汪立君，劉毅，張博雅，周忻，殷麗君

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院（北京 100083）

食品工程原理是食品科學(xué)與工程專業(yè)的基礎(chǔ)必修課，是一門理論和實踐結(jié)合十分緊密的專業(yè)基礎(chǔ)課[1]。作為一門實踐性極強(qiáng)的課程，食品工程原理實驗課對該理論課的學(xué)習(xí)有著重要的輔助作用和補(bǔ)充作用。目前，食品工程原理實驗的教學(xué)通常會引入課件、教學(xué)視頻等多媒體輔助教學(xué)手段，但由于該課程的專業(yè)性較強(qiáng)，所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，教學(xué)效果往往不理想[2]。近年來，“互聯(lián)網(wǎng)+”已改變著理論課堂的教學(xué)，也將同樣改變實踐教學(xué)，將互聯(lián)網(wǎng)和信息化技術(shù)運用到實踐教學(xué)中具有重要意義[3]。虛擬仿真也逐漸運用到各學(xué)科的教學(xué)中，如食品機(jī)械與設(shè)備[4]。在新冠肺炎疫情防控期間，各大高校均通過線上開展教學(xué)工作，這也推動了食品工程原理實驗線上線下混合教學(xué)模式的改革。

1 食品工程原理實驗教學(xué)的現(xiàn)狀

食品工程原理實驗與生產(chǎn)實際密切相關(guān)。教學(xué)內(nèi)容涉及大量食品工業(yè)常用的機(jī)械設(shè)備、操作方法和工藝優(yōu)化等工程問題。在現(xiàn)實實踐中，存在設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實驗耗時過長、安全隱患大（易燃、易爆化學(xué)品的使用以及不規(guī)范的操作）、實驗室設(shè)備與實際生產(chǎn)有差別等問題，教學(xué)過程難度較大[5]。目前國內(nèi)大部分食品專業(yè)院校在食品工程原理實驗課程的教學(xué)方面主要存在以下問題：①學(xué)生參與度不高，課堂中教師講授的時間較多，教師對實驗內(nèi)容進(jìn)行“填鴨式”講解，學(xué)生被動參照老師的講解或者講義操作；②學(xué)生動手率有限，部分院校儀器設(shè)備有限或損壞率高，不能滿足所有學(xué)生同時實驗，只能以少數(shù)學(xué)生動手操作為主；③操作不規(guī)范的現(xiàn)象普遍，課堂中由于老師精力有限，難以及時糾正每一位學(xué)生實驗中出現(xiàn)的不規(guī)范操作。課后由于實驗具有一定的危險性，學(xué)生沒有機(jī)會再次實際操作來復(fù)習(xí)鞏固，因此，該實驗課的整體教學(xué)效果不盡如人意。近年來，許多新的教學(xué)模式和理念被提出和應(yīng)用在食品工程原理實驗的教學(xué)中，如翻轉(zhuǎn)課堂、SPOC（Small private online course，小規(guī)模限制性在線課程）教學(xué)模式和CDIO教學(xué)模式等[6-8]，均取得較好的效果。

為了更好地推動食品工程原理實驗的教學(xué)改革、提高學(xué)生參與度、增進(jìn)學(xué)生對儀器原理和使用的掌握、減少儀器的誤操作和不必要的人為損壞，基于虛擬仿真平臺，對該課程的線上線下混合教學(xué)模式進(jìn)行了積極探索，并收到了良好教學(xué)效果。

2 基于虛擬仿真的線上線下混合教學(xué)探索

2.1 線上教學(xué)實施

2.1.1 虛擬仿真平臺簡介

虛擬仿真實驗教學(xué)通過運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來模擬真實的環(huán)境和操作過程，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行學(xué)習(xí)和實驗操作[5]，擁有傳統(tǒng)實驗教學(xué)無法比擬的優(yōu)勢。虛擬仿真平臺由北京歐倍爾公司提供。該平臺包括離心泵特性曲線、恒壓過濾、洞道干燥實驗等8個3D虛擬仿真軟件，涵蓋食品工程原理實驗的教學(xué)內(nèi)容。每個仿真軟件包括實驗內(nèi)容及目的、實驗原理、實驗設(shè)計、實驗裝置、實驗步驟、虛擬實驗操作平臺、實驗分析、數(shù)據(jù)處理8個模塊。此外，還可以利用虛擬仿真平臺進(jìn)行仿真考試、生成實驗報告等。虛擬仿真實驗教學(xué)平臺突破傳統(tǒng)教學(xué)手段的限制，學(xué)生可以隨時訪問虛擬仿真實驗平臺，進(jìn)行實時仿真實驗。

2.1.2 課前預(yù)習(xí)

在課前將電子指導(dǎo)書、教學(xué)課件、視頻資源材料上傳至微信群及雨課堂，供學(xué)生預(yù)習(xí)使用。同時，要求學(xué)生提前登陸虛擬仿真平臺，進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，練習(xí)相關(guān)操作。老師可以通過后臺查看所有學(xué)生對規(guī)定任務(wù)的預(yù)習(xí)情況。

2.1.3 實驗教學(xué)

疫情期間，利用“雨課堂”和騰訊會議等軟件進(jìn)行線上實驗教學(xué)。在實驗課開課前，首先針對學(xué)生在實驗中容易忽略和操作易錯的知識點，進(jìn)行隨堂小考，要求學(xué)生在線答題，檢驗學(xué)生預(yù)習(xí)情況和掌握程度。接著集中講解實驗相關(guān)理論知識與方法，這既解決了實驗獨立設(shè)課后，理論課和實驗課內(nèi)容合理銜接問題，又使學(xué)生充分理解相關(guān)原理。隨后進(jìn)行實驗操作的視頻演示，幫助學(xué)生直觀地了解實驗儀器和操作步驟。老師可提前在虛擬仿真平臺進(jìn)行操作，將重要的操作方法及結(jié)果進(jìn)行展示，也可以在線進(jìn)行操作示范。之后，將虛擬仿真實驗得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并與往年的線下實操得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。最后要求學(xué)生利用虛擬仿真平臺進(jìn)行課中及課后實操，并獨立進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及撰寫實驗報告。

2.1.4 課后互動

針對學(xué)生出現(xiàn)的對儀器設(shè)備零部件掌握不熟、對設(shè)備運行原理理解不夠、對實驗結(jié)果的分析討論不深入等問題，實驗教學(xué)增加了專門的課后答疑環(huán)節(jié)。此環(huán)節(jié)為學(xué)生提供課下與老師深入探討實驗結(jié)果和科研想法的機(jī)會，也幫助教師更好地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和困難，取得了良好的效果。學(xué)生還可以在虛擬仿真平臺的仿真考試模塊進(jìn)行測試以及回顧學(xué)習(xí)，進(jìn)一步鞏固所學(xué)知識。學(xué)生對實驗結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)，在規(guī)定時間內(nèi)上傳實驗報告至系統(tǒng)，老師可評選出優(yōu)秀實驗報告并進(jìn)行展示。將實驗中的重點和難點編成課后小測試，要求學(xué)生在“雨課堂”上答題，答題完成后自動給出答案和成績，以供學(xué)生們學(xué)習(xí)改正。教師可以在后臺隨時獲取學(xué)生在虛擬仿真平臺和“雨課堂”的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，包括學(xué)習(xí)時長和答題正確率等，及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。線上教學(xué)的模式如圖1所示。

圖1 線上教學(xué)示意圖

2.2 線上教學(xué)使用反饋和思考

2.2.1 食品工程原理實驗教學(xué)中虛擬仿真軟件使用情況

在一周內(nèi)，虛擬仿真軟件使用率達(dá)到83.2%；其中恒壓過濾實驗3D虛擬仿真軟件使用人數(shù)達(dá)到193人，使用次數(shù)達(dá)到1274次，學(xué)生的平均使用次數(shù)在5次以上。學(xué)生的預(yù)習(xí)效果明顯提高，在課堂上回答問題的學(xué)生多了起來?？梢娞摂M仿真教學(xué)極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效果變得更好，課后練習(xí)題的正確率和實驗報告的完成效果也大大提高。

為了了解學(xué)生在食品工程原理實驗課程學(xué)習(xí)過程中虛擬仿真軟件的使用情況，在學(xué)生層面上開展調(diào)查，對2018屆學(xué)生232人進(jìn)行調(diào)查，收集有效問卷201份，調(diào)查結(jié)果如下：

1) 虛擬仿真軟件對該課程學(xué)習(xí)有較大幫助

在調(diào)查使用虛擬仿真軟件對食品工程原理實驗的幫助時，發(fā)現(xiàn)95.52%的學(xué)生表示虛擬仿真軟件對食品工程實驗的學(xué)習(xí)有較大的幫助，其中76.12%的學(xué)生認(rèn)為使用虛擬仿真軟件可以幫助模擬使用現(xiàn)實中難以接觸到的儀器，72.64%的學(xué)生認(rèn)為使用虛擬仿真軟件可以幫助了解實驗原理和目的，加深對實驗操作的理解（圖2）。

圖2 虛擬仿真軟件對本課程學(xué)習(xí)的幫助

2) 使用虛擬仿真軟件過程的困難

在對虛擬仿真軟件操作難易程度進(jìn)行調(diào)查時，發(fā)現(xiàn)36.32%的學(xué)生認(rèn)為此虛擬仿真軟件操作簡單，59.70%的學(xué)生表示虛擬仿真軟件操作略為復(fù)雜，僅有3.98%的學(xué)生表示操作非常復(fù)雜，增加了學(xué)習(xí)的難度（圖3）。

圖3 虛擬仿真軟件的操作難易程度

3) 學(xué)生對虛擬仿真軟件的使用反饋

基于虛擬仿真軟件在實驗教學(xué)中的使用情況和存在的優(yōu)缺點，對學(xué)生在實驗教學(xué)中是否愿意使用虛擬仿真軟件進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)約94.03%的學(xué)生表示虛擬仿真軟件是一個良好的實驗教學(xué)輔助手段（圖4）。但是在對學(xué)生是否愿意在實際操作外進(jìn)行虛擬仿真實驗的學(xué)習(xí)時，約有29.35%學(xué)生表示很愿意在實際操作外，輔以虛擬仿真實驗的學(xué)習(xí)；約有60.20%的學(xué)生表示在時間充裕的情況下，愿意嘗試虛擬仿真實驗的學(xué)習(xí)；而10.45%的學(xué)生則表示不愿意在實際操作外再進(jìn)行虛擬仿真實驗的學(xué)習(xí)（圖5）。這可能與虛擬仿真軟件的操作略為復(fù)雜有關(guān)?？梢?，提高虛擬仿真平臺的可操作性、開發(fā)更加用戶友好的操作界面，是提升虛擬仿真教學(xué)效果的可嘗試途徑之一。

圖4 虛擬仿真軟件是否是一個良好的實驗教學(xué)輔助手段

圖5 在實際操作外，使用虛擬仿真軟件的意愿

此次調(diào)查的結(jié)果為更好地建設(shè)食品工程原理實驗課程提供了很好的參考，也為教師在教學(xué)過程中如何引入虛擬仿真軟件提供啟示。

2.2.2 線上教學(xué)的優(yōu)缺點

虛擬仿真軟件使得實驗教學(xué)擺脫實驗設(shè)備、場所和時間等的限制，學(xué)生可以隨時隨地反復(fù)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。運用虛擬仿真平臺以及其他線上教學(xué)手段，提高了學(xué)生在課前、課中和課后三個階段的參與度。在食品工程原理實驗的教學(xué)中，使用虛擬仿真軟件有助于學(xué)生更好地理解實驗操作和實驗原理。如在蒸餾（精餾）實驗中，點擊精餾塔的原料輸送泵，系統(tǒng)就會彈出泵的相關(guān)介紹以及主要部件的拆解、剖面示意圖等，加深學(xué)生的印象。實驗教學(xué)中無法實施的高危單元操作可以以動畫的形式展現(xiàn)。還可以通過設(shè)置參數(shù)模擬異常操作，幫助學(xué)生了解異常操作現(xiàn)象、產(chǎn)生原因以及處理方法，增加學(xué)生的實踐經(jīng)驗，提高學(xué)生對緊急突發(fā)情況的處理能力。

但線上教學(xué)也有一定的局限性，如虛擬仿真實驗不能縱觀全部，只能觀察局部，對總體實驗的把握不準(zhǔn)，與實際動手操作存在一定的區(qū)別，以及記憶點不夠深刻等，因此對于在實驗教學(xué)中引入虛擬仿真軟件提出了更高的要求。不管是實驗教學(xué)內(nèi)容上還是虛擬仿真軟件的使用上，都要以學(xué)生學(xué)習(xí)效果為主，在虛擬仿真軟件的展示上，充分引入其他教學(xué)資源，加深對虛擬仿真軟件展示上表現(xiàn)出的知識點的講解，使教學(xué)內(nèi)容在虛擬仿真實驗上更加生動形象，最終可以達(dá)到加深學(xué)生對實驗原理、實驗操作的理解與掌握以及啟發(fā)學(xué)生思考的目的。

2.3 線下教學(xué)的實施

疫情期間，基于虛擬仿真平臺的線上教學(xué)雖然發(fā)揮了重要作用，但傳統(tǒng)的教學(xué)模式仍不可替代。食品工程原理實驗的線下教學(xué)，在使用傳統(tǒng)化學(xué)物料以外，還可使用食品物料，以更加真實地模擬食品加工的過程，讓學(xué)生在實驗中更直觀地體會食品工程原理的各個單元操作在食品加工中的作用，更深入理解原理和計算公式，從而培養(yǎng)學(xué)生的工程研究能力。在不同加工條件（溫度，壓力等）下，不同食品物料的特性參數(shù)（黏度、傳熱系數(shù)等）會發(fā)生變化，導(dǎo)致食品加工過程更具復(fù)雜性，促使學(xué)生開動腦筋，解決實際問題，鍛煉動手能力，培養(yǎng)工程研究能力。

以恒壓過濾實驗為例，采用食品物料和碳酸鈣進(jìn)行對比實驗。將學(xué)生分為兩組，一組學(xué)生的實驗對象是豆?jié){或蘿卜渣、白菜渣等（復(fù)雜的懸濁液），另一組學(xué)生的實驗對象是碳酸鈣的水分散液（單一的分散體系）。碳酸鈣組的實驗進(jìn)展順利；但豆?jié){組的學(xué)生始終得不到濾液，學(xué)生積極思考原因，將實驗理論與實驗操作結(jié)合起來尋找問題，最終發(fā)現(xiàn)助濾劑的缺失是導(dǎo)致實驗失敗的原因。添加助濾劑后，實驗得以順利進(jìn)行（圖6是蘿卜渣濾餅圖）。由于食品物料成分的復(fù)雜性，大大增加了實驗的難度，學(xué)生通過此實驗，不僅掌握了過濾的基本原理和設(shè)備，還加強(qiáng)了學(xué)生對理論知識的理解，提高了其解決問題和工程研究的能力。

圖6 蘿卜渣板框過濾濾餅圖（2019年學(xué)生的實驗結(jié)果）

再以干燥特性曲線測定實驗為例，通過研究不同干燥條件（干燥溫度和時間）下，白蘿卜（或蘋果片等食品物料）干燥特性以及產(chǎn)品品質(zhì)的變化，學(xué)生不僅可以學(xué)會食品干燥的基本原理，繪制干燥特性曲線，還可以學(xué)會如何設(shè)計工程實驗，培養(yǎng)學(xué)生建立品質(zhì)與效率的工程研究能力。不同干燥條件下白蘿卜樣品見圖7，這樣直觀的實驗效果是線上教學(xué)所不能達(dá)到的。因此，線上教學(xué)可以有效地介入學(xué)生的課前預(yù)習(xí)與課后復(fù)習(xí)中，在線下教學(xué)方面，應(yīng)注重盡量采用食品物料進(jìn)行實驗，豐富實驗內(nèi)容，鍛煉學(xué)生的動手能力。

圖7 不同干燥條件下白蘿卜樣品圖（2019年學(xué)生的實驗結(jié)果）

3 結(jié)語

食品工程原理實驗是一門實踐性、工程性極強(qiáng)的課程?；谔摂M仿真平臺，結(jié)合“雨課堂”“歐貝爾的虛擬仿真平臺”等線上教學(xué)手段，可以突破傳統(tǒng)實驗教學(xué)中儀器設(shè)備和安全隱患等條件的限制，努力實現(xiàn)金課“兩性一度”的要求，就是高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度。在線下教學(xué)方面，應(yīng)注重彌補(bǔ)線上教學(xué)的不足，采用食品物料進(jìn)行實驗，豐富實驗內(nèi)容，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的發(fā)散思維、設(shè)備與工藝的結(jié)合能力、食品物料品質(zhì)與效率的綜合工程研究能力。線上線下混合教學(xué)對提高實驗的教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量有著積極的影響，為食品工程原理實驗的教學(xué)改革提供了參考。