食品工程原理实验虚拟仿真教学体系探索

吴春华 童彩玲 江汉森 严志明 庞杰

摘要实验教学是食品工程原理教学的重要组成部分，将新兴的虚拟仿真教学手段融入传统食品工程原理实验教学中，是培养学生工程创新能力的重要方式。针对目前食品工程原理实验教学存在的问题，构建了适合的食品工程原理实验虚拟仿真教学体系，这对于提高学生的实践能力、提高食品工程创新人才的培养质量具有重要意义。

关键词食品工程原理实验;虚拟仿真;实验教学改革

中图分类号S-01 文献标识码A

文章编号0517-6611（2019）18-0280-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.18.079

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Exploration on the Experimental Virtual Simulation Teaching System of Food Engineering Principles

WU Chun-hua1，TONG Cai-ling1，JIANG Han-sen2 et al（1.College of Food Science，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou，Fujian 350002;2.Office of Educational Administration，Fujian Agriculture and Foresty Universtiy，Fuzhou，Fujian 350002）

AbstractExperimental teaching is an important part of the teaching of food engineering principles. Integrating the emerging virtual simulation teaching methods into the experimental teaching of traditional food engineering principles is an important way to cultivate students engineering innovation ability. Aiming at the existing problems in the experimental teaching of food engineering principles，this paper constructed a proper virtual simulation teaching system for food engineering principles，which was of great significance to improve students practical ability and improve the quality of food engineering innovation talents.

Key wordsFood engineering principle experiment;Virtual simulation;Experimental teaching reform

培養工程科技创新和产业创新人才是新时期国家“新工科”建设核心目标，而工程教育人才培养模式的探索是其关键所在[1]。食品工程原理作为食品科学与工程本科专业及其相近专业的一门理论性和实践性很强的重要专业基础课，与食品工业生产紧密联系，在食品工程创新人才培养中起着承前启后和由理及工的重要纽带作用[2]。食品工程原理实验课程是理论课程学习的重要补充和实践，是培养食品类学生工程实践能力的重要途径[3]。目前，多媒体辅助教学技术虽然已经被广泛应用于食品工程原理实验教学中，但由于该课程的专业性较强，传统的实验课件内容展示手段较少，缺乏与学生实质性的互动教学环节，单独的平面教学讲解仍很难调动学生自主学习的积极性，未能起到很好的教学效果。同时，食品工程原理实验涉及的食品工程相关设备结构较为复杂，操作过程繁琐[4-6]。因此，如何运用国际先进的教学系统替代或者互补传统的食品工程原理实验课程教学模式迫在眉睫。

虚拟仿真教学是一种共享型虚拟现实系统，是以计算机网络为核心，利用多媒体、人机交互和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，为学习者提供一个生动、逼真的学习环境，是目前国际先进的教学模式[7]。自2013年教育部在全国开展“国家级虚拟仿真实验教学中心”的认定工作（教高司函〔2013〕94 号文件）以来，有关虚拟仿真教学已成为国内现代教育研究关注的焦点，已被广泛地应用于工科、医学相关院校的实践教学[8-10]，然而有关食品工程原理实验虚拟仿真实践教学鲜见报道。因此，针对传统食品工程原理实验教学中存在的问题，有必要借鉴国际先进的教学模式[11]，遵循“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，探索构建食品工程原理实验虚拟仿真教学体系，提高食品工程创新人才培养的质量。

1食品工程原理实验教学中存在的主要问题

目前，国内大部分食品专业院校在食品工程原理实验课程教学方面存在以下问题：①实验指导教师大多以传统“填鸭式”教学方式对实验目的、原理、操作步骤及注意事项进行讲解，并自己手动操作设备演示实验，供学生参考学习[12]，传统的封闭灌输式教育模式注重理论教育，对实验和工程实践不够重视，导致学生眼高手低，不能很好地掌握和运用理论知识，这种模式不能充分发挥学生学习的自主性，不能有效激发学生的求知欲和探索精神。②由于食品工程原理相关实验设备价格高、体积大，导致多数食品专业院校的实验设备台套数不足[13]。一般采用多人为一小组在同一台设备上进行实验教学的模式，造成少数学生以动手操作为主，多数学生观看的现象，难以达到培养每个学生自我动手能力和操作能力的教学要求;多年食品加工类专业的教学经验表明，仅仅采用实验式、半理论、半实践的训练，对学生来说还是比较抽象的，获得的知识也是片面的，不完全的。 ③由于实验设备数量有限，通常同一时间段需要开展2～3个实验项目， 实验指导教师很难做到及时纠正学生实验中出现的不规范操作现象，如常出现离心泵憋泵、实验数据采集不完整等问题。

④考核方式较为传统，考试考核制度仍然注重卷面考试，主要依据实验报告的结果进行评定[14]，存在部分学生抄袭（特别是组内相互抄袭）问题，很难从实验报告上区分学生之间的差距，未能准确反映学生的学习效果，使其失去了实验成绩的考核意义。

⑤由于实验设备较大，且运行存在着一定的危险性[15]，因此学生只能在实验课固定时间内进行实验，课后没有机会进入实验室进行巩固和练习，严重影响本科生对食品工程原理课程的深入认识和理解，不能及时将所学食品工程原理知识应用到实际问题中，对于工程方面不能全面透彻地认识。如何拓展实践领域、丰富教学内容，提供绿色、可靠、安全和经济的实验项目一直是困扰工程实践教学的难题。

2食品工程原理实验虚拟仿真教学体系的构建

为了弥补上述传统教学模式的不足，在福建省食品工程虚拟仿真教学中心及相关校级网络示范课程建设的基础上，依托北京欧倍尔软件技术开发有限公司开发仿真模拟实验教学软件，以“福建省食品工程虚拟仿真实验教学中心”和“产业学院”为首的22个专业类实践基地为依托，针对地方工科大学生工程实践能力不能满足社会发展需要的普遍现象和“以教师为中心、书本为中心和课堂为中心”的传统封闭灌输式教学模式之弊端以及实验周期长、大型贵重仪器实训时间不足等难题，改变单向灌输、学生被动接受的局面，在现有食品工程原理实体实验教学体系中融入虚拟仿真实验教学体系，搭建“虚实结合”的全过程管理的实践教学体系 （图1）。

此教学体系采用“虚实结合式教学”和“情景再现式教学”的教学方法，可以弥补传统品工程原理实验项目受场地、时间、设备、安全等因素制约的缺陷，顺应“卓越工程师培养计划”趋势，培养出具有创新意识的新世纪复合型食品工程技术人才。在培养学生动手实践能力的基础上，充分发掘虚拟仿真软件的技术优势，使学习更加深入、生动，还可以充分调动学生自主学习的兴趣和积极性，将自主学习、互助学习、研究性学习有机结合，有效解决了目前学生工程实践能力缺乏和创新意识缺失的核心问题，培养学生的工程化能力，有利于复合应用型人才的培养。

通过虚拟仿真实验平台，充分利用现代信息技术、虚拟仿真等技术转变实践课程建设方式，突破传统实验教学的局限性。虚拟仿真教学平台拓展实践领域、丰富教学内容，提供绿色、可靠、安全和经济的实验项目。网络课堂与真实教学相结合，计算机模拟与真实实训相互验证和补充，采取虚实结合和情景再现的互联网线上线下融合的个性化教学方式，激发学生的好奇心，启发思考，带着问题学习教材或查找相关文献、寻找答案的过程中，锻炼了学生的自学能力、运用知识解决实际问题的能力。具体实施方案如下：

实验教学采用集中授课和自主练习相结合的方式。课程开始时，教师在多媒体实验室对虚拟仿真实验教学平台中的虚拟软件进行演示。学生在进入食品工程原理实验室前，可以通过虚拟仿真平台预习、观摩、模拟相关实验内容，了解每次实验单元操作装置流程、操作规程以及数据采集的要点，熟悉实验目的、实验原理。学生完成线上软件测试后，在线提交虚拟实验报告，实验教师在线评分并及时反馈给学生，取得测试合格后方可开始实验。同时，师生可通过网络平台上的在线答疑功能进行互动交流。在学生提前线上学习的基础上，实验指导教师在线下实验室设备上边现场演示操作、边讲解，供学生课前观摩學习，领会操作要点等。实验结束后，以线上提交的实验报告成绩、线下实验操作成绩和线下实验报告成绩相结合的形式考核学生。学生不仅能够在实体实验中获得第一手知识和技能，而且能够在仿真情境中进行模拟现场实验，并根据自身需求反复练习，培养其科学精神与创新能力。

3食品工程原理实验虚拟仿真教学体系的实施效果

3.1激发学生的学习兴趣基于网络化的虚拟仿真实验环境，使得实验教学具有网络化、开放性、交互性和易操作等特点，有利于学生的学习、实践和创新能力的培养。学生可以借助便捷的网络计算环境，随时、随地动手开展实验，在人机交互的虚拟实验中提高自主学习能力。虚拟仿真实验教学通过模拟真实的食品生产操作，使学生身临其境，真实地感受并掌握食品加工过程中各单元设备的操作方法，给学生提供了一个无危险、低成本的方式以及与真实世界交互的平台，是对传统教学方式的重大挑战，也是高校教学与科学实验技术的一个新飞跃。

3.2加强学生理论与实际结合食品工程原理实验与生产实际密切相关。但实体实验存在设备结构复杂、操作过程繁琐、水电气安全风险高（尤其真空浓缩）、实验室设备与实际生产有差别、原料采收期短且不耐贮藏、难以向学生全面展示和解释等问题。通过虚拟仿真实验教学体系，突破了传统实验教学受时空条件、仪器数量和操作过程等条件的限制，能使学生深入了解设备原理、操作规程等知识，实现信息技术和实验教学的深度融合，提高实验教学的教学水平和教学质量，进一步提升高校创新人才的培养能力。

3.3拓展学生学习资源基于网络化的虚拟仿真实验环境，学生可以借助于便捷的网络计算环境（如移动终端、个人电脑等设备），随时随地动手开展实验，使其对基本原理的理解、公式中各种参数的来源及使用范围有更加深刻的认识，从而帮助学生理解从书本上较难弄懂的概念，而且可以利用网络实现贵重仪器的远程操控和共享。由于学生不需要到实验现场，大大提高了实验场地和贵重设备的共享和利用率。此外，虚拟仿真教学体系引入了很多原来不可实现的实验内容，例如通过虚拟仿真实验环境，同学对食品的生产流程会有一个直观、清晰的了解，将课本上的知识真正运用到实践中。利用虚拟仿真实验来实验极大地提高了实验教学的教学水平。

4结语

虚拟仿真实验教学是当今国际先进的教学模式方式之一，其借助多媒体、人机交互和网络通讯等技术，构建了高度仿真的虚拟实验环境，不仅能够弥补现有教学资源不足的缺陷，而且可以丰富教学内容的作用[16]。食品工程原理实验是一门实践性、工程性极强的课程，将虚拟仿真教学模式引入教学中，突破了传统实验教学受时空条件、仪器数量和操作过程等条件的限制，能使学生通过自行设定相应参数，深入了解设备操作单元原理、操作规程等知识。通过该虚拟仿真实验教学体系，可以实现信息技术和实验教学的深度融合，提高实验教学的教学水平和教学质量，进一步提升食品工程创新人才的培养能力。

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