張 燕，奚春宇，郭 娜，張鐵華

（吉林大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春 130062）

0 引言

隨著手機移動端和互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷普及與蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)教育教學(xué)方式不利于學(xué)生個性化發(fā)展方面的劣勢日益凸顯，而MOOC 平臺及虛擬仿真等相關(guān)實驗技術(shù)對高等教育教學(xué)改革產(chǎn)生了重大影響。虛擬仿真實驗教學(xué)模式是以計算機虛擬現(xiàn)實與數(shù)字仿真等技術(shù)相結(jié)合而形成的高度仿真虛擬實驗環(huán)境與實驗物體為基礎(chǔ)而設(shè)計的一種全新教學(xué)模式[1]。虛擬仿真實驗室的概念，最早由美國弗吉尼亞大學(xué)教授戴維斯提出，最開始應(yīng)用于軍事作戰(zhàn)系統(tǒng)。目前，該技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于各個行業(yè)，如生物科學(xué)、土木工程、電子信息、道路橋梁、室內(nèi)裝修[2-6]，但是將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于食品工程實訓(xùn)環(huán)節(jié)的研究應(yīng)用仍處于探索階段。

目前，實踐型創(chuàng)新人才受到各個領(lǐng)域重視，將虛擬仿真技術(shù)與各個專業(yè)課程實踐教學(xué)相結(jié)合受到教育部的高度重視，2017 年4 月，教育部高教司發(fā)布的《“新工科”建設(shè)行動路線（“天大行動”）》中明確指出：“充分利用虛擬仿真等技術(shù)創(chuàng)新工程實踐教學(xué)方式”。2018 年教育部提出《關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作的通知》及2019 年5 月教育部科技發(fā)展中心成立虛擬現(xiàn)實研究中心均提出“以全面提高高校學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力為宗旨”“推動虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的深度應(yīng)用”[7-8]。由此可見，把虛擬仿真技術(shù)帶進大學(xué)課堂教育勢在必行。

將虛擬仿真技術(shù)與食品工程科學(xué)專業(yè)課程的實踐教學(xué)相有機地融入，借鑒國內(nèi)外高等院校虛擬仿真實驗教學(xué)的成功經(jīng)驗，制定一套科學(xué)的實踐教學(xué)方法和體系，開展了基于實踐型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)虛實相結(jié)合的實踐教學(xué)方法與模式研究探索。

1 食品科學(xué)虛擬仿真實驗平臺建立的背景

2017 年2 月，教育部提出新工科建設(shè)，強調(diào)了高等教育對于培養(yǎng)大學(xué)生分析和解決實踐性問題的意義和能力的重要性，實踐教學(xué)是工科專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要手段，食品科學(xué)與工程專業(yè)是擁有近30 年辦學(xué)歷史典型的工科專業(yè)，其與人們生活密切相關(guān)。食品科學(xué)與工程專業(yè)的教育不僅要向?qū)W生傳授專業(yè)化的理論知識，同時還要注重食品工程理論聯(lián)系現(xiàn)場實際、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識、提高學(xué)生動手操作及解決實際技術(shù)問題的能力，直接決定了學(xué)校食品工程理論與實踐課程的教學(xué)在專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)中所占有的特殊地位與重要性[9]。但是，目前食品專業(yè)實驗教學(xué)存在如下幾個方面的問題：

（1） 實驗室硬件的配置及開放力度不足，實驗、實訓(xùn)設(shè)備有時不能滿足教學(xué)的需要。對于一些高端精細操作設(shè)備，如液相、質(zhì)譜儀等，即使實驗教師在實驗室反復(fù)講解，也不能保證每個學(xué)生都能理解到位，如果學(xué)生都動手操作會出現(xiàn)人多擁擠以及安全隱患等。

（2） 課程中的實驗一般都是固定時間、固定地點、學(xué)生在上課前少有時間和機會直接進入實驗室進行預(yù)實驗，并且如果一個學(xué)生沒有掌握實驗原理及步驟，直接做實驗可能會因為錯誤操作不斷地重復(fù)使用，實訓(xùn)器材的損耗增多，致使一些研究型、創(chuàng)新型、綜合型實驗開展受限。

（3） 傳統(tǒng)實驗教學(xué)中以驗證型實驗居多，就是固定一些實驗項目、實驗設(shè)備、實驗操作步驟、實驗學(xué)時數(shù)等，學(xué)生按部就班記錄自己的數(shù)據(jù)，完成一份實驗報告，整個課堂的實驗教學(xué)過程模式固定，學(xué)生實驗興趣不足，表現(xiàn)出來就是課堂沉靜枯燥，缺少靈活性、趣味性。

（4） 傳統(tǒng)教學(xué)忽略了結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，無法直觀展現(xiàn)儀器內(nèi)部構(gòu)造，如教師上課展示實訓(xùn)儀器小部件（如食工原理板框過濾孔板） 時，因?qū)嵨锾?，學(xué)生不易看清，距離較遠的學(xué)生根本看不到。對于一些較大型的工藝生產(chǎn)線（如焙烤、啤酒、酸奶等生產(chǎn)線），教師不能拿到教室。課后，學(xué)生復(fù)習(xí)中幾乎沒有任何實物或者圖形，只能靠回憶課上內(nèi)容，既不利于學(xué)生課后復(fù)習(xí)，也不利于學(xué)生各個知識點的掌握。

虛擬現(xiàn)實等信息技術(shù)不僅具有高度仿真、沉浸式體驗、高交互等特點，并且能夠?qū)崿F(xiàn)時間、空間、儀器設(shè)備及指導(dǎo)模式的開放，為理論課程與實踐教學(xué)相結(jié)合創(chuàng)造了新的機遇，已經(jīng)或?qū)⒁獙Ω叩冉逃虒W(xué)帶來顛覆性的沖擊和影響[10]。

2 食品科學(xué)虛擬仿真建設(shè)理念

“虛擬仿真實驗”是基于計算機網(wǎng)路技術(shù)可以實現(xiàn)資源共享的新型教學(xué)模式，食品工程（實訓(xùn)） 課程中內(nèi)容多、操作性強，采取“虛+實+虛”的實驗教學(xué)模式，強調(diào)學(xué)生的主體地位，堅持“虛實結(jié)合”“以虛補實”的理念，通過VR 技術(shù)形象直觀地展現(xiàn)整個食品加工過程中各單元操作的原理及聯(lián)系[11]。學(xué)生在校園內(nèi)就能體驗到食品生產(chǎn)實習(xí)企業(yè)的工作流程和標準，以及最新現(xiàn)代營養(yǎng)理念及技術(shù)，有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善目前高校食品工程實踐環(huán)節(jié)存在的設(shè)備短缺、更新緩慢、教學(xué)模式單一、教學(xué)內(nèi)容枯燥等問題，突破時間、空間、實驗設(shè)備以及指導(dǎo)模式的限制，保障實驗安全性，加強學(xué)生的實踐鍛煉。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用，學(xué)生可以隨時隨地進行預(yù)習(xí)，有助于學(xué)生課下實踐，提前把握實驗的操作流程、整體框架，有效縮短了學(xué)生熟悉基礎(chǔ)操作、工藝流程的時間，在很大程度上提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，可以服務(wù)于工程類學(xué)生實驗、實習(xí)、實訓(xùn)教學(xué)和科研訓(xùn)練[12]。

3 食品科學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)實施過程

堅持“能實不虛”的原則，從食品工業(yè)生產(chǎn)實踐中引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，采用線上虛擬實驗線下實驗室設(shè)備操作相結(jié)合的實驗方式，提前分析和統(tǒng)計每位學(xué)生在線上虛擬仿真實驗中出現(xiàn)的疑難問題，在課堂或?qū)嶒灛F(xiàn)場對其進行深入講解，層層遞進，逐個擊破，實現(xiàn)虛擬實驗與線下的實體實驗教學(xué)之間的互動和促進。

3.1 實訓(xùn)前——實踐教學(xué)準備環(huán)節(jié)（虛）

使用食品工程（實訓(xùn)） 虛擬仿真教學(xué)單元操作系統(tǒng)進行演示教學(xué)，在開始進行食品工程虛擬仿真實驗操作之前，向全體學(xué)生介紹食品企業(yè)生產(chǎn)者與實驗密切相關(guān)的問題，學(xué)生通過查找實驗相關(guān)資料確定操作方法，自主選擇相關(guān)的食品工程虛擬仿真單元操作，結(jié)合數(shù)據(jù)資料了解實驗原理、所需實驗設(shè)備及實驗操作方法，3D 直觀的感受，對于食品工程虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)表現(xiàn)出了較高的求知欲。

3.2 實訓(xùn)中——實踐教學(xué)操作環(huán)節(jié)（實）

從電腦室虛擬操作后，教師安排學(xué)生前往實體設(shè)備實驗室。通過虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)對單元操作中實驗步驟的反復(fù)練習(xí)，不同的參數(shù)設(shè)置，預(yù)估實驗結(jié)果，提高學(xué)生的操作體驗，加深理解實驗方法及應(yīng)用。然后教師實際操作演示，學(xué)生動手操作實體設(shè)備。學(xué)生從虛擬操作到實踐操作實物，更有體會，更能快速完成。

3.3 實訓(xùn)后——實踐教學(xué)評價環(huán)節(jié)（虛）

實操教學(xué)結(jié)束后，再次進入虛擬仿真實訓(xùn)操作環(huán)節(jié)，進行實踐教學(xué)學(xué)習(xí)總結(jié)與應(yīng)用評價?？己嗽u估的內(nèi)容包含了所有的理論知識測驗試題、實操（占50%分值）、自評、互評。虛擬仿真系統(tǒng)可以提供多項分析指標、導(dǎo)入試卷，以及評價參數(shù)。學(xué)生總結(jié)自己，不僅在學(xué)習(xí)知識上的收獲，而且在能力應(yīng)用方面的收獲。

4 食品科學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺

食品工程（實訓(xùn)） 虛擬仿真學(xué)習(xí)平臺主要包括3D 圖形、聲音視頻、2D 動畫、文本信息及互動測驗等單元，在課堂上拓展了知識面，并更容易理解，也方便個人在家進行學(xué)習(xí)，使學(xué)習(xí)者能根據(jù)自身的節(jié)奏和時間靈活進行學(xué)習(xí)。該系統(tǒng)內(nèi)容主要包括如下幾個部分：

（1） 食品工程實驗室安全虛擬仿真體系。

（2） 食品工程三傳理論（實驗） 虛擬仿真體系（食工流動過程綜合3D 仿真實驗、液液萃取塔實驗3D 虛擬仿真實驗、離心泵特性曲線測定3D 實驗、傳熱綜合3D 仿真實驗、恒壓過濾常數(shù)3D 仿真實驗、萃取塔3D 仿真實驗）。

（3） 食品工程工藝生產(chǎn)線虛擬仿真體系（啤酒發(fā)酵生產(chǎn)線、面包加工生產(chǎn)線、乳粉加工）。

食品工程（實訓(xùn)） 環(huán)節(jié)虛擬仿真教學(xué)軟件操作界面見圖1。

圖1 食品工程（實訓(xùn)） 環(huán)節(jié)虛擬仿真教學(xué)軟件操作界面

5 結(jié)語

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，國家對具有工程實踐能力的應(yīng)用型人才提出了更高的要求[13]。吉林大學(xué)食品科學(xué)與工程專業(yè)正在積極嘗試構(gòu)建和發(fā)展能夠符合學(xué)校學(xué)院特色的虛擬仿真實驗教學(xué)模式和課程體系。通過虛擬仿真實驗學(xué)習(xí)平臺的搭建，使學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)更加快捷、方便、高效，該實驗平臺對有效培養(yǎng)在校大學(xué)生自主創(chuàng)新意識，提高實踐動手和解決問題的能力具有重要的意義。