張 崟，陳衛(wèi)軍，周 闖，劉文龍，余 華，劉達(dá)玉

（成都大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，四川成都 610106）

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是指通過對實(shí)物信息收集、軟件模擬、仿真重現(xiàn)、系統(tǒng)組裝等過程，構(gòu)建的可以模擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)過程的軟件[1]。學(xué)生可以利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)現(xiàn)場參與實(shí)驗(yàn)的場景，進(jìn)而達(dá)到更直觀地掌握實(shí)驗(yàn)技能的效果。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以有效避免錯誤操作引起的實(shí)驗(yàn)安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，可以替代一些高溫、高壓、易制毒、易致爆等不適合，或者現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件不具備開設(shè)的極端實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)過程中的作用，越來越受到各國重視。我國教育部于2017 年以來，批準(zhǔn)了多項(xiàng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[2]。成都大學(xué)的“吐司面包生產(chǎn)工藝3D 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”，2018 年獲教育部認(rèn)定，并在教學(xué)中廣泛應(yīng)用[3-4]。

“食品機(jī)械與設(shè)備”是專門介紹食品加工過程中所用典型設(shè)備的課程，主要講解設(shè)備的分類、工作原理、基本構(gòu)造、操作參數(shù)及維護(hù)維修等內(nèi)容。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生具備操作和改進(jìn)食品加工設(shè)備的能力。成都大學(xué)的“食品機(jī)械與設(shè)備”課程2020 被評為省級應(yīng)用型示范課。為了更好地提高該課程的教學(xué)質(zhì)量，結(jié)合團(tuán)隊(duì)的教學(xué)實(shí)踐，討論了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在“食品機(jī)械與設(shè)備”課程中的應(yīng)用。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對“食品機(jī)械與設(shè)備”課程教學(xué)的積極作用

1.1 可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

大學(xué)生在經(jīng)歷初中、高中的題海訓(xùn)練后，大部分學(xué)生已經(jīng)對傳統(tǒng)的教學(xué)方式產(chǎn)生了厭倦。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與“食品機(jī)械與設(shè)備”課程教學(xué)有機(jī)結(jié)合，通過透視化的演示，就能使學(xué)生更加直觀、快速地了解和掌握設(shè)備的工作原理及其工作過程。不僅減少了教師的講解負(fù)擔(dān)，而且有利于激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣。

1.2 讓學(xué)生沉浸式感受機(jī)械的多維場景

在“食品機(jī)械與設(shè)備”課程教學(xué)中，將VR（Virtual Reality） 眼鏡或頭盔應(yīng)用于設(shè)備工作原理及其現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的教學(xué)，可以使學(xué)生通過沉浸式感受，從多角度、多層次直觀地體驗(yàn)設(shè)備內(nèi)部及其周圍環(huán)境狀況，使學(xué)生不僅能夠很快地對食品加工機(jī)械產(chǎn)生定性認(rèn)識，而且可以通過點(diǎn)擊使用說明，了解設(shè)備材質(zhì)、工作條件、工藝參數(shù)、安全注意事項(xiàng)等信息；通過輸入?yún)?shù)，觀察設(shè)備的工作過程，甚至可以通過輸入錯誤參數(shù)，觀察設(shè)備在錯誤操作情況下可能出現(xiàn)的安全事故等。

1.3 讓學(xué)生與設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息互動

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不是單純的直觀演示，更不是走馬觀花。在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)后，在不同的階段都有語音講解。在收聽語音講解時(shí)，學(xué)生需要記錄有關(guān)的知識點(diǎn)。在講解結(jié)束后，還會設(shè)置一定的問題，回答正確后才能進(jìn)入下一個(gè)操作環(huán)節(jié)。通過這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，就能使學(xué)生與機(jī)械之間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息互動，加深對機(jī)械工作原理及關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)的記錄和記憶。在進(jìn)入自主體驗(yàn)階段，學(xué)生可以根據(jù)個(gè)人興趣，設(shè)計(jì)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，通過自主輸入設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，觀察在不同操作條件下設(shè)備的工作狀態(tài)。

1.4 激發(fā)學(xué)生深入學(xué)習(xí)的興趣

由于設(shè)備的虛擬仿真模擬，往往與現(xiàn)實(shí)設(shè)備存在一定的差距。在課程教學(xué)設(shè)計(jì)中，可以通過布置課外作業(yè)等方式，激發(fā)學(xué)生去學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室查看并記錄實(shí)際設(shè)備的信息，或者通過市場調(diào)查，了解最新的同類設(shè)備及其市場價(jià)格等信息，達(dá)到舉一反三，引導(dǎo)學(xué)生了解和掌握更多相關(guān)設(shè)備信息的效果。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用方式

2.1 設(shè)備工作原理的講解

工作原理是“食品機(jī)械與設(shè)備”課程的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，只有很好地掌握機(jī)械與設(shè)備的工作原理，學(xué)生才能更好地理解食品設(shè)備在食品加工過程中的作用，并在此基礎(chǔ)上與其他學(xué)科融會貫通，實(shí)現(xiàn)新的理論創(chuàng)新和對設(shè)備工作參數(shù)根據(jù)實(shí)際需求做適當(dāng)調(diào)整。在該課程講解過程中，會有許多機(jī)械的工作原理難以講解，如板框過濾機(jī)、碟式分離機(jī)等。這些設(shè)備在用平面示意圖講解其工作原理時(shí)比較抽象，這時(shí)將板框過濾機(jī)和碟式分離機(jī)的虛擬仿真設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)鏈接實(shí)現(xiàn)在線播放，能使學(xué)生更直觀地了解其工作原理。

2.2 設(shè)備運(yùn)行過程演示

食品機(jī)械與設(shè)備的運(yùn)行過程是輔助講解其工作原理不可缺少的組成部分，更應(yīng)該有相應(yīng)的虛擬仿真軟件輔助講解，尤其對一些需要有過程演示才能更加清楚的加工過程，如水環(huán)式真空泵、羅茨鼓風(fēng)機(jī)等。在講解這些輸送設(shè)備的工作過程時(shí)，采用靜態(tài)的圖示很難講清楚。如果采用虛擬仿真軟件輔助教學(xué)，可以通過動態(tài)演示物料的行徑，清楚地展示其運(yùn)行過程。不但可以使復(fù)雜的設(shè)備運(yùn)行過程講解變得更加生動有趣，而且容易促進(jìn)學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上很好地掌握設(shè)備的工作原理。

2.3 設(shè)備操作參數(shù)設(shè)置

在“食品機(jī)械與設(shè)備”課程教學(xué)中，除了設(shè)備的工作原理及其工作過程是重點(diǎn)之外，學(xué)生掌握相應(yīng)的設(shè)備操作參數(shù)也非常重要。教師在講解殺菌鍋在不同食品的殺菌中應(yīng)用時(shí)，可以通過虛擬仿真軟件輔助教學(xué)，使學(xué)生通過軟件，輸入相關(guān)食品的設(shè)備操作參數(shù)，進(jìn)而鍛煉和加深其對不同食品所需殺菌工藝參數(shù)的掌握，達(dá)到學(xué)即能用的良好效果。

2.4 展示設(shè)備在生產(chǎn)線中的作用

有些“食品機(jī)械與設(shè)備”教材，在介紹食品加工機(jī)械時(shí)是采用分類方式進(jìn)行的，如運(yùn)輸設(shè)備、尺寸減少設(shè)備、分離設(shè)備、成形設(shè)備、殺菌設(shè)備等。學(xué)完這類教材后，學(xué)生無法將設(shè)備與其在實(shí)際生產(chǎn)線中的應(yīng)用緊密聯(lián)系。這時(shí)有必要采用虛擬仿真方法，讓學(xué)生認(rèn)識一些食品加工生產(chǎn)線，掌握設(shè)備在生產(chǎn)過程中所發(fā)揮的作用。有些高校已經(jīng)將該類仿真實(shí)驗(yàn)用于輔助完成學(xué)生的認(rèn)識實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)及畢業(yè)實(shí)習(xí)等教學(xué)。成都大學(xué)的食品科學(xué)與工程類專業(yè)，利用已建有的省級虛擬仿真中心，輔助完成學(xué)生的生產(chǎn)實(shí)習(xí)和畢業(yè)實(shí)習(xí)。

2.5 設(shè)備維護(hù)及安全操作

食品設(shè)備在使用前，通常要進(jìn)行安全教育，使用后要進(jìn)行日常檢修和維護(hù)，否則不僅會影響制作的食品質(zhì)量，甚至?xí)a(chǎn)生安全隱患。比如，在飲料及液態(tài)殺菌乳加工過程中，都會用到CIP 清洗系統(tǒng)。在講解該套清洗設(shè)備時(shí)，如果能結(jié)合虛擬仿真軟件，在講解CIP 系統(tǒng)的操作過程的同時(shí)，講解其在乳制品及飲料加工生產(chǎn)線的清洗和維護(hù)中的應(yīng)用。這樣不但可以使學(xué)生輕松掌握CIP 系統(tǒng)的工作原理，而且可以認(rèn)識到CIP 清洗系統(tǒng)在液態(tài)食品加工生產(chǎn)線中對設(shè)備維護(hù)的重要作用。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用案例

3.1 虛擬仿真技術(shù)在啤酒釀造工藝設(shè)備講解中的應(yīng)用

在講解啤酒釀造設(shè)備時(shí)，可以將啤酒釀造設(shè)備與制作工藝同時(shí)講解，內(nèi)容包括麥芽汁制備、冷卻、酵母菌投放、發(fā)酵罐發(fā)酵等。

（1） 原料粉碎。在虛擬仿真軟件設(shè)計(jì)時(shí)，將大米、麥芽的粉碎機(jī)粉碎過程制作成虛擬操作，使學(xué)生了解粉碎操作過程的重要性。盡管粉碎只是通過簡單的機(jī)械擠壓，使大米、麥芽變成小顆粒，但是該操作對后期淀粉的糖化、麥汁的發(fā)酵及過濾等都非常重要。

（2） 糖化、糊化。將淀粉糊化和糖化利用虛擬仿真試驗(yàn)進(jìn)行演示，學(xué)生可以通過手動將大米及麥芽粉，加入糊化鍋，在溫水作用下使淀粉糊化和糖化。通過該操作，使學(xué)生了解和掌握淀粉在啤酒釀造過程中的糊化條件及發(fā)生的生化反應(yīng)；掌握麥芽中的酶對大米中的淀粉及蛋白質(zhì)的作用機(jī)理。

（3） 麥芽汁過濾。利用虛擬仿真軟件，演示淀粉糖化后，將糖化醪液利用泵推作用，輸送到過濾機(jī)，并將麥芽汁與麥芽糖分離，得到澄清的麥芽汁。通過該操作，使學(xué)生理解麥芽汁的過濾過程及過濾對后期發(fā)酵的重要作用。

（4） 高溫煮沸，加啤酒花。學(xué)生通過虛擬操作，將麥芽汁輸送到麥汁煮沸鍋中，再加入啤酒花調(diào)味的過程，使學(xué)生掌握啤酒花在煮沸條件下對麥芽汁的成分、香味、苦味及其他有效成分的影響。

（5） 澄清冷卻。將煮沸后的麥汁泵入冷卻器后，冷卻至10 ℃左右，以備接種啤酒酵母的過程。學(xué)生通過虛擬操作，掌握麥汁溫度對啤酒酵母發(fā)酵的重要性。

（6） 加入酵母發(fā)酵。經(jīng)過冷卻的麥芽汁，往其中加入啤酒酵母和無菌空氣，輸送到發(fā)酵罐中，開始在一定溫度條件下發(fā)酵不同時(shí)間的工藝過程。通過該操作，使學(xué)生掌握發(fā)酵條件對啤酒中酒精含量及風(fēng)味物質(zhì)形成的重要作用。

（7） 硅藻過濾。利用虛擬仿真軟件演示發(fā)酵液成熟后，經(jīng)過離心及多重過濾，去掉發(fā)酵液中的發(fā)酵殘留物、酵母等，成為均勻的膠體，再經(jīng)巴氏滅菌制成啤酒產(chǎn)品的工藝過程。通過該操作，使學(xué)生掌握過濾對啤酒產(chǎn)品形態(tài)形成的重要性。

（8） 灌裝。利用虛擬仿真軟件操作，使學(xué)生掌握發(fā)酵成熟的啤酒經(jīng)過負(fù)壓或常壓灌裝，制得成品的過程，掌握產(chǎn)品包裝對啤酒貯藏穩(wěn)定性的重要性。

3.2 虛擬仿真技術(shù)在管殼式熱交換器設(shè)計(jì)講解中的應(yīng)用

管殼式熱交換器是食品加工過程中有冷熱能量傳遞過程的共性操作單元，對掌握熱交換設(shè)備的工作原理非常重要，理論虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，通過逐級演示和操作演練，可以使學(xué)生充分掌握其工作原理及使用注意事項(xiàng)。

（1） 開始前準(zhǔn)備。利用虛擬仿真軟件，演示管殼式熱交換器的開機(jī)前狀態(tài)，當(dāng)換熱器處于常溫常壓下，每個(gè)可調(diào)閥均處于手動關(guān)閉狀態(tài)，各手操閥處于關(guān)閉狀態(tài)。通過該操作，使學(xué)生掌握管殼式熱交換器操作前的安全注意事項(xiàng)。

（2） 啟動冷物流進(jìn)料泵。利用虛擬仿真軟件，演示打開換熱器管程排氣閥，打開泵前閥，按下啟動按鈕，再打開泵的后閥等操作。通過該操作，使學(xué)生掌握進(jìn)料泵的工作壓力及工作過程。

（3） 冷物流進(jìn)料。利用虛擬仿真軟件，演示打開換熱器的進(jìn)料泵的前后閥，打開冷物料進(jìn)料閥，手動控制調(diào)節(jié)閥。觀察換熱器殼程上的排氣閥、冷物流出口閥的運(yùn)行情況。通過該操作，使學(xué)生掌握冷物料流量等工作參數(shù)。

（4） 啟動熱物流入口泵。利用虛擬仿真軟件，演示打開殼程排氣閥，開物料泵的操作過程，觀察進(jìn)料壓力表的指示值。通過該操作，使學(xué)生掌握冷物料的流動過程及工作壓力。

（5） 熱物流進(jìn)料。利用虛擬仿真軟件，演示打開開閥給換熱器管程注液的過程，觀察進(jìn)出口溫度變化。通過該操作，使學(xué)生掌握管殼式熱交換器的換熱工作原理。

4 結(jié)語

“食品機(jī)械與設(shè)備”課程對培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力非常重要，尤其對增強(qiáng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力具有積極作用。在該課程講解時(shí)，通過獨(dú)立設(shè)置實(shí)驗(yàn)課，或者通過網(wǎng)絡(luò)鏈接等方式，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)用于輔助理論教學(xué)，可以達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果。學(xué)生可以通過體驗(yàn)式參與，幫助其理解設(shè)備的工作原理、工作過程等理論內(nèi)容。此外，還可以通過將學(xué)生帶入現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場景等方式，促進(jìn)學(xué)生將所學(xué)習(xí)的食品設(shè)備恰當(dāng)?shù)赜糜谑称飞a(chǎn)線?？傊?，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在“食品機(jī)械與設(shè)備”課程的理論講解中的輔助應(yīng)用，可以獲得較傳統(tǒng)教學(xué)方式更好的教學(xué)效果。