虚拟仿真技术在食品工程专业实验教学中的应用研究

李铉军 李范洙 张先

摘  要：针对食品工程类课程实验教学中存在的实验场地不足、大型设备短缺、投入资金较少、某些实验存在较大危险性等问题，本文通过引入已在高等学校实验教学过程中应用较多的虚拟仿真技术，充分发挥其直观性、生动性的优势，让学生在沉浸式体验中进行实验，激发学生主动学习的热情。基于虚拟仿真技术试错成本低的特点，让学生紧跟时代步伐自主设计实验方案，在成功与失败中实现自我成长。最终达到提高教学水平，提升学生的创新和实践能力的目的。

关键词：虚拟仿真  食品工程  实验教学  应用研究

Abstract： In view of the problems existing in the experimental teaching of food engineering courses， such as the lack of experimental sites， the shortage of large-scale equipment， less investment， and the greater risk of some experiments， this paper introduces the virtual simulation technology， which has been applied in the experimental teaching process of colleges and universities， to give full play to its intuitive and vivid advantages， so that students can carry out experiments in immersion experience and stimulate students Give students the enthusiasm to study actively. Based on the characteristics of low trial and error cost of virtual simulation technology， the students can follow the pace of the times and design the experimental scheme independently to realize self-growth in success and failure. Finally， the purpose of improving teaching level and students' innovation and practice ability is achieved.

Key Words： Virtual simulation; Food engineering; Experimental teaching;Application research

虛拟仿真技术是信息化快速发展的新事物，可以高度逼真地模仿现实世界中的各种事物，结合人们对现实世界的触觉、视觉、听觉，进行交互体验，让人们有身临其境的感觉[1]。传统的食品工程实验，多数情况下受到实验设备、实验场地及教学投入资金等多方面条件的限制，存在实验设备陈旧或不足等问题，限制了实验课程的展开与深入。另外，受到教学模式和考核方式的影响，教学效果一般，传统的模式很不利于人才的培养[2]。虚拟仿真技术结合了先进的教学思想和现代化的教学手段，具有虚幻性、交互性、沉浸性、逼真性等特点，现已广泛应用于高等学校的实验教学过程中[3]。

1  传统“食品工程实验”存在的问题

1.1 实践教学方法单一，学生参与度低

目前食品工程类课程的实验教学还是以传统教学方法为主，实验前上教师“一言堂”，将每个实验的主要知识内容及注意事项传递给学生。然后安排学生做既定的实验。在这种教学模式下学生只是简单地接受知识，并没有过多的思考、分析和讨论及创新环节，对于知识的掌握程度仅仅是皮毛，并不能真切理解每个实验的结构构成与工作原理。在有限的实验条件下，传统实验开设的多为验证性实验，操作方法简单，实验模式固定化，学生缺乏对实验项目的质疑和对实验结果的思考，不利于思维能力和创新能力的培养，不符合课程设置的初衷[4]。以“食品工程原理实验”为例，实验中用到的设备较多，一些大型设备数量往往较少、操作又复杂，且价格贵重、维修困难。在大多情况下只能通过实验教师演示，学生旁观的形式进行授课。由于实验资源有限，多采用5～6 人一个小组进行实验，不能保证每个同学都有动手操作的机会，学生在实验中的参与度较低，积极性不高，教学效果不好。

1.2 教学内容有局限

对于食品工程专业而言，理论与实验相结合的教学模式，是锻炼学生操作技能和培养学生应用能力的有效手段。相对于专业发展的实际需求，大部分院校对食品类专业的资金投入并不充足，尤其是新开设的前几年，招生人数少，投入经费有限，实验场地和实验设备很难满足实验教学的实际需求。食品工程类课程作为专业必修课，选用教材虽为高端前沿的规划教材，但部分章节内容不能及时更新，部分设备在生产企业使用率不高或不再适用，食品行业出现的新型加工设备或技术在课本上体现少。因此，学生无法紧跟食品行业发展的脉搏，了解食品生产发展的趋势，进而无法满足企业对加工技术人才的需求。而且，目前高校实验室中使用的设备多为实验用小型设备或间歇操作型设备，与实际生产所需设备相差较大，学生容易对工业化生产认知脱节[5]。

1.3 学生专业基础知识薄弱

食品工程实验是实践性较强的课程，在这类课程之前，学生要先学习《大学物理》《机械制图》《大学数学》等基础课程。但是相对于传统的工科类专业，食品专业学生对工程类基础知识的掌握相对较弱。对于工程设备设计、结构的理论基础和空间立体结构想象能力薄弱，对于设备的结构组成和工作原理等知识点，理解起来比较困难。食品类专业虽为工科，但专业多开设于非工科类院校，多数高校教学以理学为主，偏重于培养学生食品加工生产技能、食品质量检测、食品品质控制等方面的能力，而忽视工程应用性较强的食品工程类课程的教学。

1.4 考核形式单一，缺乏全面性

食品工程类实验的考核注重学生实践创新的能力、综合知识的运用能力和沟通合作的能力。多数情况是1～2名老师指导20～40名学生进行实验。教师精力有限很难关注到每位学生，并对其综合表现作出客观评价。因此多数情况下是根据学生实验出勤和实验报告对其进行评分，这种考核方式过于简单，容易以偏概全，不能对学生的动手能力进行客观的评价，导致学生只重视写实验报告，不重视具体的实验过程[6]。甚至有部分学生，只出勤不操作，再抄袭他人成果。且实验报告的内差异不大，不能体现学生的主观能动性。传统的考核形式标准模糊，不能对学生的综合素养进行全面客观的评价，很难达到考核学生的目的，不利于学生综合素质的培养。

2  虚拟仿真技术在食品工程类实验教学中的优点

2.1 提高创新能力，激发学习兴趣

食品工程实验设备往往构造复杂，工艺难度大，科技含量高，学生很难掌握其原理，所以老师不仅要进行抽象的讲解，更要带领学生多进行实践操作。虚拟仿真实验可借助计算机技术和网络构建虚拟的、仿真的实验操作环境，学生可在网络世界中运用虚拟技术进行仿真实验操作，完成各种实验项目。通过将各项食品工程实验虚拟仿真，可以充分调动学生的积极性，提升学生的学习兴趣，使实践教学不只局限于抽象的理论教学，学生可根据需要随时随地利用网络进行学习操作。学生在高沉浸感的虚拟环境下，可引导学生进行课前预习、课后复习，进而激发自主学习的热情，对学生掌握实验技能、提升动手能力都有非常大的帮助[7]。虚拟仿真系统可根据食品加工技术的发展进行及时更新与完善，具有更新速度快、成本相对低廉以及与时俱进的特点。同时，虚拟仿真系统不受时间、地点和实验室空间的影响，根据需要学生可以独立实验，还可以反复操作，在不断的实践中验证自己实验设计的科学性、合理性，进而提高思维能力和创新能力。最终，扩展了实验教学的广度和深度。

2.2 完善实验内容，降低教学成本

传统的食品工程实验设备价格昂贵、占地面积大且技术更新慢，而且学生若操作不慎还易引发触电、燃爆等事故。若将部分实验通过网络技术进行虚拟仿真，不仅能够节约教学成本，还可以拓展实验项目，让学生多接触行业前沿的新设备新技术。目前，很多高校都与企业合作构建了虚拟仿真平台。例如，食品机械主要有虚拟仿真实验操作模块和设备结构认知仿真模块两部分内容。虚拟仿真技术利用几十种实验设备的仿真动画，将设备的立体空间结构与动态工作过程呈现出来，学生如同亲临生产车间，使学生容易理解，易于接受。这样既丰富了课程设置，让学生接触了更多的食品生产技术和设备，也大大减小了学习难度，使理论知识与生产实践实现了紧密的结合。

2.3 提高综合素质，考核客观全面

虚拟仿真实验教学可深入剖析实验教学过程，这就对学生的前期学习提出较高的要求，学生必须在理解的基础上才能进行正确的操作。大家都可以通过虚拟仿真实验平台进行预习，然后进行实践操作，这样可以大大提高实验教学的质量和水平，进而减少实验中出现的盲目操作和走过场现象[8]。教师根据需要可在虚拟仿真实验项目中设定考核点，了解学生真实的试验过程，进而形成更加科学合理的考核标准。了解到相关考核点后，学生积极主动地完成相关知识点的学习，从而提高实践教学质量。虚拟仿真技术在允许范围内可修改各项参数，使得每个学生的实验操作都有所不同，学生也就失去了抄袭实验报告的动机。虚拟仿真允许学生根据自己认知制定实验方案，调整各项实验参数进而模拟真实的生产过程，即使是失败的操作，学生也可从中汲取教训，学生的试错成本低。通过这一方式可激发学生的创新精神，有利于学生进行创新创业实验项目[9]。

3  结语

实践教学在我国的高等教育中，是一个非常重要的环节，我们要认真贯彻党的“教育与生产劳动相结合”教育方针。虚拟仿真技术让传统实验室因危险性实验、实验室空间有限、仪器设备资源有限等原因无法完成的实验，成为可能。将虚拟仿真技术与传统的食品工程实验并用，使学生不受空间和时间的限制，虚实结合，优势互补，提高了学生对实践教学的兴趣，扩展了学生的视野，培养了学生的创新性思维以及实践操作能力，从而提高了学生的综合素质。使学生所学的理论知识与生产实践实现紧密的结合，提高了实验教学的质量，有利于高校为国家培养更多应用创新型的人才。

参考文献

[1] 刘莹，黄文.“食品工艺综合实习”的改革探索[J].科教文汇（中旬刊），2018（2）：51-52.

[2] 賈宝珠.蔡文韬，袁学文，等.虚拟仿真技术在食品工艺学实验教学中的应用探索[J].科教导刊（下旬刊），2020（7）：107-108.

[3] 邢常瑞，汪静，郝怡宁，等.“食品化学实验”虚拟仿真教学模式的改革与实践[J].粮食科技与经济，2018，43（2）：116-118.

[4] 许彬，李慧星，李斌，等.案例法教学在“食品机械与设备”中的应用[J].农产品加工（上），2018（1）：83-84.

[5] 宋贤良，叶盛英，司徒文贝，等. 食品机械与设备虚拟仿真实验教学模式的探索与实践[J]. 实验室研究与探索，2018，37（3）：171-175.

[6] 魏培鲜.浅谈高校材料科学课程教改问题[J].高教学刊，2015（13）：84-85.

[7] 徐晓辉，兰草，张东祥.综合性大学创业虚拟仿真实验教学平台体系建设[J].实验室科学，2016，19（5）：90-93.

[8] 邓朗妮，叶轩，郭亮，等. 结合虚拟仿真的实践教学体系改革研究[J].科技创业月刊，2017，30（1）：106-108.

[9] 韩月强.虚拟仿真实验教学的数据分析与教学评价研究[D].北京：北京邮电大学，2016.

[10]杨正雨.数字化技术在中学物理实验教学中的应用研究[D].合肥：合肥师范学院，2020.