李文釗，劉常金

（天津科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457）

進(jìn)入21 世紀(jì)，我國的高等教育快速發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)量也迅速增加，提前進(jìn)入大眾化教育時代。隨著高等教育的規(guī)模擴(kuò)張的結(jié)束和社會對于人才需求的變化，對于人才的培養(yǎng)質(zhì)量、效率和效果受到各界關(guān)注。高校持續(xù)開展教育教學(xué)改革提升人才培養(yǎng)質(zhì)量[1-2]。2017 年教育部正式推出“新工科”計劃為高校深化工程教育改革的理論研究與應(yīng)用實(shí)踐指明方向。

天津科技大學(xué)脫胎于原輕工院校，遵循“堅(jiān)持拓展輕工特色，精心培養(yǎng)行業(yè)中堅(jiān)，矢志服務(wù)國計民生”的優(yōu)良辦學(xué)傳統(tǒng)，一貫注重培養(yǎng)師生工程實(shí)踐能力，高度重視教育技術(shù)信息化。食品科學(xué)與工程作為學(xué)校最早設(shè)立的本科專業(yè)，經(jīng)過60 余年的發(fā)展已經(jīng)成為天津市重點(diǎn)建設(shè)的學(xué)科專業(yè)。早在2014 年，學(xué)院就啟動食品專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)計劃，抽調(diào)食品專業(yè)核心理論課程及指導(dǎo)實(shí)踐環(huán)節(jié)的10 余名骨干教師組建食品加工虛擬仿真教研團(tuán)隊(duì)，開發(fā)和引進(jìn)小麥制粉、油脂精煉及大儀分析系統(tǒng)等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)[3]。

在與用人單位及校友的交流中發(fā)現(xiàn)，畢業(yè)生踏入社會接觸實(shí)際工廠面對復(fù)雜工程問題時，其分析、解決問題能力，以及實(shí)際操作動手能力等仍顯不足。究其原因是多方面的：第一，出于安全考慮，加之食品企業(yè)管理要求，學(xué)生去食品加工廠大多只能通過參觀走廊看看食品加工GMP 車間，進(jìn)到車間加工現(xiàn)場接觸和實(shí)操加工設(shè)施與設(shè)備存在困難；第二，工科院校本不富余的實(shí)驗(yàn)場地和常規(guī)實(shí)驗(yàn)臺套數(shù)隨高校擴(kuò)招更顯緊張；第三，高校大型精密分析儀器主要用于科研，在教學(xué)中多是演示實(shí)驗(yàn)，本科生鮮有實(shí)操機(jī)會。

這些問題產(chǎn)生原因多與當(dāng)初開發(fā)和建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的初衷不謀而合，研究與實(shí)踐虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的應(yīng)用途徑，以緩解上述矛盾，助力新工科食品人才培養(yǎng)[4]。

1 構(gòu)建“認(rèn)知領(lǐng)域遞進(jìn)”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源助力新工科食品人才培養(yǎng)路徑

“1 000 t/d 毛麥清理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”并不僅僅是一個單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)，而是一個虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，以小麥制粉加工真實(shí)工廠為原型，采用3D 教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建環(huán)境、廠址、工藝、核心設(shè)備、品質(zhì)控制、安全管理等方面，學(xué)生可以直觀地看到廠區(qū)的布局和設(shè)備的擺放及連接方式。主要包括任務(wù)系統(tǒng)、評分系統(tǒng)、知識點(diǎn)系統(tǒng)及微課系統(tǒng)等。采用任務(wù)系統(tǒng)形式指引學(xué)生進(jìn)行工藝學(xué)習(xí)；評分系統(tǒng)對學(xué)生的操作進(jìn)行判定；知識點(diǎn)系統(tǒng)包括生產(chǎn)工藝的知識點(diǎn)、設(shè)備工作原理及維護(hù)知識點(diǎn)、雜質(zhì)處理及安全生產(chǎn)的知識點(diǎn)等。在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，該虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于“認(rèn)識實(shí)習(xí)、食品工程技能實(shí)習(xí)、食品工程課程設(shè)計及畢業(yè)實(shí)習(xí)”等各個實(shí)習(xí)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)；團(tuán)隊(duì)教師發(fā)現(xiàn)虛擬仿真系統(tǒng)對機(jī)械設(shè)備原理、結(jié)構(gòu)等清晰呈現(xiàn)的強(qiáng)大功能，有效提升“食品科技導(dǎo)論”“食品機(jī)械與設(shè)備”“食品工藝學(xué)“食品工廠設(shè)計”等理論課堂講解效果。

為此，團(tuán)隊(duì)組織從基礎(chǔ)教學(xué)到專業(yè)課程教不同層級的教師一同學(xué)習(xí)研討，深入了解小麥制粉虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)容與特點(diǎn)，請教師各自從所教授的課程出發(fā)，尋求可以對接之處，利用優(yōu)質(zhì)虛擬仿真教學(xué)資源助力教學(xué)質(zhì)量提升，構(gòu)建了“認(rèn)知領(lǐng)域遞進(jìn)”優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源助力新工科食品人才培養(yǎng)路徑。

“認(rèn)知領(lǐng)域遞進(jìn)”優(yōu)質(zhì)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)資源助力新工科食品人才培養(yǎng)路徑見圖1。

圖1 “認(rèn)知領(lǐng)域遞進(jìn)”優(yōu)質(zhì)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)資源助力新工科食品人才培養(yǎng)路徑

由圖1 可知，從基礎(chǔ)學(xué)習(xí)階段到專業(yè)學(xué)習(xí)階段，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)憑借強(qiáng)大的圖文直觀展示特點(diǎn)、身臨其境的操作體驗(yàn)及豐富的知識點(diǎn)系統(tǒng)，使其不僅能夠進(jìn)入人才培養(yǎng)所必需的實(shí)習(xí)實(shí)踐環(huán)節(jié)，也能夠融入人才培養(yǎng)不可或缺的實(shí)體理論學(xué)習(xí)課堂，助力提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)效果。

2 優(yōu)質(zhì)虛擬仿真教學(xué)資源助力食品工程人才實(shí)習(xí)實(shí)踐培養(yǎng)環(huán)節(jié)案例

實(shí)例1：優(yōu)質(zhì)虛擬仿真教學(xué)資源進(jìn)入認(rèn)識實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)。

對于食品科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生而言，工廠參觀與實(shí)踐是必不可少的教學(xué)環(huán)節(jié)，通過到工廠實(shí)地參觀與學(xué)習(xí)，初步了解食品生產(chǎn)的工藝過程和設(shè)備特點(diǎn)，熟悉必要的生產(chǎn)技能及管理經(jīng)營知識，使學(xué)生對食品科學(xué)與工程有一個感性認(rèn)識，提高和鞏固學(xué)生的專業(yè)思想，為學(xué)習(xí)食品科學(xué)與工程專業(yè)知識打下良好的基礎(chǔ)。由于糧食加工的特殊性，存在粉塵易燃易爆等安全性問題，學(xué)生不容易到達(dá)加工廠現(xiàn)場。此外，由于加工設(shè)備龐大、工藝復(fù)雜程度高，整套設(shè)備分布在一幢10 層樓的各樓層內(nèi)，學(xué)生即使到現(xiàn)場看到的是繁雜的管線與設(shè)備，難以將知識點(diǎn)和具體的實(shí)踐相結(jié)合，打擊學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，導(dǎo)致教學(xué)效果不理想。

虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)恰能彌補(bǔ)這些不足，在虛擬空間中能夠?qū)S房墻壁、樓板等隱去，清晰呈現(xiàn)氣路、麥路、雜質(zhì)等管線的走向，輔以圖文、音響、生動的工藝流程視頻，并通過實(shí)驗(yàn)任務(wù)的形式，讓學(xué)生動手操作，身臨其境的工廠加工場景，提高教學(xué)的直觀性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與潛能。同時，虛擬資源中豐富的知識點(diǎn)系統(tǒng)便捷地幫助學(xué)生學(xué)習(xí)認(rèn)識實(shí)習(xí)需要掌握的內(nèi)容。學(xué)生反饋“和參觀工廠相比，這個更生動，更有趣味；操作1 遍，印象更深。”

優(yōu)質(zhì)虛擬仿真教學(xué)資源輔助認(rèn)識實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)見圖2。

圖2 優(yōu)質(zhì)虛擬仿真教學(xué)資源輔助認(rèn)識實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)

實(shí)例2：優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源進(jìn)入”食品工程“課程設(shè)計環(huán)節(jié)。

食品工程課程設(shè)計要求學(xué)生以食品工藝、食品機(jī)械與設(shè)備、食品工廠設(shè)計為基礎(chǔ)，模擬設(shè)計一條食品生產(chǎn)線，撰寫設(shè)計說明書并繪制圖紙。1 000 t/d毛麥清理虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)在設(shè)計研發(fā)時，就考慮了培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)——要求學(xué)生在了解和掌握日處理量為1 000 t 毛麥清理工藝基礎(chǔ)上，完成物料衡算、設(shè)備選型等任務(wù)，自主設(shè)計一條日處理量為2 000 t 的毛麥清理線。使學(xué)生能夠體驗(yàn)運(yùn)用所學(xué)食品工學(xué)知識的快樂，掌握工程設(shè)計的基本程序與關(guān)鍵，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。此過程的學(xué)習(xí)能夠助力新工科食品專業(yè)學(xué)生食品工程課程設(shè)計環(huán)節(jié)的要求。

優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源進(jìn)入“食品工程”課程設(shè)計環(huán)節(jié)見圖3。

圖3 優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源進(jìn)入“食品工程”課程設(shè)計環(huán)節(jié)

實(shí)例3：優(yōu)質(zhì)虛擬仿真教學(xué)資源助力完成畢業(yè)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)。

畢業(yè)實(shí)習(xí)目的是使學(xué)生掌握基本的生產(chǎn)實(shí)際知識，鞏固和豐富已學(xué)過的專業(yè)知識。培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，培養(yǎng)學(xué)生在生產(chǎn)實(shí)際中調(diào)查研究、發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，為畢業(yè)論文和設(shè)計奠定基礎(chǔ)。通過實(shí)習(xí)，要求學(xué)生深入工廠的實(shí)際工作環(huán)境，了解企業(yè)的生產(chǎn)狀況，管理經(jīng)營情況和行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與前景，熟悉掌握食品的生產(chǎn)工藝過程，并將學(xué)過的基礎(chǔ)理論和知識與生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合起來。培養(yǎng)學(xué)生踏實(shí)認(rèn)真的工作態(tài)度和工作作風(fēng)。

前面已敘述，學(xué)生到工廠參觀完成認(rèn)識實(shí)習(xí)都存在困難，深入工廠實(shí)際環(huán)境開展儀器、設(shè)備操作的畢業(yè)實(shí)習(xí)就更困難。如何在有限的時間、空間達(dá)成良好的畢業(yè)實(shí)習(xí)效果，虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)來助力。教學(xué)團(tuán)隊(duì)在1 000 t/d 毛麥清理虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺上，拓展了“小麥制粉工廠”“振動篩虛擬仿真實(shí)習(xí)軟件”“去石機(jī)虛擬仿真實(shí)習(xí)軟件”等多項(xiàng)學(xué)習(xí)模塊，每個模塊都配備包括工藝視頻、設(shè)備拆分、實(shí)驗(yàn)操作等文件，還配套了小麥制粉虛擬仿真工廠實(shí)習(xí)實(shí)踐指導(dǎo)書及小麥制粉虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)操作流程，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)認(rèn)識小麥制粉工廠廠區(qū)布局與安全管理、原料的選擇與標(biāo)準(zhǔn)、工藝流程及關(guān)鍵點(diǎn)，掌握核心設(shè)備原理、結(jié)構(gòu)與運(yùn)行，助力學(xué)生完成畢業(yè)實(shí)習(xí)，滿足新工科食品專業(yè)人材培養(yǎng)需要。學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺留言“場景逼真，學(xué)習(xí)體驗(yàn)很不一樣。能夠體驗(yàn)工廠毛麥清理的完整流程。將理論與實(shí)踐結(jié)合很有意義?！薄胺抡鎸?shí)驗(yàn)利用計算機(jī)把實(shí)驗(yàn)設(shè)備、教學(xué)內(nèi)容、教師的理論指導(dǎo)和學(xué)生的操作有機(jī)結(jié)合在一起，克服了實(shí)驗(yàn)課受課堂、時間限制的困擾。使實(shí)驗(yàn)在教學(xué)內(nèi)容和空間上得到延伸。營造了多樣化的教學(xué)環(huán)境，使學(xué)生可以更自由、更自主地學(xué)習(xí)，充分調(diào)動了課堂的積極性，拓展了視野，鍛煉了上機(jī)操作的能力?！?/p>

優(yōu)質(zhì)虛擬仿真教學(xué)資源輔助畢業(yè)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)見圖4。

圖4 優(yōu)質(zhì)虛擬仿真教學(xué)資源輔助畢業(yè)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)

3 優(yōu)質(zhì)虛擬仿真教學(xué)資源融入食品工程人才實(shí)體課堂培養(yǎng)環(huán)節(jié)案例

虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)不僅是應(yīng)用于實(shí)習(xí)實(shí)踐等環(huán)節(jié)，在理論課堂中也能充分發(fā)揮其優(yōu)勢，幫助教師提升教學(xué)效果，提升教學(xué)質(zhì)量。

實(shí)例4：優(yōu)質(zhì)虛擬仿真教學(xué)資源融入“食品科技導(dǎo)論（雙語）”理論課堂。

食品科技導(dǎo)論（雙語） 通過雙語教學(xué)介紹食品科學(xué)與技術(shù)的基本知識，促使學(xué)生運(yùn)用英語作為工具學(xué)習(xí)專業(yè)課程。在講授焙烤工藝（Bakery Technology） 一章中關(guān)于面粉磨制（Milling Wheat） 時，教師雙語講解小麥制粉工藝同時，結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠更清晰呈現(xiàn)小麥制粉工藝，幫助學(xué)生熟悉小麥制粉過程，讓枯燥、晦澀英文詞匯變得輕松易理解。

實(shí)例5：優(yōu)質(zhì)虛擬仿真教學(xué)資源融入“食品機(jī)械與設(shè)備”理論課堂。

在“食品機(jī)械與設(shè)備”理論課堂上，教師單純用語言往往難以解釋清機(jī)械原理與設(shè)備結(jié)構(gòu)，毛麥清理虛擬仿真教學(xué)資源針對實(shí)際教學(xué)中對振動篩、去石機(jī)等設(shè)備的內(nèi)構(gòu)與工作原理難以闡述的問題，采用3D 實(shí)景再現(xiàn)的教學(xué)方法，學(xué)生可選擇性拆分設(shè)備、360°無死角觀察、并可“啟動”設(shè)備，掌握糧食清理核心設(shè)備的工作原理。按照工藝流程對去石機(jī)、精選機(jī)等設(shè)備進(jìn)行巡檢，通過取樣、分析，判斷設(shè)備運(yùn)行情況，并可以針對設(shè)備非正常運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，鍛煉了學(xué)生對設(shè)備的操作能力，提高了學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識分析與解決實(shí)際問題的能力。學(xué)生在平臺留言反饋“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)利用3D 實(shí)景技術(shù)，將理論與實(shí)踐深度融合，提高了學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識與實(shí)際解決問題的能力，促進(jìn)學(xué)生自主化學(xué)習(xí)和個性化學(xué)習(xí)”“設(shè)備很好，非常真實(shí)，是一個很好的學(xué)習(xí)平臺”。

優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源融入“食品機(jī)械與設(shè)備”理論課堂見圖5。

圖5 優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源融入“食品機(jī)械與設(shè)備”理論課堂

4 結(jié)語

面對“新工科”對人才培養(yǎng)的新要求，食品企業(yè)對食品專業(yè)人才能力的新需要，食品加工虛擬仿真教研團(tuán)隊(duì)在教學(xué)實(shí)踐中，開拓應(yīng)用優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)新途徑，設(shè)法將虛擬教學(xué)資源融合基礎(chǔ)理論課堂、融入實(shí)習(xí)實(shí)踐過程，形成從理論到實(shí)踐連續(xù)遞進(jìn)式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源助力新工科食品人才培養(yǎng)新路徑。正如一名學(xué)習(xí)者留言，仿真實(shí)驗(yàn)利用計算機(jī)把實(shí)驗(yàn)設(shè)備、教學(xué)內(nèi)容、教師的理論指導(dǎo)和學(xué)生的操作有機(jī)的結(jié)合在了一起，克服了實(shí)驗(yàn)受課堂、時間限制的困撓。使實(shí)驗(yàn)在教學(xué)內(nèi)容和空間上得到延伸，營造了多樣化的教學(xué)環(huán)境，使學(xué)生可以更自由、更自主地學(xué)習(xí)。

將來，在建設(shè)更多優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的同時，不斷挖掘優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源應(yīng)用新途徑，培養(yǎng)滿足社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的高質(zhì)量新工科食品專業(yè)人才。