王進英，院珍珍，陳霞，韓麗娟，葉英，劉薈萃，秦艷婷，李彩嬌，王樹林

（青海大學(xué)，西寧 810016）

食品科學(xué)與工程是將基礎(chǔ)學(xué)科和工程學(xué)的理論運用于研究食品基本的物理、化學(xué)和生物化學(xué)性質(zhì)及食品加工原理的一門應(yīng)用型學(xué)科。青海大學(xué)食品科學(xué)與工程專業(yè)開展實驗教學(xué)旨在培養(yǎng)學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力，讓學(xué)生在掌握食品科學(xué)與工程基本理論基礎(chǔ)上，進一步了解食品加工單元操作和食品工廠的規(guī)劃、生產(chǎn)及管理，從而具備解決食品工業(yè)生產(chǎn)及發(fā)展實際問題的能力。目前，青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院動科系食品科學(xué)與工程專業(yè)為實驗教學(xué)方式改革做了很多探索和努力，但實驗教學(xué)的質(zhì)量和效果不夠明顯。因此借助新興虛擬仿真教學(xué)手段，將視、聽、觸等多種感知的虛擬實驗環(huán)境融入實驗教學(xué)，能更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升實踐教學(xué)質(zhì)量。

一、虛擬仿真實驗教學(xué)現(xiàn)狀

虛擬仿真實驗教學(xué)的推廣順應(yīng)了教育信息化的發(fā)展趨勢和現(xiàn)實需要，推動了高校實驗教學(xué)改革和創(chuàng)新，是“虛擬現(xiàn)實+教育”深度融合的產(chǎn)物[1-3]。2012年，教育部印發(fā)了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》，倡導(dǎo)借助信息技術(shù)與高等教育深度融合，促進人才培養(yǎng)機制創(chuàng)新；2013—2015年，以“科學(xué)規(guī)劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續(xù)發(fā)展”為指導(dǎo)思想，教育部遴選出300 個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，為實驗教學(xué)方法改革與實驗資源建設(shè)創(chuàng)新開創(chuàng)了新局面；2017年，教育部辦公廳印發(fā)了《2017 年教育信息化工作要點》和《關(guān)于2017—2020 年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》兩個重要文件，鼓勵開展虛擬仿真實驗共享平臺建設(shè)以適應(yīng)教育信息化的國際形勢。同年，教育部啟動示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目認定工作，2018 年確定名稱為國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目為國家級“金課”。教育部對虛擬仿真實驗教學(xué)的重視程度，大力推動了虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)[4-6]。

二、開展虛擬仿真實驗教學(xué)的目的

（一）解決因?qū)嶒灴臻g和時間限制降低實驗教學(xué)效率的瓶頸問題

青海大學(xué)食品科學(xué)與工程專業(yè)每個年級約120人，本專業(yè)現(xiàn)有實驗室空間僅能容納30～40 人同時開展實驗課程教學(xué)。因此，實驗過程中，學(xué)生單獨熟悉設(shè)備和實際操作的時間有限，在客觀條件上不利于培養(yǎng)學(xué)生良好的實驗動手能力。常規(guī)課程實驗，一般每個班分為4～5組，每組7～8人，由于實驗內(nèi)容較多，部分學(xué)生沒有參與其中。綜合性大實驗，多個班級輪流使用實驗室也給實驗教學(xué)帶來了一定困難。此外，由于涉及實驗室制度和人員配備等方面的限制，本專業(yè)實驗室的開放程度并不夠，學(xué)生一般只能在實驗課規(guī)定的學(xué)時內(nèi)做實驗，不能隨時隨地利用課余時間做實驗，降低了學(xué)生上實驗課的熱情。

（二）解決教學(xué)成本與設(shè)備條件限制學(xué)生動手操作機會的問題

食品科學(xué)與工程專業(yè)實驗課程實驗項目繁多，所需原料、儀器種類也很多。實驗室配置的大型精密儀器及加工設(shè)備，具有操作不當(dāng)易引起損壞、設(shè)備維護復(fù)雜且費用高和體積大的特點[7]。例如，食品分析實驗中關(guān)于氣相、液相操作等實驗項目。涉及此類實驗儀器的實驗，老師講解與操作演示，學(xué)生在一旁觀看，這就降低了學(xué)生的積極主動性，導(dǎo)致師生之間的互動性差，影響了實驗教學(xué)效果。此外，精密儀器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，即使老師在現(xiàn)場做情景化、實時化的演示實驗，無法拆解儀器，學(xué)生也難以對該儀器設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)造進行深入和全面地了解。學(xué)生獨立操作的機會也很少，影響學(xué)生動手能力的提高。

（三）解決受安全性風(fēng)險限制部分實驗項目開設(shè)的問題

食品科學(xué)與工程專業(yè)實驗課程中用到的化學(xué)試劑大多易燃、易揮發(fā)，并具有一定的腐蝕性和毒性，如凱氏定氮法測定粗蛋白和索氏抽提法測定粗脂肪中用到的濃硫酸和乙醚。此外，食品加工單元中多設(shè)計高溫、高壓等條件，且一些精密儀器的長時間使用存在輻射危害。從而限制了實驗教學(xué)過程中部分實驗項目的開設(shè)，使得實驗內(nèi)容比較單一。

（四）解決食品的鏈式加工使得有些實驗在實驗室難以實現(xiàn)的問題

現(xiàn)代食品的加工多是電腦中央化控制的自動化鏈式生產(chǎn)，不再是單元設(shè)備的簡單連接?，F(xiàn)階段，實驗室中的設(shè)備多為單元操作設(shè)備，無法培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)知識的綜合應(yīng)用能力。而在實驗室建立產(chǎn)業(yè)化的鏈式食品加工線也并不現(xiàn)實，如青稞粉的生產(chǎn)線（包括清理、調(diào)制、脫皮、碾米、研磨、篩分、清粉、刷麩和成品整理等環(huán)節(jié)）。因此，可采用虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)學(xué)生對食品鏈式加工的認知。

（五）解決食品專業(yè)知識和實驗技術(shù)片段化，沒有形成整體體系的問題

青海大學(xué)食品科學(xué)與工程的課程體系由通識課程、學(xué)科基礎(chǔ)課程、專業(yè)基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程四部分組成，課程設(shè)置的板塊化，需要學(xué)生學(xué)習(xí)完各個課程后，將食品學(xué)科整個知識點和實驗技術(shù)整合起來。知識點和實驗技術(shù)的片段化需要學(xué)生提高自身的綜合水平，將所學(xué)知識和技能靈活應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。例如：食品化學(xué)主要介紹了食品中主要營養(yǎng)素的化學(xué)特性，食品工藝學(xué)主要介紹了食品加工中用到的各種工藝，學(xué)生需要片段化學(xué)習(xí)，再將兩者綜合起來。

（六）解決受生產(chǎn)企業(yè)食品質(zhì)量控制及安全管理限制，學(xué)生生產(chǎn)實習(xí)受到限制的問題

現(xiàn)代食品加工企業(yè)具有嚴格的食品質(zhì)量及安全管理制度，學(xué)生進入車間實習(xí)前需要進行體檢、辦理健康證等一系列程序。因此，學(xué)生無法結(jié)合課程理論學(xué)習(xí)及時進行生產(chǎn)技能訓(xùn)練為主的生產(chǎn)實習(xí)；受風(fēng)險管控及安全規(guī)定限制，學(xué)生進入車間實習(xí)也無法進行設(shè)備操作、設(shè)備控制等實踐技能訓(xùn)練，大多時候只能是參觀式的實習(xí)，學(xué)生集中生產(chǎn)實習(xí)期間，也只能在包裝車間、倉儲等環(huán)節(jié)實習(xí)，極大地限制了學(xué)生生產(chǎn)實習(xí)的效果。

（七）解決現(xiàn)有專業(yè)培養(yǎng)模式無法形成以食品加工為中心的全產(chǎn)業(yè)鏈知識體系的問題

隨著我國鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實施，以食品加工為中心的農(nóng)產(chǎn)品加工產(chǎn)業(yè)成為實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的主要產(chǎn)業(yè)。在我國新農(nóng)村建設(shè)及鄉(xiāng)村振興大背景下，對食品科技人才專業(yè)技能的要求涉及產(chǎn)前（種植、研制）、產(chǎn)中（加工）和產(chǎn)后（消費），而目前食品科學(xué)與工程專業(yè)人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)主要集中于加工的理論和知識，而忽略了產(chǎn)前和產(chǎn)后知識的學(xué)習(xí)。

三、青稞種植與加工虛擬仿真實驗體系的構(gòu)建

青稞作為青藏高原地區(qū)極具特色和文化內(nèi)涵的農(nóng)作物，有著悠久的種植歷史，是青海省特色農(nóng)牧業(yè)發(fā)展的重要組成部分。本項目以青稞為原料，從青稞種植、加工為切入點，結(jié)合糧油食品工藝學(xué)實驗、食品分析實驗、食品化學(xué)實驗和食品發(fā)酵工程設(shè)計性實驗等四門實驗課程的內(nèi)容，以能實不虛、虛為實用、虛實結(jié)合為原則[8]，構(gòu)建虛實結(jié)合、多元一體青稞種植及加工虛擬仿真實驗教學(xué)體系。

四、青稞種植與加工虛擬仿真實驗教學(xué)體系的組成

（一）青稞種植及收割3D 虛擬仿真實驗

青稞種植及收割3D 虛擬仿真軟件包括實驗預(yù)習(xí)、拓展學(xué)習(xí)和線上實操三部分。實驗預(yù)習(xí)中介紹了實驗內(nèi)容、認知學(xué)習(xí)和操作指南。拓展學(xué)習(xí)中介紹了青稞病蟲害識別及防治、青稞品質(zhì)控制、青稞營養(yǎng)成分及污染物檢測和青稞種植及收割過程中的部分栽培技術(shù)及主要農(nóng)機。線上實操是本項目的重點內(nèi)容，對青稞種植及收割過程中的選地整地、播種作業(yè)、田間管理、適時收割都進行了虛擬仿真設(shè)計。學(xué)生通過虛擬仿真軟件PC 版和VR 版的操作，不僅可了解青稞各季節(jié)生長狀況、種植準備工作、田間管理和機械化收割操作過程，還可以掌握青稞營養(yǎng)成分（蛋白質(zhì)、粗脂肪、γ-氨基丁酸）和污染物（重金屬和農(nóng)藥殘留）測定的基本原理，為青稞種植及收割提供技術(shù)指導(dǎo)奠定良好的基礎(chǔ)。

青稞種植及收割3D 虛擬仿真軟件參照青稞現(xiàn)實種植農(nóng)場布局，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，按實際實習(xí)過程完成交互，完整再現(xiàn)了青稞種植過程中的整地、播種、田間管理等過程。軟件的3D 操作畫面具有環(huán)境真實感強、操作靈活性和獨立自主性的特點，學(xué)生可自行查看農(nóng)機設(shè)備的組成部分，發(fā)現(xiàn)實際操作過程中的一些盲點，為學(xué)生提供了一個自主解決問題的實驗平臺，有利于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，同時也增強了學(xué)習(xí)的趣味性。通過對虛擬軟件的操作演練，學(xué)生能進一步掌握專業(yè)知識，了解青稞種植及收割的實際環(huán)境，培訓(xùn)基本動手能力，為將來進行實踐操作奠定良好基礎(chǔ)?？己朔绞街饕蟹抡骓椖靠荚嚭屠碚摽荚嚨?。系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)的完成情況進行評定，判斷是否得分。在虛擬教學(xué)平臺中，系統(tǒng)實時顯示得分，對成績進行統(tǒng)計，有助于教師對學(xué)生進行的項目進行統(tǒng)一啟動和控制。

（二）青稞γ-氨基丁酸粉加工虛擬仿真實驗教學(xué)軟件

青稞γ-氨基丁酸粉加工虛擬仿真實驗軟件也包括知識預(yù)習(xí)、線上實操和拓展學(xué)習(xí)三個模塊。知識預(yù)習(xí)模塊中包括γ-氨基丁酸簡介、黑青稞簡介、設(shè)備與工藝介紹和車間操作規(guī)范四部分。線上實操包括原料清理、萌芽培養(yǎng)和磨粉包裝三部分。拓展學(xué)習(xí)包括γ-氨基丁酸粉功能性食品研發(fā)、谷物加工制粉工藝及拓展測驗。該平臺對原料清理、萌芽培養(yǎng)、磨粉包裝和γ-氨基丁酸含量測定進行了虛擬仿真設(shè)計，完整再現(xiàn)了青稞γ-氨基丁酸粉生產(chǎn)的原料驗收、清理、γ-氨基丁酸培養(yǎng)、制粉和包裝等操作過程。學(xué)生通過虛擬仿真軟件PC 版和VR版的操作，掌握青稞制粉工藝機械設(shè)備運行原理和青稞γ-氨基丁酸粉制備工藝，了解青稞的籽粒品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)及加工品質(zhì)和青稞制粉車間良好操作規(guī)范（GMP）。

青稞γ-氨基丁酸粉加工過程由多個單元操作構(gòu)成，其中涉及多個操作步驟及多種復(fù)雜的儀器設(shè)備，另外實踐操作的時間周期長，因此在工廠的實踐教學(xué)開展過程中面臨著效率低的問題。學(xué)生對實踐加工過程中具體操作儀器的認知往往停留在表觀階段，不能理解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理，所以達不到較理想的實習(xí)效果。青稞γ-氨基丁酸粉加工虛擬仿真實驗教學(xué)軟件依據(jù)青稞制粉試車間實際布局搭建模型，按實際實驗過程完成交互，對青稞γ-氨基丁酸粉加工過程中儀器設(shè)備進行動態(tài)拆解、原理分析及考核學(xué)生自主裝配，學(xué)生通過對該軟件的操作練習(xí)，能了解青稞γ-氨基丁酸粉加工生產(chǎn)的實際操作環(huán)境和相關(guān)儀器設(shè)備的基本原理，培訓(xùn)了基本動手能力，為后續(xù)進行實踐奠定良好基礎(chǔ)。在考核模式中，系統(tǒng)不會給出操作提示，操作正確時得分，錯誤時不得分，學(xué)生可以實時查看自己的得分情況及扣分原因，及時地做出調(diào)整，最終的評算是未扣除的分值之總和。

（三）青稞酒釀造虛擬仿真實驗

青稞酒是青海省特色農(nóng)產(chǎn)品，是青稞的主要產(chǎn)品。青稞酒釀造虛擬仿軟件包括培訓(xùn)和考核兩種模式。在培訓(xùn)模式中，學(xué)生通過虛擬仿真軟件PC 版和VR 版的操作，先后學(xué)習(xí)開窖起糟（黃水鑒定、母糟鑒定和續(xù)糟配料準備等）、上甑蒸餾（上甑操作、看花摘酒、糧食蒸煮糊化）、攤晾下曲（打量水、攤晾和下曲等）、入窖管理（入窖、踩窖、封窖和窖池養(yǎng)護等），通過虛擬場景交互式操作，進行青稞酒釀造實訓(xùn)實驗訓(xùn)練，掌握固態(tài)發(fā)酵技術(shù)。根據(jù)系統(tǒng)中的指引掌握青稞酒酒曲制作工藝、酒釀造工藝及青稞酒風(fēng)味物質(zhì)的檢測，除此之外還能了解青稞酒的罐裝和包裝工藝。而在考核模式中，系統(tǒng)中不顯示指引信息，學(xué)生要根據(jù)培訓(xùn)模式下的學(xué)習(xí)自行完成各項學(xué)習(xí)任務(wù)和操作。

青稞酒釀造仿真實驗項目是一個虛擬基礎(chǔ)化學(xué)模擬操作平臺，具有三維、高仿真度、高交互操作、全程參與式和可提供實時信息反饋與操作指導(dǎo)的特點。參照青稞酒釀造工廠實際布局搭建，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，按實際實習(xí)過程完成交互，完整再現(xiàn)了青稞酒釀造過程中的開窖起糟、上甑蒸餾、攤晾下曲和入窖管理等操作過程。學(xué)生經(jīng)本平臺上的操作練習(xí)，進一步熟悉專業(yè)基礎(chǔ)知識、了解青稞酒釀造工廠的實際操作環(huán)境，有助于培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)應(yīng)用型人才。虛擬仿真實驗考核，教師可通過基于局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信與控制軟件的教師站，對學(xué)員機的項目進行統(tǒng)一啟動和控制。

（四）青稞酸奶加工虛擬仿真平臺

青稞酸奶加工虛擬仿真軟件包括兩個實習(xí)環(huán)節(jié)：工廠認知、工廠實訓(xùn)。工廠實訓(xùn)又分為四個培訓(xùn)項目：原料乳預(yù)處理、配料、殺菌和酸乳發(fā)酵。工廠認知是通過PC端學(xué)習(xí)以下主要內(nèi)容：酸乳工廠GMP 要求及衛(wèi)生規(guī)范要求，工廠與車間布局，酸乳生產(chǎn)工藝流程，各個工序的操作要求及關(guān)鍵控制點，掌握乳制品加工重點設(shè)備原理、運行與維護等內(nèi)容，對關(guān)鍵工藝設(shè)備的虛擬拆分，較為直觀展示和講解凈乳機、高壓均質(zhì)機、單效降膜蒸發(fā)器的構(gòu)造和原理。

工廠實訓(xùn)通過VR 端或PC 端進入，虛擬再現(xiàn)酸乳生產(chǎn)實景。該環(huán)節(jié)將酸乳加工主要分為四個工段，分別為原料乳預(yù)處理（原料乳驗收及貯存、凈乳、蒸發(fā)濃縮、均質(zhì)、預(yù)殺菌各工序的操作及參數(shù)控制）、配料（配方設(shè)計，配料工序的操作及參數(shù)控制）、殺菌（殺菌工序的操作及參數(shù)控制）、發(fā)酵（發(fā)酵工序的操作及參數(shù)控制），包含交互式操作。學(xué)習(xí)者跟隨酸乳生產(chǎn)工藝流程依次進入對應(yīng)生產(chǎn)車間，進行自主式、交互式的理論知識學(xué)習(xí)。

酸乳生產(chǎn)實習(xí)是食品專業(yè)生產(chǎn)實習(xí)環(huán)節(jié)中的一項重要任務(wù)。而課堂教學(xué)僅僅是進行工廠認知及工藝講解，學(xué)生很難對此進行全面、系統(tǒng)地學(xué)習(xí)和實踐，又因進入工廠的實踐教學(xué)開展面臨高成本、高危險和耗時長的瓶頸，同時，隨著食品企業(yè)生產(chǎn)衛(wèi)生安全規(guī)范執(zhí)行的日益嚴格，學(xué)校很難大批量地安排學(xué)生到企業(yè)進行實踐學(xué)習(xí)。因此，學(xué)生目前普遍缺乏對酸乳工廠與生產(chǎn)線的認識及實踐訓(xùn)練，實習(xí)效果往往不夠理想，學(xué)生普遍反饋體驗差。通過虛擬仿真實習(xí)的方式能有效彌補現(xiàn)有實習(xí)教學(xué)的缺陷。學(xué)生通過對酸乳生產(chǎn)仿真實習(xí)軟件的操作練習(xí)，進一步熟悉掌握酸乳生產(chǎn)工藝、乳品加工安全生產(chǎn)規(guī)范、車間主要設(shè)備與工廠布局及產(chǎn)品品質(zhì)標準。使學(xué)生能夠以獨立或團隊合作方式按生產(chǎn)任務(wù)完成各工序任務(wù)，提高基本動手能力，以滿足發(fā)酵乳制品課堂教學(xué)的目的與行業(yè)對專業(yè)人才的需求。

五、基于虛擬仿真軟件的實踐教學(xué)體系

基于青稞種植與加工虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，青海大學(xué)食品科學(xué)與工程專業(yè)對實驗和實踐教學(xué)體系進行了改革，形成了虛擬仿真、實驗教學(xué)、生產(chǎn)實習(xí)和教學(xué)改革“三位一體”的農(nóng)產(chǎn)品加工課程實踐教學(xué)新體系。實驗教學(xué)方面，糧油食品工藝學(xué)實驗、食品工藝學(xué)實驗、食品分析實驗、食品化學(xué)實驗和食品發(fā)酵工程設(shè)計性實驗等實驗課程圍繞虛擬仿真實驗教學(xué)平臺補充完善教學(xué)內(nèi)容、拓展修改考核方式、充分利用信息化實驗教學(xué)方法和手段激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，強化了理論知識學(xué)習(xí)和實驗實踐的銜接性。專業(yè)生產(chǎn)實習(xí)方面，融合虛擬仿真實驗教學(xué)平臺和專業(yè)生產(chǎn)實習(xí)，在學(xué)生進行專業(yè)實習(xí)前，利用虛擬仿真實驗教學(xué)平臺完成認知學(xué)習(xí)和安全意識培訓(xùn)，為后續(xù)專業(yè)實習(xí)實踐奠定了良好的基礎(chǔ)。結(jié)合虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，改革實驗和實踐教學(xué)模式，構(gòu)建新教學(xué)體系，提升了青海大學(xué)食品科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和實踐能力。

六、結(jié)束語

虛擬仿真教學(xué)作為一種新的教學(xué)方式，不僅為課堂教學(xué)提供了信息化技術(shù)手段，而且可顯著提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。將課堂中理論知識的刻板講解，轉(zhuǎn)換為自動引導(dǎo)性、可重復(fù)和趣味性強的計算機虛擬操作，夯實學(xué)生對專業(yè)理論知識的掌握，提升學(xué)生對實驗課程的主動性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成效，開拓學(xué)生課外知識范圍，從而實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)目的，對于青海大學(xué)食品科學(xué)與工程專業(yè)實驗教學(xué)模式改革具有重要意義。構(gòu)建青稞種植與加工虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，以虛擬仿真教學(xué)為突破口，探索食品科學(xué)與工程新工科建設(shè)的思路和途徑，獲得創(chuàng)新性的教學(xué)成果，為青海大學(xué)食品科學(xué)與工程本科專業(yè)發(fā)展和建設(shè)一流專業(yè)奠定基礎(chǔ)。