工科仿真实践教学用工具的开发*——柠檬酸发酵生产仿真软件的开发与应用

◆赵海波 林剑 于贞 姜爱莉

作者：赵海波，烟台大学海洋学院讲师，研究方向为工科实验教学改革；林剑，烟台大学生命学院副教授；于贞，烟台大学生命学院讲师；姜爱丽，烟台大学生命学院教授（264005）。

1 前言

实践教学是高等工科教育教学中的重要组成部分。通过实践教学，可以帮助学生巩固课堂知识、培养其专业基本技能、养成并具备良好的创新习惯。可是，在实际教学实施过程中存在诸多问题。

首先，能够接受学生去实习的企业数量有限，学生数量又较多，都到企业或工厂进行实习，给工厂带来较大的压力。

其次，工厂现在都是大规模连续生产，生产过程要求连续稳定，导致学生在生产实习时只能看不能动手操作，难以完成生产实习的教学目标。

最后，随着科技的进步，现有大型生产装置日益系统化、自动化，导致学生只能观察和了解整个系统的表面，无法深入学习，难以提高教师和学生的积极性，生产实习的效果很差。

2 仿真实验

在增加硬件实验设备难以立即实现的情况下，利用计算机仿真技术，开发适合于专业需求的实验与操作实习仿真软件成为解决当前实验教学存在问题的一个重要途径。区别于传统的实验，仿真实验不需要实物形态工具与对象，实验时主要是针对软件设计的实验设备与仪器进行。计算机仿真技术借助面向对象编程软件与多媒体制作技术，制作与传统实验操作相对应的软硬件条件。学生在仿真实验中可像在真实环境中一样实现各种实验项目，实验结果甚至优于实际实验。可见，计算机仿真实验可辅助、部分替代传统实验操作。仿真实验提供了友好、操作方便的教学环境，学生的学习兴趣也大大提高。仿真实验与互联网信息技术结合后，通过网络链接，学生可在网络上进行远程实验课程学习，克服了传统实验教学空间和时间的限制，同时能大幅降低实验经费。

当前，计算机仿真在工科实验教学中已经得到越来越多的应用。以生物工程专业为例，烟台大学就已经开发完成一套谷氨酸发酵生产仿真软件，实现了谷氨酸发酵生产与分离提取过程的形象化与动态模拟。该软件在山东轻工业学院、青岛农业大学、文经学院等多所学校内试用，成为生物工程专业实习教学与培训的重要辅助手段。国内某公司开发的离心泵单元仿真培训被众多院校采用，作为相关专业的离心泵操作训练工具。

其他专业如热能与动力工程专业，许多高校都在实验教学中加入仿真实验以辅助教学，如制冷模拟教学课件[1]、小型冷库仿真教学系统[2]、制冷空调综合创新模拟实验平台[3]等。烟台大学也研制了传热学实验教学仿真软件[4]辅助实验教学。这些仿真实验在实际应用中都取得较好的教学效果，值得大力推广。

3 柠檬酸发酵生产仿真实验

柠檬酸发酵实验 柠檬酸发酵实验是生物与食品类专业的主要实验教学内容之一，目的是让学生了解柠檬酸的生产原理与流程，掌握柠檬酸的发酵生产工艺与发酵分析方法，通过实验能熟练地掌握真菌发酵的接种、培养与发酵产物的分析测定等技术。由于柠檬酸整个发酵生产流程所需设备众多，现在国内还没有厂家制作销售实验用柠檬酸全过程生产演示的仪器，大多数学校实验教学中只是在实验室中开展柠檬酸生产中发酵部分的实验，无法实现整个生产过程的操作练习。由于柠檬酸生产厂家分布过于分散，大部分高校因人力、物力等资源限制，无法开展实地操作实验教学。

针对此问题，本文开发了柠檬酸发酵生产仿真软件。该软件能够实现柠檬酸发酵生产全过程的仿真模拟，为广大生物与食品类专业学生的生产实习提供支持。通过该软件的推广使用，满足这些专业实验教学的迫切需要。

柠檬酸实验仿真工具 柠檬酸实验仿真软件的开发是根据教学任务要求，分析整理实验教学内容而进行的。利用该软件，学生对柠檬酸生产流程获得形象化的认知，还可以在仿真平台上完成实验虚拟操作，得到实践成绩。

本软件含有实验内容、成绩评定、使用帮助等内容。软件能够实现的实验内容包括柠檬酸生产的淀粉糊化、发酵、粗提和精提四个主要流程，在每个流程的实验界面上，都设计了该流程所需的全部实验部件，包括罐体、阀门、泵、过滤机、搅拌器等，各动力机械与调节阀门均可实现手动调节。学生在该仿真软件上手动完成各生产过程的相关操作练习。软件的成绩评定功能将在学生实际操作过程中，根据操作过程顺序以及由此引起的生产工艺参数变化情况给出实验成绩，并提供详细的得分明细与说明，学生可根据该明细查找实验操作中出现的问题并加以改进。软件的实验成绩判别功能实现了实验操作的定量计分，减轻了实验指导教师的负担。软件提供的帮助功能为学生提供逐步实验操作指导，帮助学生更快地熟悉相关实验操作。软件还提供了时间加速功能，使得学生能够在较短的时间内就完成柠檬酸的实际长时间生产过程。

软件采用VB6.0软件开发，功能包括装置组成与工艺流程演示、部件运行与阀门操作动态演示、工艺参数动态变化、逐步指导等功能。图1～图4分别为淀粉糊化、发酵、粗提和精提四个流程的实验界面。

图1 淀粉糊化实验仿真软件界面

图2 发酵实验主界面

图3 粗提实验操作的部分界面图

图4 精提实验操作的部分界面

该软件的开发采用模块化编程，每部分实验内容作为一个大模块，大模块中还细分为若干个小的模块，模块之间通过操作流程引起的操作流程因果关系、耦合参数进行衔接。开发过程中采用动态模拟技术实现搅拌器、罐体液位、管道内流体流动等动态变化内容，实验参数可依据实际操作实现动态即时显示，学生能够随时了解参数的动态变化情况，并据此判断操作时机。

教学效果 基于仿真技术开发的柠檬酸发酵生产仿真软件，完整地模拟了柠檬酸生产的全过程，学生通过使用该软件，不仅加深了对所学理论知识的理解，还对柠檬酸的生产流程有了更深刻全面的认知，生产操作水平也得到了较大的提高。仿真实验由于界面设计友好，形式新颖，学生对此普遍欢迎，实验兴趣大大提高，取得较好的教学效果。可见，柠檬酸发酵生产仿真软件很好地解决了实践教学过程中存在的不足，提高了实践教学的水平，强化了生物工程专业学生综合素质的培养。

4 结论

本文首先分析传统实验与实习教学存在的一些问题，总结仿真实验教学应用现状及其优点，叙述自主开发的柠檬酸发酵生产仿真软件以及学生的使用体会。

[1]晏刚,吴业正,厉彦忠,等.发挥实验室优势，完善实践教学改革[M]//2004年制冷会议论文集:实践教学.2004:135-137.

[2]张华,刘楚芸,王勤.基于web的小型冷库教学系统的设计与开发[M]//2004年制冷会议论文集:实践教学.2004:142-144.

[3]张小松,蔡亮,李舒宏,等.建立多功能开放实验台，培养学生创新科研能力[M]//2004年制冷会议论文集实践教学.2004:148-153.

[4]赵海波,周秋淑,高兴奎,等.传热学实验教学用仿真软件的开发[J].科技信息,2013(14):15.