趙學(xué)偉,張 華

(1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,河南 鄭州 450001;2.河南省冷鏈?zhǔn)称焚|(zhì)量安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450001)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)有利于學(xué)生加深對理論教學(xué)內(nèi)容的理解,是整個(gè)教學(xué)活動的重要環(huán)節(jié)。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)還可以增強(qiáng)學(xué)生的動手能力、溝通能力、合作能力等。工程教育認(rèn)證現(xiàn)已成為我國高等教育的重要組成部分,其最終目標(biāo)是培養(yǎng)一名合格的工程師[1],而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題能力的重要環(huán)節(jié)。

由于受學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)條件的限制,傳統(tǒng)的動手實(shí)驗(yàn)很難保證每個(gè)學(xué)生得到均等的訓(xùn)練機(jī)會,也很難驗(yàn)證多個(gè)假設(shè)條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。虛擬實(shí)驗(yàn)除具有投資少等優(yōu)點(diǎn)外,通常以形象生動的畫面顯示結(jié)果,很容易激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[2]。在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺上,學(xué)生可以方便地改變輸入條件,基于不同的假設(shè)和模型輸入,得到不同的結(jié)果,驗(yàn)證不同的方案或預(yù)想[3],這有助于培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維能力,還可以提高學(xué)生的參與度,觀察到難以測定的參數(shù)。

虛擬實(shí)驗(yàn)在國外早有應(yīng)用,這幾年在我國也得到了很大發(fā)展。Zillesen最早于1993年[4]將教學(xué)模擬軟件應(yīng)用于食品及生物工程的教學(xué)。Rabi等[5]將食品自然對流冷卻的計(jì)算機(jī)流體力學(xué)模擬引入食品工程的教學(xué)中。近年來,虛擬實(shí)驗(yàn)在我國食品專業(yè)的教學(xué)實(shí)踐中已有應(yīng)用,但重點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)操作[6]或檢測[7]。與此相比,國外的虛擬實(shí)驗(yàn)更注重基于工程原理對加工過程進(jìn)行理論計(jì)算[8],近幾年在可視化、復(fù)雜程度[9,10]以及應(yīng)用范圍[11]方面也在逐步提高。盡管文獻(xiàn)中報(bào)道了一些虛擬實(shí)驗(yàn)軟件[2,6,7,11],但都不能免費(fèi)使用。這里介紹一些筆者在教學(xué)過程中接觸到的幾個(gè)免費(fèi)的食品加工虛擬實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)資源,這些資源,有的僅可以在線運(yùn)行,有的還可以下載,在一定的計(jì)算機(jī)環(huán)境下運(yùn)行。希望這些資源能夠?qū)處煹膶?shí)驗(yàn)教學(xué)有幫助,提高學(xué)生的工程計(jì)算和分析能力。

1 R. Paul Singh教授建立的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺

該平臺(http://www.rpaulsingh.com/learning/virtual/virtual.html)為美國加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校生物與農(nóng)業(yè)工程系、食品科學(xué)與技術(shù)系的食品工程教授R. Paul Singh所創(chuàng)建。共包括23個(gè)實(shí)驗(yàn),點(diǎn)擊每個(gè)實(shí)驗(yàn)后,彈出該實(shí)驗(yàn)的界面,每個(gè)實(shí)驗(yàn)都包含如下內(nèi)容:概述:主要介紹實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮徒虒W(xué)目標(biāo);工業(yè)系統(tǒng):主要介紹該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在工業(yè)上的應(yīng)用或重要性;實(shí)驗(yàn)步驟:十分簡要地描述了實(shí)驗(yàn)過程,必要時(shí)附有圖片;理論:介紹該實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ),必要時(shí)給出了數(shù)學(xué)公式;虛擬實(shí)驗(yàn):該軟件的特點(diǎn)是涉及的很多參數(shù)(包括食品的、介質(zhì)的)都可以人為設(shè)定,采用滑塊或直接輸入數(shù)據(jù),點(diǎn)擊開始實(shí)驗(yàn),曲線呈動態(tài)變化顯示結(jié)果,有些實(shí)驗(yàn)還配有云圖,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸出為csv文件,可以采用Excel打開后自己進(jìn)行數(shù)據(jù)分析;數(shù)據(jù)分析:這是該軟件的亮點(diǎn),一步步地介紹了如何在Excel中處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),必要時(shí)還輔以圖片;此外,還有討論、網(wǎng)絡(luò)資源、參考文獻(xiàn)3方面的內(nèi)容。現(xiàn)將該平臺中各實(shí)驗(yàn)的名稱、內(nèi)容簡介及分析操作的主要內(nèi)容匯總于表1,便于教學(xué)過程中合理選用。

表1 R. Paul Singh虛擬實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要信息匯總

R. Paul Singh于2004年編寫了《Virtual experiments in food processing》一書,2009年又與土耳其安卡拉大學(xué)食品工程系的F. Erdogdu教授合編了該書的第二版,將實(shí)驗(yàn)增加到27個(gè)。與新書配套的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件僅有光盤版。目前已有30多個(gè)國家購買了該軟件,美國有10多所大學(xué)將該虛擬實(shí)驗(yàn)用于教學(xué)[12]。

2 FEPSIM虛擬實(shí)驗(yàn)平臺

該平臺的網(wǎng)址為http://fepsim.food.teithe.gr/fepsim/Default.aspx,來自希臘亞歷山大技術(shù)教育學(xué)院食品技術(shù)系的食品工程過程模擬模塊(FEPSIM)項(xiàng)目。該項(xiàng)目的目的是為教師提供一個(gè)可視化的計(jì)算工具以加強(qiáng)課堂教學(xué)的理論分析部分,幫助學(xué)生更好地理解食品加工過程中的一些現(xiàn)象。平臺構(gòu)建所需的底層數(shù)據(jù)來自采用Matlab、ANSYS CFX/FLUENT軟件對過程的模擬計(jì)算[9]。該平臺共有9個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn),每個(gè)實(shí)驗(yàn)的界面包括3部分:上方為參數(shù)輸入窗口、過程示意圖或模擬動圖及模擬結(jié)果線圖;中間有背景知識和使用說明兩個(gè)按鍵;下面有多道測試題,采用選擇題的形式。下面簡要介紹各實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和功能:

(1)等溫管流?？蛇x用的物料包括水、油、果汁、西紅柿醬、淀粉懸混液,管徑0.1m、管長30m。在選定流體、流速和管壁的粗糙度以后,點(diǎn)擊“update”按鈕,物性參數(shù)自動賦值。然后點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕,開始顯示流體流動的動圖,運(yùn)行結(jié)束后,在最下面以線圖形式給出壓力降沿管長的變化。

(2)非等溫管流。流體僅有水和油兩種,管徑0.1m、管長30m、流體初始溫度291K都為定值,設(shè)定流速、外部加熱流體的溫度和對流換熱系數(shù)。最下面的線圖顯示溫度和通過管壁的熱通量隨時(shí)間的變化。

(3)多層圓筒穩(wěn)態(tài)傳熱。先選定內(nèi)、外流體的溫度和對流傳熱系數(shù)、內(nèi)管管徑(1-3層,可選),再定義各層的厚度及熱導(dǎo)率。點(diǎn)擊刷新,線圖顯示溫度和熱通量沿管徑方向上的變化,三維的過程示意圖也給出溫度變化曲線,可以進(jìn)行圖的旋轉(zhuǎn)和拖動。

(4)多層大平板穩(wěn)態(tài)傳熱?？梢栽O(shè)定大平板兩側(cè)的對流傳熱系數(shù)、溫度,以及平板的數(shù)量、每個(gè)板的厚度和熱導(dǎo)率。點(diǎn)擊刷新即呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

(5)套管換熱器。管內(nèi)流體可以是水或乙醇,管外流體只能是水;可以是同向流或逆流。選定兩流體的流速和進(jìn)口溫度,點(diǎn)擊刷新以后,二流體的密度、黏度、熱導(dǎo)率、比熱自動賦值,最下方的線圖給出管壁熱通量及溫度沿管長的變化。

(6)罐頭殺菌。罐頭的尺寸一定、初溫一定,實(shí)驗(yàn)材料可以是水、濃縮牛奶或熟牛肉,可以勾選是否考慮自然對流。選定外部加熱介質(zhì)的溫度和加熱介質(zhì)與罐頭之間的對流換熱系數(shù)后,點(diǎn)擊運(yùn)行,動圖顯示殺菌過程中的溫度分布,線圖顯示罐頭中心溫度和F值隨殺菌時(shí)間的變化。

(7)攪拌容器內(nèi)液態(tài)食品加熱。圓柱形容器的尺寸和食品初溫固定,物料可以是水或濃縮牛奶,勾選是否考慮自然對流。選定攪拌子的轉(zhuǎn)速和對流傳熱系數(shù)后,點(diǎn)擊運(yùn)行,線圖給出平均溫度隨時(shí)間的變化。

(8)批量式質(zhì)量守恒操作。先加載各種物料組分,定義容器容量,然后通過編輯按鈕定義容器內(nèi)的各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù),根據(jù)實(shí)際情況選擇性定義進(jìn)、出容器的每個(gè)物料流中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和質(zhì)量流量,然后點(diǎn)擊計(jì)算即可。

(9)連續(xù)式質(zhì)量守恒操作。參數(shù)設(shè)置與批量式連續(xù)操作的基本相同,要對每一個(gè)分步驟進(jìn)行定義。

R. Paul Singh平臺中所涉及的計(jì)算較為簡單,對于一些復(fù)雜過程,如果蔬的水冷卻、食品的熱風(fēng)干燥,在分析計(jì)算時(shí)都做了簡化處理。與此相比,FEPSIM平臺中涉及的數(shù)值計(jì)算較為復(fù)雜,其實(shí)際的模擬運(yùn)算結(jié)果是借助于專業(yè)軟件得到的,進(jìn)行了數(shù)據(jù)整合和可視化處理。該平臺的不足在于物料選項(xiàng)有限,一些模塊中的物料的初溫也不可變,但已能夠滿足教學(xué)要求。

3 MESTRAL平臺

MESTRAL是食品加工建模與模擬的法語首字母縮寫,受法國的AgreenCamp項(xiàng)目資助而新近創(chuàng)建,在線平臺上有15個(gè)模塊,各模塊的主要信息匯總于表2。

表2 MESTRAL平臺中各模塊主要信息

續(xù)表2 MESTRAL平臺中各模塊主要信息

MESTRAL的每一個(gè)模塊除含有一個(gè)模擬器外,還包含豐富的上下文信息和背景知識介紹,這些內(nèi)容以概念圖和知識卡的形式呈現(xiàn)。概念圖采用Novak &Gowin[13]提出的標(biāo)準(zhǔn)式樣,且是多層次嵌套的,基于本體論從4個(gè)大的方面建立鄰近層概念之間的關(guān)系,相互間有超鏈接[14]。每個(gè)模塊都有習(xí)題和試題來幫助鞏固已學(xué)的知識。因此,該平臺實(shí)際上是一個(gè)很強(qiáng)的在線學(xué)習(xí)工具,這也是該平臺的顯著特點(diǎn)。

與上述兩虛擬實(shí)驗(yàn)平臺相比,這里所模擬的過程更接近實(shí)際生產(chǎn)過程,從單元操作(如香蕉油炸)到物流鏈(如火腿冷鏈)。很多模型都是基于已發(fā)表的論文,復(fù)雜程度更高,計(jì)算方法也更復(fù)雜,適合食品工程專業(yè)碩士或博士研究生使用。美中不足的是僅“風(fēng)味釋放”模塊翻譯成英文,其他還是法文。

4 可用于免費(fèi)食品加工虛擬實(shí)驗(yàn)的其他平臺

還有一些免費(fèi)的網(wǎng)絡(luò)資源或許并非用于教學(xué)目的,但的確可用于食品虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué),現(xiàn)介紹如下:

4.1 Wolfram演示軟件

Wolfram 演示項(xiàng)目(https://demonstrations.wolfram.com/)是由Wolfram 研究公司發(fā)起并托管,根據(jù)其創(chuàng)始人Stephen Wolfram 命名。Wolfram 演示項(xiàng)目收集很多由世界各地的Mathematica用戶編寫并上傳的交互式演示軟件,現(xiàn)已超過12,000個(gè),免費(fèi)下載。其中關(guān)于傳熱、傳質(zhì)、流體流動、加工單元操作的,以及一些關(guān)于食品力學(xué)性質(zhì)、質(zhì)構(gòu)等品質(zhì)特性的,都可以用于虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)[15]。很多關(guān)于化工單元操作的演示軟件實(shí)際上也是有使用價(jià)值的。熱殺菌是最為常用的單元操作,UMASS 大學(xué)的Peleg 教授[16]編寫了很多這方面的演示軟件,除多個(gè)用于模擬微生物生長外,還有多個(gè)是關(guān)于致死率的,包括: 微生物、細(xì)胞、孢子致死的概率模型、隨機(jī)模型、Weibull 模型等,致死處理可以是熱、冷、化學(xué)保藏劑等。演示軟件所需的播放器下載地址為https://www.wolfram.com/player/。打開下載文件后,界面上方是參數(shù)設(shè)定及結(jié)果顯示圖,下面有關(guān)于該模型構(gòu)建的說明及參考文獻(xiàn),給出該模型構(gòu)建的理論依據(jù)。

4.2 兩個(gè)模擬熟制的軟件

美國弗吉尼亞大學(xué)機(jī)械與航空工程系的Robert J. Ribando教授的個(gè)人主頁(https://www.robertribando.com/)中有多個(gè)傳熱傳質(zhì)教育軟件,每個(gè)軟件可單獨(dú)下載。其中有一個(gè)稱為烤肉(Cooking roast)的軟件。將烤肉看作是圓柱體,熱風(fēng)與烤肉之間為對流傳熱、烤肉內(nèi)部為傳導(dǎo)傳熱。通過參數(shù)輸入定義了樣品的幾何尺寸、熱物性以及對流傳熱系數(shù)以后,點(diǎn)擊“Cook it!”運(yùn)行軟件,以云圖形式顯示烤肉內(nèi)部的溫度變化過程,同時(shí)彈出一個(gè)窗口,以線圖實(shí)時(shí)顯示表面上的中間位置以及中心位置的溫度隨時(shí)間的變化。該軟件還可以通過定義樣品的介電損耗因子來添加內(nèi)部熱源,定義外界溫度用于計(jì)算表面的對外熱輻射通量,從而模擬微波加熱烤肉過程。在運(yùn)行的過程中可以隨時(shí)點(diǎn)擊“Slice”以云圖顯示沿徑向切面的溫度分布。通過File下的save data可以將數(shù)據(jù)拷貝然后存入其他文件。如果勾選Meat Colors則圖中云圖顯示的不是溫度而是烤肉的顏色。實(shí)際上,如果物性參數(shù)定義為其他食品(如土豆)的也可以,這時(shí)模擬的就是烤土豆。

在Comsol的用戶論壇里有一個(gè)名稱為Patty Cooking(烤肉餅)程序(https://cn.comsol.com/model/convection-cooking-of-chicken-patties-448),可以免費(fèi)下載。如果安裝有Comsol軟件,該程序是作為應(yīng)用實(shí)例而包含在安裝包里的。該程序模擬圓形肉餅在底面是鐵板加熱、其他表面是對流傳熱的烤制過程中肉餅的溫度及水分含量的變化,由于Comsol的強(qiáng)大功能,通過后處理還可以展示烤制過程很多物理參量的變化過程。Comsol中打開該文件,配套的PDF文檔有指導(dǎo)建模的詳細(xì)步驟,也是通過上述鏈接下載,學(xué)生可以根據(jù)指導(dǎo)自己需求建模。實(shí)際上,建模訓(xùn)練是培養(yǎng)學(xué)生真正具有解決實(shí)際工程問題能力所必不可少的環(huán)節(jié)。

5 結(jié) 論

文本介紹了可用于食品工程專業(yè)教學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)免費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源,所涉及的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目十分廣泛,從基本的熱質(zhì)傳遞、流體流動,到獨(dú)立的單元操作,再到整個(gè)物流鏈,模擬手段多樣化,復(fù)雜程度不一。其共同特點(diǎn)是:可以改變實(shí)驗(yàn)條件,形象地展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果,具有很好的互動性,所展示的數(shù)據(jù)結(jié)果都是基于對過程的模擬計(jì)算。這些資源基本可以滿足食品工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中多方面、多層次的需求。希望本文所介紹的內(nèi)容能對國內(nèi)食品虛擬實(shí)驗(yàn)資源的開發(fā)有一定的借鑒意義。