孫 華，曲靜然，邵秀芝，于功明

（齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250353）

“食品工藝綜合實(shí)驗(yàn)”是學(xué)校食品專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所掌握的理論知識和技能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作的一門綜合課程，通過實(shí)驗(yàn)，不僅可以鞏固所學(xué)的各種理論知識，而且能夠培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力和數(shù)據(jù)處理能力，以及分析問題和解決問題的能力，并培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。傳統(tǒng)的“食品工藝綜合實(shí)驗(yàn)”，往往受到實(shí)驗(yàn)場地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及教學(xué)投入資金等條件的限制，從而實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇需考慮諸多因素，無法順應(yīng)日新月異的工業(yè)化發(fā)展，不利于培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用型人才。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合了先進(jìn)的教學(xué)思想和現(xiàn)代化教學(xué)手段，已廣泛應(yīng)用于高等學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，為操作者提供了一個(gè)人機(jī)交互、開放式的虛擬環(huán)境。虛擬仿真集文字、圖形、圖像、三維動(dòng)畫和聲音于一體，具有沉浸性、交互性、虛幻性、逼真性等特點(diǎn)[1]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目是現(xiàn)代信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度整合的產(chǎn)物，運(yùn)用多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等信息技術(shù)依據(jù)食品生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)區(qū)規(guī)劃、儀器設(shè)備、生產(chǎn)流程開發(fā)而成[2]。食品工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容精彩、技術(shù)先進(jìn)、做法靈活、生產(chǎn)設(shè)備立體化，產(chǎn)品生產(chǎn)過程剖視化，整個(gè)生產(chǎn)過程從原料到產(chǎn)品清晰明了，有利于拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)廣度和深度及推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)和生產(chǎn)工廠化的平衡發(fā)展，能夠獲得教學(xué)環(huán)境企業(yè)化、實(shí)驗(yàn)手段信息化、實(shí)驗(yàn)過程高效化的功效，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，具有危險(xiǎn)程度低、學(xué)生興趣濃和可實(shí)現(xiàn)工廠化等特點(diǎn)[3]。在傳統(tǒng)“食品工藝實(shí)驗(yàn)”的基礎(chǔ)上引入虛擬仿真技術(shù)，既能有效解決因空間、時(shí)間、資源限制導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無法開設(shè)的問題，而且能使實(shí)驗(yàn)過程工廠化，緊密與生產(chǎn)實(shí)際相聯(lián)系，切實(shí)提高學(xué)生的參與度和積極性，完善考核制度，提高教學(xué)質(zhì)量，從而提升學(xué)生的實(shí)踐能力[4]。

因此，從學(xué)?！笆称饭に嚲C合實(shí)驗(yàn)”的現(xiàn)狀出發(fā)，結(jié)合實(shí)際，立足專業(yè)，將虛擬仿真技術(shù)融于傳統(tǒng)教學(xué)，從而提高“食品工藝綜合實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)質(zhì)量。

1 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容增加綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

不管是傳統(tǒng)教學(xué)還是虛擬仿真，“食品工藝綜合實(shí)驗(yàn)”的目的是將所學(xué)的理論知識應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，并在此過程中考核學(xué)生的知識掌握度、操作的正確熟練度、解決問題的能力，以及培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一個(gè)重要方面是優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增加綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，以適應(yīng)人才培養(yǎng)目標(biāo)和國內(nèi)外食品工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，從而在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上開設(shè)具有綜合性、設(shè)計(jì)性強(qiáng)，體現(xiàn)現(xiàn)代先進(jìn)工藝技術(shù)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，削減以驗(yàn)證理論為主且內(nèi)容單一的實(shí)驗(yàn)[5-6]。

學(xué)校食品工藝綜合實(shí)驗(yàn)共包括18個(gè)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)每年的具體情況從中篩選所需學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)12～15個(gè)，其中將設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)增加到30%，綜合性實(shí)驗(yàn)占20%，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)占50%。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)主要為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)鍛煉學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能，掌握食品制作工藝流程、操作條件和實(shí)驗(yàn)技能，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)和研究奠定基礎(chǔ)。例如，焙烤實(shí)驗(yàn)中普通面包、月餅和酥性餅干的制作等，分別作為面制品的代表品種，讓學(xué)生了解這3類食品的典型制作工藝，包括面粉面筋的測定、面粉的選擇、糖的種類和添加等，使學(xué)生將所學(xué)的理論知識應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)中，并通過親身體驗(yàn)加深對知識的理解和感悟；設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)占總數(shù)的30%，包括蛋糕的制作、食品功能性成分的提取、果汁果凍的制作等，是在一定條件下，由學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識和閱讀大量文獻(xiàn)自主確定實(shí)驗(yàn)主題，通過小組探討確定實(shí)驗(yàn)方案，然后從實(shí)驗(yàn)材料的準(zhǔn)備、儀器設(shè)備的操作學(xué)習(xí)、工藝流程的調(diào)整確定、實(shí)驗(yàn)操作的完成、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整理和分析等整個(gè)過程獨(dú)立完成，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的整個(gè)流程，使學(xué)生充分理解實(shí)驗(yàn)的目的與要求，了解所用原料的品質(zhì)特性，明確實(shí)驗(yàn)方法及工藝參數(shù)的合理性和產(chǎn)品的品質(zhì)特性。如果遇到問題，首先要求學(xué)生通過查找資料、小組討論來尋找解決方法，然后再通過請教教師探討所遇到問題，最終獲得滿意的結(jié)果。

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)從選題到實(shí)驗(yàn)，學(xué)生始終處于思考探索的情境中，完全做到以學(xué)生為主，教師為輔，充分發(fā)揮了學(xué)生的主體地位，充分鍛煉和激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，能使其初步掌握科學(xué)研究的思維方式[7]；綜合性實(shí)驗(yàn)是將食品專業(yè)的各個(gè)知識點(diǎn)運(yùn)用到食品工藝學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如植物蛋白飲料、渾濁果蔬汁飲料、蘋果清汁、肉制品的制作等，要考慮實(shí)驗(yàn)原料、實(shí)驗(yàn)條件、檢測方法、品評體系等對實(shí)驗(yàn)的影響，將各門實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容串聯(lián)起來，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為一個(gè)密不可分的有機(jī)整體，大大提高學(xué)生的積極性，而且使學(xué)生在做中學(xué)、學(xué)中做，充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，切實(shí)提高實(shí)踐能力，以及分析問題、解決問題的能力。

2 將虛擬仿真融合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有利于提高教學(xué)質(zhì)量

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中大部分是分組實(shí)驗(yàn)、分工合作，學(xué)生可以自己動(dòng)手，但學(xué)生個(gè)人沒有機(jī)會(huì)操作完整的實(shí)驗(yàn)。而且由于場地、設(shè)備等的限制，并不是每個(gè)人都能操作所有設(shè)備，從而造成只能部分學(xué)生親自動(dòng)手操作儀器，有的實(shí)驗(yàn)只能是極少人動(dòng)手操作，如酸奶制作和油脂提取等，而虛擬仿真技術(shù)使學(xué)生身處一個(gè)真實(shí)環(huán)境模擬的虛擬狀態(tài)，從而解決因空間和資金不足而導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)設(shè)備不齊全的問題[8]。

2.1 完善課程設(shè)置，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

隨著科技的不斷進(jìn)步和儀器的不斷更新，許多實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的項(xiàng)目有了新的實(shí)驗(yàn)方法，這些方法各有利弊，適用于不同的加工需求。但是，由于課時(shí)和經(jīng)費(fèi)的限制，學(xué)生不能在有限的時(shí)間內(nèi)將所有不同的方法都實(shí)際操作一次，而僅僅通過理論的講解無法切實(shí)體會(huì)不同方法之間的區(qū)別，因此在教學(xué)中將傳統(tǒng)教學(xué)和虛擬仿真技術(shù)結(jié)合，使學(xué)生切身體驗(yàn)差異，從而達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合的目的。例如，在進(jìn)行油脂的提取實(shí)驗(yàn)時(shí)，傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生使用有機(jī)溶劑浸提，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中采用亞臨界流體萃取和超臨界CO2萃取技術(shù)，這2種設(shè)備是新型提取設(shè)備，無法實(shí)現(xiàn)每個(gè)人具體操作。但是，通過虛擬仿真，每個(gè)學(xué)生在樣品選擇、試劑添加、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)流程操作、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等過程中親自參與、操作，完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，鞏固了所學(xué)知識，激發(fā)了學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力。

2.2 虛擬仿真模擬生產(chǎn)線，有利于專業(yè)技能培養(yǎng)

由于場地和經(jīng)費(fèi)的原因，許多食品工藝實(shí)驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室模式，與現(xiàn)實(shí)中的規(guī)?；称飞a(chǎn)有所差異，當(dāng)今的食品工廠大部分采用生產(chǎn)線生產(chǎn)，以便提高生產(chǎn)效益。通過虛擬仿真平臺，如酸乳的制作，模擬整個(gè)車間的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)線的運(yùn)行，幫助學(xué)生了解酸奶生產(chǎn)實(shí)踐中從原料奶到產(chǎn)品的整個(gè)生產(chǎn)過程，所用設(shè)備型號及參數(shù)清晰明了，通過該操作的完成明確液態(tài)奶在管道和罐體中的整個(gè)走向，管道和罐體是酸奶生產(chǎn)的關(guān)鍵，也是CIP清洗的典型，通過虛擬仿真可以清楚地看到原料奶通過管道的傳遞到達(dá)各個(gè)罐體進(jìn)行各種操作的具體流程和生產(chǎn)完后CIP清洗消毒時(shí)各種試劑的流通過程。因此，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生將課堂上、實(shí)驗(yàn)室中所學(xué)的內(nèi)容與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，提升學(xué)生的綜合應(yīng)用能力[9]。

2.3 虛實(shí)結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)

在應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行“食品工藝綜合實(shí)驗(yàn)”教學(xué)時(shí)，應(yīng)以真實(shí)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，虛擬仿真技術(shù)為輔，不能一味地依賴于虛擬仿真技術(shù)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的重要性無可取代。在虛擬實(shí)驗(yàn)中，是按照既定的步驟進(jìn)行操作，具體操作是機(jī)器按照所設(shè)定的程序進(jìn)行，因此很多現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)可能出現(xiàn)的情況不能完全真實(shí)展現(xiàn)出來，會(huì)導(dǎo)致很多錯(cuò)誤被忽略和規(guī)避，而這些錯(cuò)誤可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生很大誤差甚至失敗[10]。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建成后，不應(yīng)完全依賴于虛擬效果，而應(yīng)“以虛補(bǔ)實(shí)”“虛實(shí)結(jié)合”。虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)二者各有利弊，應(yīng)相互結(jié)合、優(yōu)勢互補(bǔ)，在課程設(shè)置中合理分配安排這2種實(shí)驗(yàn)[11]。

如何將虛擬仿真與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有利結(jié)合，教師在此過程中發(fā)揮著更加重要的作用，在課堂上要將理論學(xué)習(xí)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)體實(shí)驗(yàn)相互補(bǔ)充、相互結(jié)合。在進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)之前，講解傳統(tǒng)理論時(shí)融入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K，將實(shí)驗(yàn)中所涉及的實(shí)驗(yàn)原理和反應(yīng)過程等實(shí)體實(shí)驗(yàn)中無法看到的現(xiàn)象呈現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生更加直觀地理解理論知識和內(nèi)部原理，提高學(xué)習(xí)興趣。而且學(xué)生可反復(fù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，逐步理解每一個(gè)設(shè)備的作用、每一步操作的意義、參數(shù)設(shè)定的依據(jù)和整體流程順序的重要性，通過不斷嘗試，使學(xué)生充分理解和掌握實(shí)驗(yàn)的精髓，在此過程中如果出現(xiàn)問題可以及時(shí)將問題反饋給教師，教師亦可同步進(jìn)行線上指導(dǎo)；在充分理解實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再通過實(shí)體實(shí)驗(yàn)，由學(xué)生自主完成，將自己動(dòng)手所得的結(jié)果與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相比較得出自己的實(shí)驗(yàn)心得。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室2種不同方式的教學(xué)，對學(xué)生而言是一種全新的體驗(yàn)，對教師同樣有著更高的要求，必須不斷補(bǔ)充自己的知識庫，而且還要積極與企業(yè)交流，切實(shí)掌握新動(dòng)態(tài)、新方法。同樣，教師可對學(xué)生學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)加以整理、對比，據(jù)此可進(jìn)一步對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化[12]。

2.4 考核形式多樣化，更具全面性

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫和實(shí)驗(yàn)過程的操作進(jìn)行評分，但是很多學(xué)生并沒有參與其中，因此分?jǐn)?shù)存在一定的不公平性。而經(jīng)過教學(xué)內(nèi)容的重新設(shè)計(jì)和教學(xué)方式的改革后，增加了具備實(shí)驗(yàn)預(yù)約、課前預(yù)習(xí)、下載資料、互動(dòng)討論、上傳實(shí)驗(yàn)報(bào)告、系統(tǒng)監(jiān)控等功能的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，教師可對學(xué)生的預(yù)習(xí)測驗(yàn)情況、實(shí)驗(yàn)過程、討論與思考情況、實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量等多方面進(jìn)行考核評價(jià)。因此，考核形式實(shí)現(xiàn)了多樣化，除了實(shí)驗(yàn)報(bào)告之外，還包括設(shè)計(jì)方案、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成績，能夠更加全面地評價(jià)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)。

3 結(jié)語

總之，針對“食品工藝綜合實(shí)驗(yàn)”教學(xué)的開展，學(xué)校已經(jīng)建成了肉制品加工、植物蛋白飲料、酸乳加工和油脂加工四大虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，后續(xù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容還將進(jìn)一步完善。2021年第一次啟用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，首先教師進(jìn)行了認(rèn)真詳細(xì)的培訓(xùn)，構(gòu)建了合理的教學(xué)隊(duì)伍，完全能夠勝任接下來的教學(xué)任務(wù)；再將虛擬仿真技術(shù)用于“食品工藝綜合實(shí)驗(yàn)”時(shí)，使學(xué)生更好地了解了企業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際場景，更加清楚了整個(gè)生產(chǎn)工藝流程，學(xué)生普遍反映受益匪淺，表示自己仿佛置身于工廠，增加了使命感，沒有了依賴性，充滿了責(zé)任感，提高了專業(yè)的熱愛度；在進(jìn)行傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，學(xué)生很自然地將理論知識與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，嚴(yán)格按照步驟進(jìn)行，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，從而有利于高校應(yīng)用創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。