陳秀梅，車金鑫，陳東方，黃師榮，陶能國

（湘潭大學(xué) 化工學(xué)院生物與食品工程系，湖南湘潭 411105）

0 引言

工程能力的培養(yǎng)貫穿食品科學(xué)與工程專業(yè)培養(yǎng)過程。我國加入華盛頓協(xié)議后，工程教育認(rèn)證成為工科專業(yè)培養(yǎng)模式的一種檢驗(yàn)手段，也是與國際接軌的重要途徑[1]。湘潭大學(xué)食品科學(xué)與工程專業(yè)于2019 年正式通過教育部工程教育專業(yè)認(rèn)證，成為全國第30 個(gè)、湖南省第2 個(gè)通過工程教育專業(yè)認(rèn)證的食品類專業(yè)。國內(nèi)高校食品類專業(yè)工程能力培養(yǎng)體系大體分為基礎(chǔ)類課程、專業(yè)課程、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等模塊，這些模塊之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)非常密切。從目前文獻(xiàn)和各高校食品類專業(yè)人才培養(yǎng)方案來看，由于受實(shí)驗(yàn)條件和場地的影響，這些環(huán)節(jié)很難在學(xué)校教學(xué)過程中得以完全展示?！靶鹿た啤北尘跋?，虛擬仿真平臺(tái)是復(fù)合型卓越工程技術(shù)人才培養(yǎng)的必要手段，在本科教學(xué)攻堅(jiān)戰(zhàn)中具有重要的戰(zhàn)略地位[2]，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合、虛實(shí)互補(bǔ)的教學(xué)體系也是當(dāng)前教學(xué)改革的方向之一[3]。因此，將虛擬仿真平臺(tái)和現(xiàn)有教學(xué)資源相結(jié)合，構(gòu)建綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，對(duì)于充分發(fā)揮信息化教學(xué)的優(yōu)勢(shì)、解決傳統(tǒng)教學(xué)中面臨的諸多現(xiàn)實(shí)問題、促進(jìn)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)、工程能力的提高等方面具有重要意義[4-9]。湘潭大學(xué)食品科學(xué)與工程專業(yè)根據(jù)認(rèn)證實(shí)踐，通過優(yōu)化人才培養(yǎng)方案，單獨(dú)設(shè)置了“食品工程虛擬仿真”課程，開創(chuàng)性將“虛實(shí)結(jié)合”深入融合虛擬仿真課程教學(xué)模式中，在全國范圍內(nèi)的食品類專業(yè)中并不多見。對(duì)“食品工程虛擬仿真”的課程實(shí)踐進(jìn)行了總結(jié)與分析，通過該課程的實(shí)踐與探討以期為國內(nèi)其他院校食品類專業(yè)的學(xué)生工程能力培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型人才知識(shí)、能力和素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考。

1 課程基本情況

課程面向?qū)W生工程知識(shí)和工程能力培養(yǎng)，基于啤酒生產(chǎn)2D/3D 虛擬仿真軟件，初步掌握運(yùn)用模擬軟件，學(xué)習(xí)啤酒釀造的原理、單元操作，掌握相關(guān)儀器設(shè)備等，培養(yǎng)全面發(fā)展并靈活運(yùn)用食品專業(yè)基礎(chǔ)理論解決復(fù)雜工程問題的綜合能力。

1.1 課程支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)

湘潭大學(xué)“食品工程虛擬仿真”課程于2019 年首次作為一門獨(dú)立的食品專業(yè)課程被寫入教學(xué)大綱，有利于其教學(xué)一體化模式的形成與發(fā)展。根據(jù)食品專業(yè)本科生的12 個(gè)畢業(yè)要求，“食品工程虛擬仿真”課程支撐了其中2 個(gè)要求，分別是：①工程知識(shí)：必須具有從事食品工程所需的數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)，并用于解決復(fù)雜食品工程問題；②使用現(xiàn)代工具：開發(fā)、選擇和使用合適的現(xiàn)代儀器設(shè)備、資源、信息技術(shù)和專業(yè)軟件，獲取相關(guān)信息，對(duì)關(guān)鍵過程和參數(shù)進(jìn)行預(yù)測、模擬和優(yōu)化，并能理解其局限性。這2 個(gè)畢業(yè)要求所對(duì)應(yīng)支撐指標(biāo)點(diǎn)是能夠?qū)⑾嚓P(guān)食品專業(yè)知識(shí)和數(shù)學(xué)模型方法用于推演、分析食品工程問題并進(jìn)行模擬仿真和能夠針對(duì)復(fù)雜食品工程中的具體對(duì)象，開發(fā)或選用滿足特定需求的現(xiàn)代儀器設(shè)備、資源、信息技術(shù)和專業(yè)軟件，并對(duì)專業(yè)問題進(jìn)行模擬和預(yù)測，分析其適用性。

1.2 課程目標(biāo)

根據(jù)課程對(duì)畢業(yè)要求支撐的指標(biāo)點(diǎn)，確定與其相對(duì)應(yīng)的2 個(gè)課程目標(biāo)。

（1）掌握啤酒發(fā)酵及生產(chǎn)工藝的基本過程；了解典型設(shè)備的構(gòu)造、性能和操作原理，并具有設(shè)備選型及校核的基本知識(shí)；培養(yǎng)綜合運(yùn)用化學(xué)、食品工藝學(xué)、食品機(jī)械與設(shè)備等專業(yè)基礎(chǔ)理論分析和解決食品工程問題的能力。

（2）能夠針對(duì)復(fù)雜食品工程中的對(duì)關(guān)鍵過程和參數(shù)進(jìn)行預(yù)測、模擬和優(yōu)化，提出多種可能的解決方案，識(shí)別和判斷食品工程實(shí)驗(yàn)、研究、設(shè)計(jì)和開發(fā)等問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和參數(shù)，具有分析和解決單元操作中一般工程問題的初步能力。

2 課程實(shí)施

“食品工程虛擬仿真”的課程性質(zhì)與屬性按照學(xué)科需求歸為食品科學(xué)與工程專業(yè)的專業(yè)選修課，設(shè)置32 學(xué)時(shí)與2 學(xué)分，其中理論課時(shí)為8 課時(shí)，主要講解啤酒發(fā)酵生產(chǎn)工藝、啤酒發(fā)酵設(shè)備介紹、啤酒發(fā)酵流程介紹等教材的理論知識(shí)；另外，24 課時(shí)為實(shí)踐課時(shí)，基于2D/3D 啤酒發(fā)酵工藝虛擬仿真軟件實(shí)踐為主，其中8 課時(shí)安排學(xué)生進(jìn)行專題訓(xùn)練，包括對(duì)啤酒生產(chǎn)廠3D 虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件的認(rèn)識(shí)及啤酒生產(chǎn)工藝仿真的學(xué)習(xí)，通過啤酒發(fā)酵工藝流程介紹、單元操作知識(shí)的講解與討論，相關(guān)檢測基本原理和相應(yīng)的思考題，幫助學(xué)生深入了解啤酒發(fā)酵工藝知識(shí)等，為后續(xù)上機(jī)操作打好理論基礎(chǔ)。其余16 課時(shí)讓學(xué)生分組進(jìn)行上機(jī)操作，通過3D 啤酒虛擬仿真軟件的操作學(xué)習(xí)掌握真實(shí)啤酒生產(chǎn)車間相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備的操作，如相關(guān)儀器設(shè)備的布局，發(fā)酵工藝參數(shù)分析包括壓力、CO2濃度、流量、溫度及時(shí)間的監(jiān)控等，同時(shí)在軟件操作過程中讓學(xué)生通過與相關(guān)操作相互交會(huì)的動(dòng)畫了解罐內(nèi)的物料動(dòng)態(tài)情況、直觀地觀察到溶氧曲線及糖度曲線的變化，還能根據(jù)質(zhì)量評(píng)分對(duì)自己的操作進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，此外還可以針對(duì)啤酒釀造過程中相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)時(shí)考核，使學(xué)生充分掌握啤酒發(fā)酵生產(chǎn)工藝的操作，能夠?qū)︶勗爝^程中的常見問題進(jìn)行分析和控制。

課程考核方式基于虛擬仿真軟件操作質(zhì)量評(píng)分、相應(yīng)的理論考試和平時(shí)成績3 個(gè)部分組成。成績的評(píng)定中期末成績和平時(shí)成績占總成績的比例為7∶3，平時(shí)成績根據(jù)學(xué)生的出勤情況、上機(jī)實(shí)操紀(jì)律、課堂討論、課后作業(yè)等計(jì)算，其中理論考核主要是考查啤酒原輔料、麥芽制備、酒花種類、過濾方法、穩(wěn)定技術(shù)，以及各個(gè)工藝流程的副產(chǎn)物利用方面的理論基礎(chǔ)知識(shí)的掌握情況。

3 教學(xué)效果分析

通過“食品工程虛擬仿課程調(diào)查問卷”，對(duì)2017 和2018 級(jí)食品科學(xué)與工程專業(yè)的本科生93 人借助于“問卷星”進(jìn)行無記名問卷調(diào)查，內(nèi)容涵蓋課程的設(shè)置、教學(xué)方法、考核方法，教學(xué)效果和建議5 個(gè)部分，對(duì)調(diào)查問卷結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。設(shè)置課程（理論課時(shí)8 +實(shí)踐課時(shí)24）的滿意度調(diào)查結(jié)果，學(xué)生對(duì)該課程設(shè)置的完全滿意達(dá)到59.21%，基本滿意是39.47%，不滿意僅占1.32%，學(xué)生對(duì)該課程的整體設(shè)置滿意度較高。

課程設(shè)置的滿意情況調(diào)查見圖1。

圖1 課程設(shè)置的滿意情況調(diào)查

對(duì)課堂教學(xué)方式調(diào)查結(jié)果顯示，40.79%的學(xué)生贊成課堂講授+虛擬仿真實(shí)訓(xùn)，22.37%的學(xué)生贊成虛擬仿真實(shí)訓(xùn)過程邊做邊講這種方式，而35.53%學(xué)生贊成課堂講授+虛擬仿真實(shí)訓(xùn)+課堂討論的授課方式，僅有1.32%的學(xué)生贊成單純的課堂講授，同時(shí)52.63%的學(xué)生認(rèn)為教師在課堂上播放知識(shí)點(diǎn)相關(guān)視頻，對(duì)課程學(xué)習(xí)幫助大，易于理解，44.74%的學(xué)生認(rèn)為有一定幫助，可以活躍課堂氣氛，2.63%的學(xué)生認(rèn)為幫助不大，相比較教師的講課，以上結(jié)果表明學(xué)生更歡迎教師多元化教學(xué)方式?！笆称饭こ烫摂M仿真”課程旨在提高學(xué)生的工程能力，通過學(xué)生對(duì)教師教學(xué)側(cè)重的培養(yǎng)能力的期待調(diào)查結(jié)果顯示注重學(xué)生工程能力培養(yǎng)要求的期待達(dá)到63.16%，而知識(shí)的傳授占25%，素質(zhì)教育占9.21%，其他能力培養(yǎng)占2.63%，同時(shí)61.84%學(xué)生更注重工程知識(shí)傳遞的方式，18.42%注重知識(shí)廣度，19.74%的學(xué)生關(guān)注課堂氣氛，調(diào)查結(jié)果表明學(xué)生更注重工程能力方面的提高與課程的宗旨一致。考核方式的滿意度結(jié)果顯示，98.68%的學(xué)生認(rèn)為考核方式合理，表明學(xué)生對(duì)考核方式非常滿意。

學(xué)生通過理論與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的學(xué)習(xí)模式，能舉一反三地利用所學(xué)到的知識(shí)，強(qiáng)化學(xué)生的工程實(shí)踐和實(shí)際動(dòng)手操作能力，是開設(shè)“食品工程虛擬仿真”課程初衷所在。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)習(xí)的影響見圖2。

圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)習(xí)的影響

所有學(xué)生都認(rèn)為這種學(xué)習(xí)模式相較于傳統(tǒng)的課堂授課模式是有提升影響的，其中有40.79%的學(xué)生認(rèn)為通過虛擬仿真的學(xué)習(xí)使書本上的知識(shí)原理更直觀和條理化，1.05%的學(xué)生認(rèn)為可以彌補(bǔ)課堂上的不足，19.74%的學(xué)生認(rèn)為增強(qiáng)了實(shí)際操作和相關(guān)食品工程技能。所以，相較于傳統(tǒng)的書本理論知識(shí)的講解，增加虛擬仿真實(shí)操，98.68%的學(xué)生認(rèn)為更有助于原理等知識(shí)點(diǎn)的理解與學(xué)習(xí)。

學(xué)生對(duì)3D 啤酒工藝虛擬仿真教學(xué)工程知識(shí)關(guān)注程度調(diào)查見圖3。

圖3 學(xué)生對(duì)3D 啤酒工藝虛擬仿真教學(xué)工程知識(shí)關(guān)注程度調(diào)查

由圖3 可知，89.47%的學(xué)生認(rèn)為通過該課程學(xué)習(xí)可以更加直觀掌握廠區(qū)布局及車間布置，包括粉碎車間、糖化車間、發(fā)酵車間、中控室、包裝車間等區(qū)域的工作原理。89.47%的學(xué)生認(rèn)為可以直觀認(rèn)識(shí)書本中提到的生產(chǎn)設(shè)備：包括麥芽粉碎機(jī)、發(fā)酵罐、糖化鍋、糊化鍋、煮沸鍋、過濾機(jī)、原位清洗系統(tǒng)（CIP）、灌裝機(jī)等。63.16%的學(xué)生認(rèn)為可以熟悉和了解一些重點(diǎn)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。59.21%的學(xué)生認(rèn)為可以熟悉主要生產(chǎn)工段的工藝操作，包括工藝條件控制、分散控制系統(tǒng)監(jiān)控（DCS）、安全生產(chǎn)操作規(guī)范等。44.74%的學(xué)生認(rèn)為可以達(dá)到掌握和自行設(shè)計(jì)不同啤酒生產(chǎn)的工藝流程。因此，結(jié)合虛擬仿真軟件的應(yīng)用，有助于學(xué)生對(duì)啤酒工藝的理解，能夠培養(yǎng)學(xué)生綜合發(fā)揮食品專業(yè)相關(guān)的理論知識(shí)和掌握的技能，縮短學(xué)生所學(xué)知識(shí)與職業(yè)崗位所需求的專業(yè)知識(shí)和職業(yè)技能之間的差距。根據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，通過特定模擬啤酒釀造生產(chǎn)工藝環(huán)境里進(jìn)行綜合性和系統(tǒng)化的鍛煉，75%的學(xué)生對(duì)該課程設(shè)置的實(shí)用性、先進(jìn)性總體評(píng)價(jià)是滿意，22.37%的學(xué)生較滿意。對(duì)教學(xué)效果滿意度的調(diào)查結(jié)果表明，學(xué)生對(duì)該課程的整體教學(xué)效果滿意度較高，其中完全滿意占44.2%，比較滿意占52.6%，但還是存在一些不足。

4 課程教學(xué)啟示

4.1 顯著提升了學(xué)生工程知識(shí)和工程能力

“新工科”建設(shè)背景下，食品相關(guān)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)以有機(jī)融合并加強(qiáng)實(shí)踐創(chuàng)新能力，通過虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合、虛實(shí)互補(bǔ)的教學(xué)模式，取得了一定的效果，但是“虛實(shí)結(jié)合”和“虛實(shí)互補(bǔ)”的教學(xué)思想尚未真正融入整個(gè)食品專業(yè)教學(xué)體系中，也沒有形成融合教學(xué)改革和人才工程能力培養(yǎng)于一體的教學(xué)教育模式，更沒有深入融合虛擬仿真教學(xué)實(shí)習(xí)、專業(yè)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等多個(gè)環(huán)節(jié)。通過食品工程虛擬仿真教學(xué)實(shí)踐表明，將食品工程虛擬仿真課程與其他專業(yè)課程有機(jī)融合，多措并舉的教學(xué)模式能激發(fā)學(xué)生在教學(xué)中的主動(dòng)參與意識(shí)與學(xué)習(xí)興趣，能有效提升課程教學(xué)效果，提升學(xué)生工程知識(shí)和工程能力。同時(shí)，通過調(diào)查問卷分析，60.53%的學(xué)生認(rèn)為啤酒工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)食品工廠設(shè)計(jì)的能力有提升作用，36.84%的學(xué)生認(rèn)為一般，僅有2.63%的學(xué)生認(rèn)為對(duì)食品工廠設(shè)計(jì)的能力沒有提升作用。

4.2 可持續(xù)改進(jìn)之處

學(xué)生根據(jù)自己學(xué)習(xí)時(shí)的切身體會(huì)，對(duì)“食品工程虛擬仿真”課程提出了很多建設(shè)性的意見，有利于今后課程的優(yōu)化改進(jìn)。通過對(duì)調(diào)查問卷的開放題統(tǒng)計(jì)分析，部分學(xué)生建議可以適當(dāng)增加內(nèi)容和課時(shí)，多安排一些食品工程相關(guān)虛擬仿真軟件。同時(shí)，關(guān)于食品工程虛擬仿真課程中除了啤酒生產(chǎn)工藝虛擬仿真軟件是否還需要增加其他食品相關(guān)的虛擬仿真軟件的問卷調(diào)查結(jié)果表明，84.21%的學(xué)生認(rèn)為有必要增加其他食品工程相關(guān)的虛擬仿真軟件，僅有15.79%的學(xué)生認(rèn)為不需要，學(xué)生訴求與開放題基本一致，表明大家對(duì)虛擬仿真技術(shù)融入其他相關(guān)食品工程課程的期待。例如，將“食品機(jī)械與設(shè)備”課程中引入虛擬仿真技術(shù)教學(xué)，包括機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)認(rèn)知仿真和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作，既解決了大型機(jī)械設(shè)備短缺、場地限制等問題，又充分發(fā)揮了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)生動(dòng)、直觀和安全等優(yōu)勢(shì)，能促進(jìn)學(xué)生更好地學(xué)習(xí)課程，幫助理解機(jī)械設(shè)備在食品加工生產(chǎn)過程中的重要性，從而強(qiáng)化學(xué)生的工程實(shí)踐能力[10-13]?！笆称饭こ烫摂M仿真”課程其積極意義毋庸置疑，部分也反映了軟件自身的問題，如軟件每個(gè)功能太單一、系統(tǒng)細(xì)節(jié)操作過于繁瑣、軟件漏洞較多、軟件建模效果需要提升等，有些按鈕不好用，按了沒反應(yīng)，軟件性能有待完善升級(jí)。因此，學(xué)校需加大對(duì)食品工程軟件的資金投入，更新升級(jí)現(xiàn)有虛擬仿真軟件，選擇性能更好、仿真程度更高的軟件。

5 結(jié)語

“食品工程虛擬仿真”課程的實(shí)踐是一次有意義的探索，以3D 啤酒發(fā)酵工藝虛擬仿真教學(xué)為主得到了食品科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生的一致好評(píng)，虛擬仿真教學(xué)以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，極大程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)的不足，提高了學(xué)生的工程能力，滿足社會(huì)對(duì)應(yīng)用型人才需求目的，對(duì)后續(xù)其他食品類專業(yè)學(xué)生工程能力的培養(yǎng)有借鑒意義。