王新偉，田雙起，趙仁勇，蔣洪新，婁海偉，牛永武，王香玉

（河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001）

面包烘焙品質(zhì)試驗(yàn)是河南工業(yè)大學(xué)糧食工程專業(yè)和食品科學(xué)與工程專業(yè)本科生必修實(shí)踐課程“食品工藝綜合實(shí)驗(yàn)”中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，共6 個(gè)學(xué)時(shí)。教學(xué)大綱中要求學(xué)生采用直接發(fā)酵法、快速烘焙法和中種發(fā)酵法3 種方法制備面包，進(jìn)行品質(zhì)評(píng)價(jià)。但是因?yàn)檎n時(shí)和條件的局限，指導(dǎo)教師不得不在課前把很多工作都代替學(xué)生做了，學(xué)生上課時(shí)只能做部分工序，顯然不符合教學(xué)大綱要求，也沒有達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。因此，有必要通過虛擬仿真技術(shù)，模擬面包生產(chǎn)過程的實(shí)景環(huán)境和生產(chǎn)狀態(tài)，使學(xué)生通過面包制備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)達(dá)到實(shí)地開展實(shí)驗(yàn)的效果。

1 開展面包烘焙品質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的必要性

1.1 當(dāng)前實(shí)驗(yàn)方法所用學(xué)時(shí)的限制

根據(jù)GB/T 14611—2008[1]，直接發(fā)酵法是將面粉和其他配料混合制成面團(tuán)后，經(jīng)90 min 發(fā)酵后成型，醒發(fā)45 min 后入烤箱烘烤，出爐后進(jìn)行品質(zhì)評(píng)價(jià)。除去和面及中間的操作，只計(jì)發(fā)酵和醒發(fā)就需135 min，即3 學(xué)時(shí)。

根據(jù)GB/T 35869—2018[2]，快速烘焙法是將面粉粉和其他配料混合制成面團(tuán)后，經(jīng)20 min 發(fā)酵后成型，醒發(fā)40 min 后入烤箱烘烤，出爐后進(jìn)行品質(zhì)評(píng)價(jià)。除去和面及中間的操作，只計(jì)發(fā)酵和醒發(fā)需要60 min。

根據(jù)GB/T 14612—2008[3]，中種發(fā)酵法是先將部分面粉及全部酵母揉混調(diào)制成中種面團(tuán)，經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間發(fā)酵，然后再與剩余的面粉、水及其他配料揉混調(diào)制成主面團(tuán)，經(jīng)短時(shí)間延續(xù)發(fā)酵，進(jìn)行分割揉圓，中間醒發(fā)和成型，再經(jīng)過最后醒發(fā)，入爐烘烤。出爐后進(jìn)行品質(zhì)評(píng)價(jià)。其中，中種面團(tuán)發(fā)酵4 h，主面團(tuán)延續(xù)發(fā)酵30 min，中間醒發(fā)12~15 min，最后醒發(fā)65 min。除去和面及中間的操作，只計(jì)發(fā)酵和醒發(fā)需要350 min，將近8 學(xué)時(shí)。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱要求的6 個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)，要求學(xué)生完成8 個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，采用3 種方法制備面包，并進(jìn)行品質(zhì)評(píng)價(jià)顯然是不可能的。

1.2 教育信息化時(shí)代的要求

為貫徹教育部2018 年發(fā)布《教育信息化2.0 行動(dòng)計(jì)劃》 通知，結(jié)合學(xué)校特色與教育信息化規(guī)劃，糧油食品學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)與“食品工藝綜合實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)積極開展課程信息化教改。經(jīng)過多輪研討和論證，形成了“食品工藝綜合實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)信息化的共識(shí)，并通過虛擬仿真技術(shù)手段對(duì)小麥粉面包烘焙品質(zhì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行改革，提出了模擬直接發(fā)酵法、快速烘焙法和中種發(fā)酵法3 種方法制備面包、圍繞實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)環(huán)境基礎(chǔ)、多媒體可視交流系統(tǒng)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目等建設(shè)內(nèi)容，設(shè)定了課時(shí)信息化比例整體達(dá)100%。使學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)達(dá)到實(shí)地開展3 種方法制備面包實(shí)驗(yàn)的效果。

2 面包烘焙品質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)用性

2.1 破解實(shí)驗(yàn)難以全部開展的困局

面包是主食品加工的重要品類之一，面包生產(chǎn)行業(yè)是我國(guó)重要的食品加工產(chǎn)業(yè)之一。同時(shí)，面包加工過程需要“食品化學(xué)”“食品微生物學(xué)”“食品工藝學(xué)”等多領(lǐng)域知識(shí)，掌握面包加工技能可擴(kuò)展至發(fā)酵面制品加工等其他行業(yè)領(lǐng)域，對(duì)學(xué)生的食品工程能力培養(yǎng)發(fā)揮著不可替代的作用。針對(duì)面包生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)時(shí)，“面包制備實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不夠”“面包生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)勞動(dòng)強(qiáng)度大”和學(xué)生數(shù)量大不易安排的老大難問題，教研團(tuán)隊(duì)一直在探索更科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)開展方式，但并未在實(shí)體環(huán)境下找到切實(shí)可行的方案。借助虛擬仿真技術(shù)，建設(shè)面包加工虛擬仿真項(xiàng)目可以破解學(xué)生無法在既定的6 個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)開展3 種方法制備面包的困局，提升實(shí)驗(yàn)質(zhì)量。

2.2 貫徹“兩性一度”，融合“課程思政”

根據(jù)教育部對(duì)課程“兩性一度”的要求，在面包烘焙品質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中構(gòu)建接近實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)的虛擬環(huán)境，使學(xué)生有身臨其境的感受，并在此環(huán)境下，對(duì)學(xué)生開展的實(shí)驗(yàn)提出3 種方法制備面包、品質(zhì)評(píng)價(jià)、優(yōu)化工藝參數(shù)等高階要求；并通過生產(chǎn)不同類型面包，使學(xué)生在產(chǎn)品類型和生產(chǎn)工藝創(chuàng)新等多方面提出要求，提升學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)；使學(xué)生感受到實(shí)驗(yàn)實(shí)操過程的挑戰(zhàn)度提高，激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程的興趣，從而積極完成虛擬仿真條件下的實(shí)驗(yàn)實(shí)操學(xué)習(xí)。

在模擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)操過程中，將“生產(chǎn)安全”“食品安全”“工匠精神”等思政元素融入實(shí)驗(yàn)過程。

3 面包烘焙品質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的先進(jìn)性

3.1 實(shí)驗(yàn)資源具有鮮明的專業(yè)特色

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目依托學(xué)校特色——糧油食品加工，結(jié)合學(xué)校面包產(chǎn)品研發(fā)、工藝設(shè)計(jì)、品質(zhì)評(píng)價(jià)的超強(qiáng)實(shí)力和突出能力，而且學(xué)校與面包加工的龍頭企業(yè)的良好合作關(guān)系，通過面包生產(chǎn)龍頭企業(yè)桃李、盼盼，小麥粉加工龍頭企業(yè)益海嘉里和五得利，面包發(fā)酵劑生產(chǎn)龍頭企業(yè)安琪酵母等一系列面包加工領(lǐng)域的企業(yè)，提供本項(xiàng)目建模所需的生產(chǎn)實(shí)景及實(shí)用、先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)支持，為構(gòu)建面包加工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目模型和數(shù)字影像庫(kù)提供了優(yōu)質(zhì)實(shí)體實(shí)驗(yàn)材料資源。

3.2 根據(jù)“新工科”建設(shè)要求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)根據(jù)“新工科”建設(shè)和工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，圍繞OBE 理念開展[4]。以學(xué)生為中心，包含有課前了解、實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練、實(shí)驗(yàn)考核、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、融合與拓展、學(xué)情分析、學(xué)習(xí)資料、研發(fā)團(tuán)隊(duì)等模塊。滿足學(xué)生實(shí)操實(shí)驗(yàn)需求，突出“兩性一度”和“課程思政融合”的要求，使學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性、探索性的實(shí)驗(yàn)，并感受到思政元素傳遞的正能量。

3.3 研發(fā)具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)依據(jù)教育部的《教育信息化2.0 行動(dòng)計(jì)劃》，根據(jù)軟件系統(tǒng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)法律法規(guī)的規(guī)定，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中融入多種教學(xué)手段，利用“元認(rèn)知策略”“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”和“游戲化教學(xué)”等近幾年教育教學(xué)的新興理念與技術(shù)，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)過程將沉浸性、交互性、虛幻性和逼真性等貫穿系統(tǒng)中。課程團(tuán)隊(duì)教師與虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)公司的工程師協(xié)同合作，使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、3D仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR） 等開發(fā)技術(shù)，研發(fā)完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的面包生產(chǎn)及品質(zhì)評(píng)價(jià)虛擬仿真系統(tǒng)。

3.4 根據(jù)“元宇宙”新形態(tài)發(fā)展持續(xù)改進(jìn)

根據(jù)“元宇宙”理念，依托VR 和Internet 發(fā)展與迭代更新，圍繞信息教育發(fā)展趨勢(shì)和糧油食品專業(yè)領(lǐng)域科研最新動(dòng)態(tài)，在當(dāng)前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬仿真技術(shù)滿足實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)需求基礎(chǔ)上，在本項(xiàng)目的虛擬仿真系統(tǒng)中預(yù)留后期多次開發(fā)功能和模塊，為滿足持續(xù)改進(jìn)提供升級(jí)空間，未來能與“元宇宙”體系有效對(duì)接，拓展本虛擬仿真系統(tǒng)的應(yīng)用。

4 預(yù)期實(shí)施效果

面包生產(chǎn)及品質(zhì)評(píng)價(jià)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件開發(fā)后，不但能夠滿足本校師生的使用，還能滿足其他開設(shè)本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的大中院校使用；不僅可以成為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作的有力補(bǔ)充，還可以成為特殊條件下，如新冠疫情下學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作知識(shí)學(xué)習(xí)的重要手段。

4.1 實(shí)驗(yàn)效率將大幅提高

目前，受實(shí)驗(yàn)室面積和設(shè)備數(shù)量限制，一個(gè)實(shí)驗(yàn)室只能容納30 名學(xué)生，并分為4~6 人一組同時(shí)實(shí)驗(yàn)，而在實(shí)際操作中，多數(shù)的工藝環(huán)節(jié)只能有1 人進(jìn)行實(shí)踐操作，其他學(xué)生只能觀看，采用虛擬仿真平臺(tái)可支持1 000 人并發(fā)訪問服務(wù)器。

4.2 實(shí)驗(yàn)效果將實(shí)質(zhì)增強(qiáng)

目前，實(shí)驗(yàn)中很多工序都是指導(dǎo)教師在課前完成的，學(xué)生在課上只做部分工序。對(duì)學(xué)生來說，每個(gè)工序都是需要掌握的，無法全方位認(rèn)知面包加工方法、工藝與品質(zhì)之間的密切聯(lián)系，采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，則可實(shí)現(xiàn)全程參與，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作水平，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

5 結(jié)語

針對(duì)面包生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)時(shí)，“面包制備實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不夠”“面包生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)勞動(dòng)強(qiáng)度大”和學(xué)生數(shù)量大不易安排的問題，借助虛擬仿真技術(shù)，建設(shè)和設(shè)計(jì)面包加工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，從而破解學(xué)生無法在既定的6 個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)開展3 種方法制備面包并進(jìn)行品質(zhì)評(píng)價(jià)的困局，提升實(shí)驗(yàn)授課質(zhì)量。