低[1]。

以河南科技大學食品與生物工程學院專業(yè)課——“食品工藝學”課程教學為例，該課程在2018年榮獲國家級精品在線課程，達到同類課程的國內(nèi)領(lǐng)先水平，受到學校和國內(nèi)同行的一致好評。校內(nèi)外修讀取得了顯著效果，已獲得一定的進展與廣泛好評。然而，“食品工藝學”課程教學仍存在一些不足：①內(nèi)容多、課時少，雖然有在線精品課程的加持，但仍無法全面細致，面面俱到；②缺乏實踐，僅僅“走馬觀花”式的觀摩不能直接接觸參與實驗過程，使得學生的知識與技能學習轉(zhuǎn)化效率不高，且記憶不深刻；③由于部分實驗實訓具有成本高、存在安全問題等特點，再加上時間和空間等方面的限制，學生很難獨立完成實驗操作，導致學生參與度與互動性較低，不易發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有問題，獨立思考、創(chuàng)新性解決問題的能力得不到提升，教學效果嚴重受限[1]。

1 虛擬仿真教學應(yīng)用于傳統(tǒng)教學的意義

所謂虛擬仿真技術(shù)，就是將實訓或?qū)嶋H生產(chǎn)過程中由于時間、空間、經(jīng)費、安全性等因素限制而無法實現(xiàn)的項目用計算機結(jié)合3D 建模等技術(shù)采用模型方式展示出來，在計算機上建立一套虛擬分析系統(tǒng)，達到與真實操作相關(guān)儀器相似的效果[2]。主要有以下優(yōu)點：①使課堂內(nèi)容更加豐富，激發(fā)學生的興趣，從而促使學生從不同的角度思考，提出專業(yè)性的問題，提高其創(chuàng)新思維的能力。②通過計算機及仿真技術(shù)使學生直觀了解到機器內(nèi)部運轉(zhuǎn)情況，有助于加深其對實驗原理的理解，具有較為立體直觀的感受。③節(jié)約成本，受限較小。采用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建虛擬模擬訓練場景，使得一些由于技術(shù)、環(huán)境、成本、安全性等原因限制而無法完成整個實驗過程的問題得以解決，且可根據(jù)教學任務(wù)的變更進行拓展，節(jié)約實驗室維護的成本。

目前，只依靠傳統(tǒng)教學模式已無法適應(yīng)我國市場經(jīng)濟發(fā)展的趨勢，必須將傳統(tǒng)教學方式與現(xiàn)代科學技術(shù)緊密統(tǒng)一，虛實結(jié)合，形成多元化立體教學模式，使教學內(nèi)容更豐富、可靠；實踐內(nèi)容更安全、經(jīng)濟、高效[3-4]。虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用彌補了傳統(tǒng)教學模式的弊端，打破了實踐教學內(nèi)容在時間、空間、安全性等方面的局限性，進一步從實質(zhì)上使實踐教學成效得到了拓展，極大程度上提高學生學習的效率，使教和學的轉(zhuǎn)化率大幅提升，傳統(tǒng)教學方式與虛擬仿真技術(shù)有效互補、相輔相成。對培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識、動手能力、發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力具有重要的意義，可滿足用人單位和社會對人才培養(yǎng)質(zhì)量的要求[5-6]。

2 “虛實結(jié)合”兩位一體教學模式的構(gòu)建

2.1 虛擬仿真實踐教學中心的建立

2.1.1 食品專業(yè)實踐中適用虛擬技術(shù)輔助教學的課程

食品專業(yè)課程虛擬仿真實踐系統(tǒng)具體需要根據(jù)其各自的專業(yè)特色進行開發(fā)。例如，“食品工藝學”“食品工程原理”等課程，工程性質(zhì)強，只依靠概念性文字描述不能對其進行很好的解釋，學生得不到全面系統(tǒng)的理解。這就需要虛擬仿真技術(shù)加以輔助，通過三維動畫將食品加工過程場景模擬出來，再加以教師結(jié)合動畫進行互動性教學，模擬實際實踐場景，學生在學習后可通過虛擬軟件獨立進行相應(yīng)的實踐操作，給學生帶來直觀全面的模擬實踐體驗。例如，在啤酒、葡萄酒等食品生產(chǎn)加工工藝過程中，能夠突破時間、空間等的局限性，通過3D 模型高度還原且完整展示其生產(chǎn)加工的全部過程，及相關(guān)儀器工作原理和運轉(zhuǎn)方式，應(yīng)用于食品專業(yè)，如“食品科學與工程”“食品質(zhì)量與安全”“乳品工程”等課程的虛擬仿真技術(shù)，要求其具有良好的承繼性、合理性、可操作性和方便實用性，且能夠與實踐實訓、實際生產(chǎn)操作相符，具有較高的還原度[1，5-7]。

2.1.2 應(yīng)用于食品專業(yè)課程的虛擬仿真技術(shù)的設(shè)計

設(shè)計虛擬仿真課程與在線精品課程相結(jié)合的軟件技術(shù)，滿足學生實驗預習、模擬實驗、實驗數(shù)據(jù)管理的需求，達到三維動畫流暢，內(nèi)部結(jié)構(gòu)可視，課堂理論講解與儀器操作能即時結(jié)合的效果，從而更好地促進食品專業(yè)課程教學。虛擬仿真技術(shù)還需要相關(guān)軟件技術(shù)的支撐，將專業(yè)軟件技術(shù)團隊與食品專業(yè)課程教師結(jié)合，由課程教師根據(jù)課程需要提供相關(guān)素材，由專業(yè)的軟件技術(shù)團隊提供技術(shù)指導和支持，積極做好交流與溝通，多層次、遞進式地進行模型設(shè)計，將抽象的難以理解的儀器設(shè)備結(jié)構(gòu)原理更加細致化、形象化，促進知識的轉(zhuǎn)化，使虛擬仿真實訓平臺更能切合食品專業(yè)課程的實踐教學體系需求[8]。

虛擬仿真技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)涵蓋以下方面：①虛擬仿真實踐教學管理系統(tǒng)?；趪揖吩诰€課程針對在線教育研發(fā)后臺管理系統(tǒng)，需通過賬號及密碼登錄，包括個人信息中心、教學管理、資源庫、輔助教學平臺等。②虛擬仿真實訓識圖與構(gòu)造軟件。由課程教師聯(lián)合專業(yè)技術(shù)團隊共同設(shè)計，達到具體工藝流程對應(yīng)三維動畫模型，可通過調(diào)整從各個方位各個角度展示，并且生成相應(yīng)的二維圖紙，模型界面和圖紙界面可以相互轉(zhuǎn)換進入或是同時打開對比，方便學生理解記憶。③用戶系統(tǒng)建設(shè)。需賬戶密碼登錄，包括個人信息中心、課程素材、實踐中心等基本內(nèi)容，實踐中心按層次劃分為單元操作、過程操作、實際生產(chǎn)加工模擬等，通過實踐中心能達到課前預習，課間操作、課后復習的目的。

2.1.3 應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)資源整合與共享

隨著互聯(lián)網(wǎng)和相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，借助于遠程虛擬實驗技術(shù)的遠程教育隨之興起。聯(lián)合校內(nèi)外、本地區(qū)各高校乃至全國各高校建立教學資源共享平臺，使教學資源更加完整豐富，節(jié)約開發(fā)成本的基礎(chǔ)上最大程度地滿足學生需求，建立立體化、全方位、多層次的學習平臺。相互彌補，形成完整的教學體系，共同促進，形成一種綠色可循環(huán)的“資源庫共享”模式[9-10]。

2.2 傳統(tǒng)教學與虛擬仿真技術(shù)有機結(jié)合

實現(xiàn)教學模式的多元化，將傳統(tǒng)教育方式與現(xiàn)代化技術(shù)相結(jié)合。傳統(tǒng)教學模式中，多以課堂為主，實驗室為輔。虛擬仿真軟件能夠?qū)嶒炇野徇M課堂，實現(xiàn)理論知識與實驗操作的統(tǒng)一與同步，刺激學生的積極性。另一方面，現(xiàn)代科學技術(shù)始終是未來發(fā)展的重要方向，緊跟時代發(fā)展步伐，將現(xiàn)代科技運用到教學中，利用現(xiàn)代科學技術(shù)更高效地促進教學。因此通過虛擬仿真實驗軟件開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)教學模式的多元化，促進教學實踐與信息技術(shù)的融合，形成“虛實結(jié)合”的教學體系[10]。

2.2.1 課程體系的改革

改變傳統(tǒng)教學固定化的教學模式，將虛擬仿真技術(shù)融入其中，為學生學習課程提供“先導式”教學內(nèi)容，學生通過虛擬仿真教學軟件對專業(yè)課程的流程進行提前學習，完成對專業(yè)課程部分的預習。教師根據(jù)課程變革重新修訂授課內(nèi)容，在理論教學的過程中，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，進一步豐富和完善網(wǎng)上教學資源，對學生仍有疑惑的部分進行講解和系統(tǒng)的總結(jié)，保證課程資源的正常、穩(wěn)定建設(shè)。通過虛擬仿真技術(shù)，極大程度地提高了學生對儀器構(gòu)造及工作原理的理解，使工藝流程實際操作的記憶能力和空間思維能力得到了更好的塑造。通過教師解惑總結(jié)，使得學生的學習效率得到很大的提升。另外，在課程設(shè)置方面，要做到精簡、優(yōu)化，更加注重培養(yǎng)和提高學生創(chuàng)新能力、動手能力、獨立思考和解決問題的能力，繼而全方位、多角度、多層次地提升教學質(zhì)量[11]。

2.2.2 建立“三合一”實習課程體系

建立一種虛擬仿真技術(shù)與校內(nèi)實驗室實習及校外企業(yè)實際生產(chǎn)實習“三合一”的模式，充分利用校內(nèi)外資源，改革課程實驗內(nèi)容設(shè)置及實習內(nèi)容設(shè)置，與企業(yè)實際生產(chǎn)過程相結(jié)合[12]。更新教學理念，實行分階段多層次實踐性教學。首先，將虛擬仿真技術(shù)引入實踐教學中，通過仿真技術(shù)使學生更高效地掌握實際生產(chǎn)的過程及原理；其次，繼續(xù)加強實驗、實訓場所及設(shè)施建筑，構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的多元實踐教學基地，增強實踐教學基地的仿真性；最后，以校內(nèi)實驗為依托，校外企業(yè)實際生產(chǎn)實習為目標，充分發(fā)揮校內(nèi)外實習基地的作用，在虛擬系統(tǒng)模擬訓練的基礎(chǔ)上通過實際操作更深程度地加深學生的理解，提高其動手能力及解決實際生產(chǎn)過程中突發(fā)問題的能力，學會知識與技能的融會貫通。

2.2.3 改革實習實踐模式

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在課程實訓、頂崗實習、畢業(yè)設(shè)計、項目競賽中，構(gòu)建虛擬仿真實踐中心及校企聯(lián)合實驗室。將專業(yè)介紹、金工實習、認識實習、課程設(shè)計、生產(chǎn)實習、科研訓練課、食品工藝實驗、畢業(yè)實習等實踐教學課程有計劃分階段地安排在整個課程計劃中，以達到最佳的教學效果。

3 現(xiàn)有成效及優(yōu)化辦法

學校食品專業(yè)本科課程自設(shè)立以來，經(jīng)過學院教師20 多年的努力，已建成了完整的課程體系和實踐基地，形成了自己的特色和風格。依靠雄厚的師資力量和先進的科研基地，并利用河南省食品工業(yè)快速發(fā)展的優(yōu)勢，在授課過程中，充分利用現(xiàn)代化設(shè)備，在教學手段上更加注重多媒體化。為學校工程教育的國際化打開了新局面，為學校工程類專業(yè)的建設(shè)和發(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗，并獲得了同行的一致認可，得到同類院校專家的高度評價。但是，由于科學技術(shù)的發(fā)展與進步，食品企業(yè)實際生產(chǎn)設(shè)備也在逐步更新，向智能化、自動化、復雜化、大型化方向發(fā)展。學生未實際接觸過大型設(shè)備，這給課程講解帶來了一定的難度，為適應(yīng)時代的發(fā)展，這使得類似于“食品工藝學”的課程需要接受更新、更大的挑戰(zhàn)，需要不斷地探索與完善。

為此，提出以下幾點優(yōu)化方法：①進一步加強專業(yè)課程建設(shè)，更深層次地加大校企合作，在對外交流與宣傳上投入更多精力，提升知名度，積極申報國家級精品在線開放課程，并且結(jié)合虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)“食品工藝學”等專業(yè)課程推廣。②加強師資隊伍建設(shè)，加強課程教師的引進和師資的培訓，向更高水平、更高層次、更高標準的方向發(fā)展，逐步向國內(nèi)一流教師團隊靠攏。③以食品專業(yè)課程為例進行課程的改革，總結(jié)經(jīng)驗、改進不足，穩(wěn)步完成對食品專業(yè)課程的全部改造，實現(xiàn)食品專業(yè)一流本科課程體系的建設(shè)。

4 結(jié)語

虛擬仿真技術(shù)在食品專業(yè)中的應(yīng)用，對促進知識的轉(zhuǎn)化、提升學生學習效率有重要的意義，借助虛擬仿真技術(shù)，學生可以清晰地了解到平常不易接觸到的大型儀器內(nèi)部構(gòu)造及工作運行狀態(tài)，幫助其更深層次地理解與記憶。隨著科學發(fā)展的趨勢，更高效安全的技術(shù)應(yīng)用到教育行業(yè)中勢在必行，通過在虛擬系統(tǒng)中的模擬與訓練，獲得與實際操作儀器設(shè)備相似的效果，使學生工程創(chuàng)新能力、隨機應(yīng)變能力、迅速創(chuàng)造生產(chǎn)力能力得到有效的提升，這是人才培養(yǎng)中不可或缺的目標。另外，虛擬仿真技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)教學方式，構(gòu)建多元化、立體式教學模式，二者相互補充、相輔相成，促進“所學及所用”，達到產(chǎn)學研并行。同時，將成熟的應(yīng)用模式引進到其他學科建設(shè)中，可逐步帶動食品專業(yè)一流本科課程體系的建設(shè)。