劉麗莉，吳 彤，肖 楓，程偉偉，賀家亮，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）

“食品工藝學”是食品類專業(yè)重要的生產(chǎn)實踐應用性課程，教學內(nèi)容和課時中實驗內(nèi)容占據(jù)較大的比例，綜合性和實踐性也比較強。開設該課程主要是為了使學生掌握相應的理論和實驗技能，具備開展科學研究的能力，熟知產(chǎn)品生產(chǎn)工藝和控制過程，成為全面發(fā)展的動手能力強的有用人才。如今社會競爭越來越激烈，擁有豐富專業(yè)知識和實驗動手能力的復合型人才將會更加受到歡迎。在實驗室進行實驗操作是培養(yǎng)學生能力的最直接有效的方法。同時，學生通過在實驗課上的實驗操作能夠?qū)σ褜W的知識進行驗證并熟練掌握，培養(yǎng)探索精神，提高想象力。因此實驗教學是提高學生知識運用能力的重要方法[1]。而食品工藝實驗需要購買大量的食品原輔料、加工生產(chǎn)設備及加工生產(chǎn)線及工藝條件設計等，這些都需要花費大量的經(jīng)費和時間，錯誤的實驗操作可能造成設備的損壞、食品原輔料和時間的浪費。再者由于教學方法的單一和考核方式的不合理，導致學生學習效果不盡理想。

虛擬仿真技術(shù)是利用計算機技術(shù)、網(wǎng)絡通訊技術(shù)、人機交互技術(shù)、人工智能技術(shù)及傳感技術(shù)等交叉綜合集成產(chǎn)生的一種現(xiàn)代技術(shù)，由計算機硬件、軟件及多種傳感器構(gòu)成的三維虛擬環(huán)境。教師利用虛擬仿真技術(shù)將實驗教學中晦澀難懂的知識點直觀形象地傳達出來，使學生學習起來更加容易[2]。虛擬仿真實驗通過標準化的虛擬操作，不僅可以鞏固和加深學生已學過的食品生產(chǎn)設備的加工原理及理論知識，使學生掌握各種加工設備的使用方法，掌握不同食品加工方法，熟悉食品加工工藝操作；而且可以克服加工工藝條件限制；并且可以通過低成本且不枯燥的方式豐富課程內(nèi)容和完善考核制度，使更多的學生能夠更早地熟悉食品加工工藝過程，提高學生對食品工藝實驗的認知，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識、科研思維和動手能力。

1 “食品工藝學”傳統(tǒng)實驗教學中的不足

1.1 實踐教學資源有限

近年來，高校擴招已然成為一種趨勢，再加之部分院校本身經(jīng)費和資源投入不足，實驗的場地和設備不能夠滿足實驗教學的需求。在實驗課程中，學生通常都被分為小組，很難保證每個人都能動手操作。而對于價格昂貴的大型精密儀器，學生只能通過教師的演示操作進行簡單學習，不明白其中復雜的原理。學生到企業(yè)或工廠中實習也往往只能進行生產(chǎn)線中某一環(huán)節(jié)的簡單操作過程，無法單獨完成整個生產(chǎn)線的具體流程及掌握大型檢測設備的操作。此外，由于學校教育經(jīng)費有限，學生對實習企業(yè)的地點進行選擇時受到限制，達不到實踐的目的，學生的動手能力和創(chuàng)新能力也得不到顯著提升。

1.2 教學方法和內(nèi)容單一

傳統(tǒng)的“食品工藝學”實驗教學都是基本加工操作，缺乏創(chuàng)新新穎的內(nèi)容；而且實驗課一般課時有限，只能挑選幾個具有代表性的實驗，由實驗教師準備實驗所需輔料和儀器后進行簡單講解，學生按照實驗步驟機械地完成操作，不會主動思考實驗流程和原理。學生處于被動接受的狀態(tài)進行實驗教學活動，限制了學習的主動性和積極性[3]。甚至有些學生認為完成實驗報告就是實驗的唯一宗旨，利用實驗課時間完成實驗報告。這種教學方法同時也是對實驗資源的浪費。

1.3 考核方式只重結(jié)果

一般來說，“食品工藝學”實驗課程的考核方式是出勤加上實驗報告，忽視實驗過程中的具體實驗操作細節(jié)。學生只要按部就班參加實驗課程，認真書寫實驗報告，往往就能取得很高的分數(shù)。這種考核方式不能客觀全面地評價學生的能力。完整的實驗課程應從實驗預習、實驗原料的準備，到實驗的完整操作、實驗報告的書寫、反思與自我評價。

2 虛擬仿真技術(shù)在“食品工藝學”實驗教學中的優(yōu)勢

2.1 節(jié)省教學資源

“食品工藝學”實驗課上所用的食品加工類大型儀器設備原理和內(nèi)部構(gòu)造十分復雜，如果僅通過教師PPT圖片簡單展示講解，學生不能掌握儀器設備的原理。虛擬仿真系統(tǒng)采用虛擬的動畫和人物操作，形象地講述儀器設備的原理和整個生產(chǎn)工藝流程，使學生在虛擬環(huán)境中進行類似于游戲的操作就能學習整個工藝流程，提高學生的學習主動性，喚起學生的求知欲，使學生在體驗虛擬游戲的同時快樂學習，達到事半功倍的效果[4]。運用虛擬仿真技術(shù)能減少實驗教學花銷，提升學生的實操效果，增強了教學的趣味性。接觸虛擬仿真技術(shù)后，其方便性和趣味性也會驅(qū)使學生在課后繼續(xù)進行實驗的開展，同時也能夠提高學生的創(chuàng)新精神[5]。通常學生只有通過到相關(guān)單位進行參觀來了解工廠實際操作。但是為了確保工序的正常進行和產(chǎn)品的質(zhì)量與安全，學生只能觀看不能動手隨意操作儀器設備[6]，因此沒有辦法實際了解掌握各種大型儀器設備的操作步驟和工藝參數(shù)，無法獲得全面的知識。利用虛擬仿真技術(shù)搭建虛擬工廠場景，再現(xiàn)食品加工整個工藝流程、加工廠設備操作講解和操作提示等內(nèi)容，能夠使學生深入了解食品生產(chǎn)流程及行業(yè)先進技術(shù)，有助于鞏固學生的專業(yè)基礎知識提高實際動手能力，從而使學生適應未來食品加工企業(yè)的要求。

2.2 豐富課程內(nèi)容

由于“食品工藝學”實驗學時有限，不能保證學生在實驗課程中將所有的實驗都操作一遍，再者有些實驗對儀器設備的要求較高，學生只能依靠課下自行了解或課上教師的系統(tǒng)性闡述進行簡單學習。利用虛擬仿真技術(shù)進行實驗模擬操作，學生可以在有限的實驗課時內(nèi)了解更多的食品加工機械和設備，掌握更多的食品加工原理和過程，豐富了課程內(nèi)容，提高了學生的學習效率。同時通過虛擬仿真實驗的進行可以開闊學生眼界，即使沒有親手接觸到實物，學生也能在虛擬實驗操作中了解學習實驗操作的整個流程，提高了學生就業(yè)能力[7]。

2.3 考核評價更客觀

只有通過考核才能檢驗教學質(zhì)量，利用科學、合理和全面的考核方式能夠幫助教師檢查學生的學習效果，從而改進教學方法，提高學生的學習效果[8]。教師事先設定評分細則，虛擬仿真系統(tǒng)依據(jù)評分細則針對學生的實驗操作進行評分，進而了解學生實驗前的預習準備、實驗操作情況及課后的鞏固復習情況，能夠更加全面地了解學生的整個實驗學習掌握情況。利用虛擬仿真技術(shù)改變了原有的簡單考核方式，使學生在實驗學習中化被動為主動，喜歡動手操作并不斷思考，使實驗成績考核評價全面客觀，提高實驗教學的效果[9]。

3 虛擬仿真技術(shù)的局限性與解決措施

3.1 虛擬仿真技術(shù)的局限性

虛擬仿真實驗雖然在實驗教學方面有一定的優(yōu)勢，但是與使用真實儀器設備進行的實驗相比，其實驗條件設定得太過理想，包括所用的器材、操作的實驗流程。設置一定的工藝參數(shù)后，運行仿真軟件就只能準確無誤地得到一種結(jié)果。通過真實的實驗操作，學生在觀察到食品原料的各種變化細節(jié)和儀器設備的運行情況的同時還能得到更多感性認知，如面包的烘烤過程中發(fā)生的美拉德反應[10]。同時，虛擬仿真技術(shù)在代替實物操作的情況下，也會減少學生團隊合作和交流的機會。

3.2 解決措施

由于虛擬實驗還存在局限性，使用時要盡可能有機地把兩者結(jié)合起來。通過結(jié)合虛擬仿真實驗軟件進行實驗教學能夠得到更加多元化的教學模式，促進高新技術(shù)和教學實踐活動的融合，形成“虛實結(jié)合”的教學體系[11]。在進入實驗室進行實際操作之前，學生先通過仿真軟件進行實驗操作的模擬來熟悉實驗步驟。課上，教師講解重難點，答疑解惑，必要時進行演示，介紹相關(guān)工藝過程和設備運行方式。課下學生再次操作，鞏固復習。當學生考核達標后即可在實體設備上進行操作[12]。虛擬實驗是真實實驗的理想化狀態(tài)，能夠克服干擾幫助學生快速掌握實驗原理，拓展學習和探索的空間；真實實驗是虛擬實驗在客觀真實條件下的驗證，在動手操作的過程中有助于學生加深了解實驗過程和現(xiàn)象[13]。先預習、實驗，再進行復習、實踐這樣系統(tǒng)的實驗教學過程能夠提高學生的邏輯思維和實踐能力。

4 虛擬仿真技術(shù)在“食品工藝學”實驗教學中的具體實施

以“新型酸奶加工工藝”的實驗教學為例。在新型酸奶加工工藝中，加工過程涉及許多技術(shù)難題：如菌種活力不足、加工工藝操作過于簡單、產(chǎn)品品質(zhì)差等；同時涉及到無菌操作、殺菌系統(tǒng)、發(fā)酵罐、灌裝設備等自動化設備缺乏，學生只能在實驗室做出家庭式自制酸奶，無法實現(xiàn)理論和實踐相結(jié)合的學習目的，不能實現(xiàn)學生對現(xiàn)代化生產(chǎn)過程的了解和熟悉加工設備的原理及操作能力的培養(yǎng)，同時使學生產(chǎn)生課程實驗過于簡單的概念，調(diào)動不了學生對實驗教學的積極性和主動性。目前學院缺乏完整的酸奶加工的生產(chǎn)線，而且針對乳制品加工企業(yè)，由于廠區(qū)安全生產(chǎn)管理嚴格，生產(chǎn)規(guī)模大，生產(chǎn)過程集成化、自動化、連續(xù)化；同時廠區(qū)分塊，相對封閉，許多區(qū)域非生產(chǎn)人員一般不允許進入，學生也只能在指定參觀區(qū)域?qū)W習，無法接觸到實際的工藝操作和生產(chǎn)設備，生產(chǎn)線只能在參觀通道參觀，對于一些加工設備內(nèi)部原理和操作無法近距離接觸和觀看。這些因素對“食品工藝學”課程中實驗教學的開展產(chǎn)生了極大的影響，不利于創(chuàng)新人才培養(yǎng)。因此，圍繞新型酸奶加工工藝開展虛擬仿真實驗教學具有重要的現(xiàn)實意義。

學生通過虛擬仿真軟件，能夠熟悉進入酸奶生產(chǎn)車間前的更衣消毒全過程，按照原輔料的不同，掌握新型酸奶的加工工藝流程。而酸奶加工的工藝流程中最重要的是反應條件的控制，如原料配比、接種量、發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間、殺菌溫度和時間、均質(zhì)溫度和壓力等。借助虛擬仿真軟件進行實驗教學，能夠幫助學生熟悉主要的加工生產(chǎn)設備、了解實際生產(chǎn)操作數(shù)據(jù)，設計工藝參數(shù)標準及相應的判斷方法。由于不同的操作條件將改變不同參數(shù)，從而生產(chǎn)的產(chǎn)品量和產(chǎn)品也不相同，真正做到一人一個實驗結(jié)果。在不斷的實踐中，學生可以探索最優(yōu)條件，最大化地對新型酸奶加工工藝流程過程有深入的認識。

凝固型酸奶生產(chǎn)工藝流程：

攪拌型酸奶生產(chǎn)工藝流程：

4.1 實驗教學流程

實驗教學流程圖見圖1。

圖1 實驗教學流程圖

（1）實驗預習。課前學生進入河南科技大學食品加工與安全國家級實驗教學示范中心——虛擬仿真實驗中心平臺，點擊實驗教學資源模塊，輸入學號和密碼，在虛擬實驗管理信息系統(tǒng)中選擇“新型酸奶工藝虛擬仿真實驗教學軟件”，通過觀看平臺提供的工藝講解視頻，了解主要加工工藝，熟悉整個實驗操作流程。同時，完成實驗報告的預習部分。

再通過對加工過程的在線觀看和操作，進一步鞏固主要實驗內(nèi)容，學習人物操作后進入仿真工廠進行相應操作，并就視頻網(wǎng)課和初次仿真模擬學習中所遇到的問題，學生之間進行討論并反饋給教師。

（2）課堂講解及實驗操作。教師發(fā)布問題檢測試題，學生在教學平臺答測試題、反饋問題，教師根據(jù)測試反饋信息檢查學生預習情況。之后教師進行實驗講解，通過圖文并茂的課件形式將重點知識和操作呈現(xiàn)給學生，必要時可進行重點操作演示。課后學生再次操作軟件并根據(jù)教師布置任務進行復習鞏固，分數(shù)達標后才能進入實驗室操作儀器設備。

（3）報告及評價。課堂教學完成后，學生將基于實驗內(nèi)容完成實驗報告和軟件上的測試題。學生的成績包括虛擬軟件操作評分、測試題得分和實驗報告得分。前兩者評分由虛擬軟件的系統(tǒng)自動評分，實驗報告則由教師進行批改評分。

4.2 虛擬仿真軟件的具體操作

在虛擬仿真界面，通過回車鍵控制虛擬人物做酸奶加工廠介紹。認識原料車間、預處理車間、發(fā)酵車間、灌裝車間、包裝車間等區(qū)域，了解各車間的廠區(qū)布置。

車間參觀見圖2。

圖2 車間參觀

進入原料間和鮮奶貯存間，了解儲奶罐、流量泵等設備內(nèi)部構(gòu)造。切換到水果預處理車間，鼠標滑在水果粉碎機、打漿機等控制箱等設備，將有相應的名稱、功能及規(guī)格信息提示。

原料間見圖3。

圖3 原料間

進入原料乳預處理間及控制系統(tǒng)，了解相關(guān)設備的原理等。進入原料混合、預熱、均質(zhì)、殺菌和冷卻、灌裝工藝、酸奶接種、發(fā)酵。查看發(fā)酵罐清潔過程控制，乳酸菌活化、擴培控制，將發(fā)酵劑接種到發(fā)酵罐中，注意接種量、溫度和時間等因素的選擇，發(fā)酵罐開始發(fā)酵。點擊發(fā)酵罐溫控選項卡，查看發(fā)酵情況，直至發(fā)酵結(jié)束。

進入包裝車間學習典型的包裝工藝流程，熟悉各種設備加工原理等。切換到中控室，對不同的生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)控。

酸奶加工過程的實時監(jiān)控見圖4。

圖4 酸奶加工過程的實時監(jiān)控

5 結(jié)語

“食品工藝學”的實驗具有很強的綜合性，掌握理論知識和了解加工工藝和操作流程二者相輔相成。新型酸奶加工工藝的虛擬仿真軟件，通過三維模擬方式，以現(xiàn)實的酸奶生產(chǎn)工廠為藍本，營造出一個現(xiàn)代化的新型酸奶虛擬生產(chǎn)工廠，在計算機屏幕將真實的酸奶廠生產(chǎn)場景生動再現(xiàn)，虛擬剖析部分重點設備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，幫助學生理解、掌握設備的工作原理和操作規(guī)范，允許改變原料配比和工藝條件，模擬生產(chǎn)不同風味的產(chǎn)品。用網(wǎng)絡化的人機互動方式，讓更多的未接觸過實際工廠新型酸奶加工生產(chǎn)的學生在虛擬的環(huán)境中獲得真實的體會，達到理論與實踐的完美結(jié)合。虛擬仿真實驗和真實實驗二者結(jié)合，相輔相成，培養(yǎng)學生對于設備的操作能力和創(chuàng)新能力，有效提高“食品工藝學”實驗課程的學習效果。