虚拟仿真实验平台在食品专用油脂教学中的应用探索

孟 宗

（江南大学食品学院 江苏·无锡 214122）

食品专用油脂是指精炼的动植物油脂、氢化油、酯交换油脂或上述油脂的混合物，经急冷单元和捏合单元或不经过急冷和捏合单元，制成的固态或流动态的油脂制品，主要包括人造奶油、起酥油、植脂奶油、涂抹脂、糖果脂等，赋予加工食品特有的功能特性（如结构、风味、感官特性、货架期等），是现代加工食品不可或缺的基础性原料，在烘焙食品、煎炸食品、休闲食品、速冻食品、糖果、冷饮、咖啡伴侣等方面广泛应用。国内食品专用油脂加工已形成了与加工食品产业分布相匹配的华东、华南、华北三大产业聚集区，据不完全统计，食品专用油脂行业总产值超过1000亿元，并以每年15%以上的增速快速增长。

食品专用油脂加工食品多样性发展空间巨大。如2019年我国烘焙食品零售额达到2312亿元，同比增长7.40%；2019年我国巧克力产品零售额为223亿元，同比增长4.76%；加工食品的多样化，对创新性食品专用油脂产品的需求巨大。而目前国内食品专用油脂仍以通用型产品为主，企业自主创新能力亟需加强。同时，国内仅江南大学、武汉轻工大学、河南工业大学等少数高校开设了食品专用油脂相关的专业课程，且课程主要以传统的理论教学为主，教学过程中存在的理论知识与工程实践应用结合性差等突出问题，无法满足创新型人才的培养。

虚拟仿真（VirtualReality，简称VR）是一种可创建和体验的虚拟世界的计算机系统，将多源信息融合、实现多元感知的仿真技术，具有交互性，产生沉浸感，在文化、医疗、军事、教育等领域广泛应用。江南大学食品学院借助虚拟仿真技术，根据现实食品专用油脂工厂，建设了虚拟仿真实验平台，对创新能力要求高的新工科技术人才培养具有重要现实意义。

1 食品专用油脂课程教学中存在的问题

食品专用油脂教学基本内容包括：（1）油脂物化性质及油脂结晶；（2）油脂的三大改性技术（分提、酯交换、分提）；（3）食品专用油脂产品（人造奶油和涂抹脂、起酥油、代可可脂、煎炸油等）；（4）食品专用油脂生产质量控制。课程内容安排包括了油脂结晶及乳化等油脂理化基础、加工、装备、产品品质评价等内容，知识点多、跨度大，授课16学时，学生很难在课堂学习中全部掌握。同时，为了满足应用型人才培养的要求，本课程学习内容突出理论联系实践，即课程理论教学要指导食品专用油脂产品的开发和应用。实践教学环节一般通过小型中试工厂现场生产教学或食品专用油脂加工企业现场教学。为了提升实践环节的教学质量，江南大学食品学院油脂及植物蛋白工程中心投入专项经费，定制了20kg/h的起酥油/人造奶油小试线，改造了5-10kg的油脂氢化设备，由于单次开机成本高、安全隐患和废弃物处理困难，无法处置突发事故，始终无法模拟真实工厂的生产。同时，食品专用油脂加工企业由于生产组织及安全要求，很难接受学生短时间的现场教学。上述诸多限制性因素导致食品专用油脂教学过程中学生理论知识与工程实践应用结合性差、学生工程实践能力培养薄弱问题长期存在。同时，目前食品专用油脂的教学主要以课堂理论教学，中试工厂现场演示教学为主，主要还是传统的“灌输式”，教学形式单一，一次现场演示难以让学生掌握实践操作要领，学生无法动手实践，学习兴趣不强，课后学习的主动性较差。为解决传统教学过程中照本宣科、缺乏实践操作，理论教学与实践教学脱节，同时，突破学生主动学习受时间和空间的制约问题，将最新的技术手段“虚拟仿真技术”引入传统的食品专用油脂的教学，充分发挥学生的主观能动性，提升教学效果。

2 虚拟仿真技术在食品专用油脂课堂教学中的应用

目前，高校青年教师引进和培养存在注重开展高水平研究，发表高水平论文，忽视工程实践能力培养的导向，而食品专用油脂的教学不仅涉及到酯交换、分提、氢化等改性技术的理论问题，还涉及到将上述改性技术及其组合在具体食品专用油脂产品开发和创新中的实际应用，如人造奶油、起酥油、巧克力、植脂奶油等。课堂教学创新乏力、学生厌学时有发生。为贯彻“以学生为中心”的教学理念，结合多样化、创新型卓越工程科技人才的“新工科”建设培养要求，针对食品专用油脂课题教学中的理论与实践脱节问题，引入了虚拟仿真技术。

在食品专用油脂加工仿真实验平台的建设中，参考现代化食品专用油脂工厂，借助文字、图片、flash动画、三维模型、音频和视频等手段对加工过程的各个工段、管线、装备等全部真实工厂要素在计算机上再现，如氢化工厂。目前，“非氢化”加工工艺是食品专用油脂的发展方向，因为极度氢化油（100%饱和脂肪酸，不含反式脂肪酸）提供优良的应用性能，在部分产品中仍有应用，如粉末油脂，植脂奶油。在课堂理论教学过程中，结合虚拟仿真试验平台中丰富的三维模型、视频、动画等素材，图文并茂、生动逼真的进行讲解，丰富理论教学的层次，激发学生主动学习的积极性，在寓教于乐中增强学生对枯燥理论的理解及其与生产实践的结合。特别是在今年新冠疫情期间，通过虚拟仿真试验平台的运用，实现了“停课不停学”，保障了教学秩序，同时还提升了教学的质量和效果。

3 虚拟仿真技术在食品专用油脂实践教学中的应用

目前，食品专用油脂的实践教学主要以起酥油/人造奶油、分提等产品及改性工艺的中试车间演示为主，受场地、学时、学生人数等因素制约，学生实践能力锻炼有限。通过引入虚拟仿真教学手段，与实验室现有食品专用油脂中试加工装备进行融合互补，理论教学和工程实践相结合。在虚拟仿真实验平台，能保证每个学生独立灵活的操作。在数字化的虚拟工厂中，学生可以选择不同岗位进行操作，加强理论在实践中的运用能力。同时，可以根据每个学生的实习情况，设置生产要求和突发事件，增强学生灵活掌握食品专用加工理论和工程实践的能力。通过线下理论教学和中试工厂实验演示，结合线上虚拟工厂实践操作，加深学生对理论知识的掌握和分析解决实际问题的能力，提升学生的专用素养和创新能力。沉浸式和角色扮演激发了学生主动学习的欲望，明显提高了学生学习的效率。

4 虚拟仿真技术在食品专用油脂行业技术人员培训中的应用

烘焙、休闲、糖果、冷饮等加工食品的快速发展，对食品专用油脂创新产品的需求巨大，这就对食品专用油脂企业人员素养和创新能力提出了更高的要求。而目前食品专用油脂研发和生产技术人员不足、理论及实践能力不高已成为困扰相关企业发展的普遍问题。无论是从外部招聘，还是企业内部培养，员工的理论和实践技能培训都是必不可少的环节。技术人员的培养周期相对较长，流动日益频繁，导致企业的培训成本日益增高。借助行业企业与高校建立的校企董事会、校企联合研发中心等平台资源及合作关系，利用虚拟仿真技术手段真实还原企业工厂的生产模式，建设数字化虚拟工厂，复制实际工厂的生产管理规范，实现企业技术人员进入虚拟仿真实验平台远程操作，提升理论水平和实践动手能力，为企业技术人员的培训和创新能力培养提供有力的支撑。

5 虚拟仿真技术在食品专用油脂产品创新设计和开发中的应用

食品专用油脂的应用涉及到上千种加工食品，对其功能和应用性提出了巨大差异化的需求。而目前国内相关产品以通用型、仿制型为主，缺乏针对具体加工食品的油脂需求，量身定制的能力。随着物联网、工业互联网、智能制造、云计算、5G技术等新技术在未来油脂制造领域的应用，产品物性及功能需求等大数据、大流量的关联，通过虚拟仿真实验平台，通过调整配方，模拟各种工业化的加工参数，实现产品的虚拟化设计、生产和功能评价，为创新性产品开发提供基础数据，减少实际研发生产摸索的次数，降低研发成本和人员投入，为不同产品类型、不同功能诉求的食品专用油脂产品设计和开发提供了可能性。

在“新工科”创新性卓越工程技术人才培养的背景下，线下线上、虚拟仿真、虚实融合互补、理论结合工程实践的教学新模式已成为发展趋势。食品专用油脂虚拟仿真实验平台的建设和应用，极大丰富了教学内容、创新了教学方式，能有效完善教学体系、深化理论和实践相结合的教学改革，提高学生的学习主动性，提升了教学质量和学生学习效果，对促进学生工程实践能力和创新能力提升具有重要意义。本虚拟仿真实验平台的建设还能应用于学生生产实习、毕业实习、员工培训、创新创业竞赛等不同场景，通过虚实融合互补，实现创新性的工程教育。当然，食品专用油脂的虚拟仿真教学还处于起步阶段，需要在平台建设中积极摸索、在教学方式方法和创新应用中不断的总结和提升，才能持续推动虚拟仿真技术在食品专用油脂人才培养领域的健康发展。