“新工科”视域下食品科学与工程专业虚拟仿真教学与创新平台的构建

吴永祥，胡长玉，王德青，金声琅，吕顺清

(1.黄山学院 生命与环境科学学院，安徽 黄山245041；2.黄山学院 旅游学院，安徽 黄山245041)

随着大数据、人工智能、云计算等技术的快速发展，在“中国制造2015”、“工业4.0”等强国战略背景下，新兴工业强势崛起，推动了食品工程与信息化、数据化、智能化等领域的转型升级，同时也为我国高校培养食品科学与工程专业应用型创新人才提供了良好契机[1]。食品科学与工程主要涉及食品加工工艺、产品保藏与包装、工厂设计与制图、现代仪器分析、机械与设备、企业管理等学科。实践教学中相关的加工设备、现代分析仪器、企业车间布局设计等成本投入高，但因资金和场地有限，导致教学中学生的工程实践锻炼只能停留在表面，达不到预期的教学效果，不能满足当前社会对“新工科”背景下食品科学与工程专业应用型创新人才的需求[2,3]。黄山学院食品科学与工程专业起步较晚，专业师资与专业基础薄弱，尚未形成科学的学科专业体系，且在培养工科应用型创新人才过程中暴露出理论知识与实践应用结合性不强等问题[4]。作为传统的食品科学与工程专业，要在新时代环境中生存与发展，只有不断转型升级和改革创新。

“新工科”作为工程教育的新理念、新模式，为工程教育的创新发展提供了诸多思路。与传统工科比较，“新工科”理念更加注重多学科的交叉融合，着重培养人才的工程意识、工程素质、实践能力和创新能力[5]。2017 年 4 月，教育部发布了《2017-2020 年示范性虚拟仿真实验教学项目建设规划》，提出了以现代信息技术为依托，开展虚拟仿真教学项目的建设，延伸教学的时间与空间，以增强学生的工程实践和创新设计能力。虚拟仿真教学作为先进的教学手段，是利用虚拟现实技术、传感器技术、数字多媒体技术、人机交换技术等信息技术，模拟虚拟现实下的环境，使现有条件下无法完成的教学活动在虚拟条件下进行，并实现教学资源的共享开发与数字化[6]。虚拟仿真教学具有较强的演示性、实践性、趣味性和安全性，不仅能将理论教学和实验实训连接成一个有机整体，强化学生对理论更深层次的理解，而且能加强学生的工程实践锻炼，有效提升学生的创新能力[7]。黄山学院食品科学与工程专业亟需运用“新工科”的工程教育理念，构建食品科学与工程专业虚拟仿真教学与创新平台，整合与完善现有的教学资源，深化教学改革，构建完整的学科专业体系，以满足当今社会对新型工科食品科学与工程专业应用型创新人才的需求。

1 平台构建目标

食品科学与工程专业虚拟仿真教学与创新平台的建设以当今社会对人才需求为导向，结合专业定位，构建合理的虚拟仿真教学项目，建立科学的食品科学与工程专业课程教育体系，丰富教学内容。以学生为中心，从大学生的理解和实践能力入手，充分调动学生主动学习的积极性，注重培养学生的综合素质。充分利用数字多媒体技术、人机交换技术、虚拟现实技术、传感器技术等信息技术，革新传统教学方式，利用互动式、竞赛式、项目式的教学方法，训练学生的工程项目思维和团队协作能力，延伸教学的时间与空间，推动教学方式多样化。以虚拟仿真教学项目开发的科学性、课程的教学效果、学生工程实践和创新能力的提升为标准，建立多元、动态的评价体系，确保虚拟仿真教学评价体系的有效性。

2 平台构建思路

为解决食品科学与工程专业传统教学存在的问题，将虚拟仿真技术引入到现代教学中，可以弥补实体教学受仪器设备、场地环境、时间与空间等因素制约的缺陷，充分发挥虚拟仿真教学的生动形象、直观易懂，有助于激发学生主动学习的热情和推动学生积极进行实践综合训练。同时需要注意的是不能简单地将虚拟仿真教学附属于实体教学，真正的动手能力与技能还需要在现实中去实践与锻炼，应遵循“虚实融合互补，多元协同工作”的理念来确定两者的关系，构建虚实兼顾的一体化教学体系[8]。

黄山学院生命与环境科学学院在食品科学与工程专业大学生实践创新能力培养环节中引入虚拟仿真教学模式，不断完善软硬件条件，充分发挥虚拟仿真教学对实体教学的补充作用、对大型或加工环境实体实验实训的替代功能，以满足当今社会对新型工科食品科学与工程专业应用型创新人才的迫切需求。结合实际，学院积极探索新型工科应用型创新人才培养模式，构建食品科学与工程专业虚拟仿真教学与创新综合平台，如图1。

图1 黄山学院食品科学与工程专业虚实结合的一体化教学体系

3 平台构建内容

黄山学院食品科学与工程专业虚拟仿真教学与创新平台主要分为专业理论教学虚拟仿真模块、专业实验虚拟仿真模块、专业实训虚拟仿真模块、创新设计虚拟仿真模块4个部分。整个平台构建内容按照虚实融合互补的原则进行建设，形成了多元协同的较为完善的教学新体系，具有多学科的综合与交叉的特征。

3.1 专业理论教学虚拟仿真模块

食品科学与工程专业核心课程如食品机械与设备、食品工程原理、食品工厂设计基础等知识结构复杂分散，内容抽象难懂，要求学生有较强的空间想象能力，因此在传统教学过程中面临较大困难。专业理论教学虚拟仿真模块能将不同食品加工工作原理、不同食品加工设备的运作和操作过程、不同食品工厂生产车间平面设计等相关知识内容系统化，并以3D 动画形式一一呈现出来，极大增强了教学的直观性和生动性，让学生有种亲临其境的学习氛围。如图2 所示，以食品机械与设备为例的专业理论虚拟仿真教学，可以结合学院现有的加工设备，采用虚拟现实和三维技术重点教学食品物料输送机械、原料预处理设备、食品分离机械、加热杀菌设备、浓缩与干燥设备、包装技术装备等几十种典型食品加工设备的工作原理、加工操作和维修维护。通过虚拟仿真教学，以3D动画形式呈现机械与设备的内部结构、组装及运行过程。同时，学生可随时随地进行相应的学习，通过反复训练，强化学生对理论更深层次的理解。在此过程中教师与学生可以进行线上和线下的互动交流与答疑，针对教师的解答效果和学生项目的完成情况进行互评，针对性地提出改进意见，完善平台建设。

图2 食品机械与设备的专业理论虚拟仿真教学模块

3.2 专业实验虚拟仿真模块

为弥补传统实验教学中大型仪器设备和场地不足，专业实验虚拟仿真模块以虚实结合的原则对实验教学进行改革，通过对典型大型仪器单元操作，如气相色谱、高效液相色谱、原子吸收光谱、红外吸收光谱、扫描电镜、核磁共振波谱等的仿真，强化学生对仪器单元结构及工作原理的理解，提升学生对仪器单元操作的实践能力。如以食品分析实验课程中“原子吸收光谱法在农产品重金属检测中的应用分析”为例，学生可在原子吸收光谱虚拟实验室进行仪器结构认知、样品预处理、分析条件设定、火焰法检测、石墨炉法检测及日常维护与故障维修6个模块的实践训练。虚拟实验内容包括各种样品的预处理、气体流量调节、仪器操作条件设定与优化、测量操作、数据处理及结果分析等多个关键环节。学生在虚拟实验中，可选择不同类型的样品在实验台上模拟试剂配制操作，完成标准样品与试样的配制，并可以通过改变虚拟仪器的分析条件，观察比较吸光度数值的变化来确定最佳实验条件。此外，学生能根据选择的样品，通过3D 仿真实验装置交互式操作，模拟出该样品的分析全过程，包括标准样品与试样的分析、标准曲线绘制、数据处理过程等。每个学生都能亲自动手实验、观察实验现象、记录与分析实验数据，促进学生对理论知识的掌握。

3.3 专业实训虚拟仿真模块

实训虚拟仿真模块是食品科学与工程专业教学体系中培养学生创新能力最重要的模块。根据专业建设要求，构建啤酒发酵工艺虚拟仿真实训、果酒发酵工艺虚拟仿真实训、苹果汁饮料生产加工虚拟仿真实训、香肠加工虚拟仿真实训、鸡蛋分级加工虚拟仿真实训、面膜生产加工虚拟仿真实训、软糖3D 工厂车间虚拟仿真设计等。采用虚拟工厂的形式可以展现食品生产企业的厂区总平面设计、生产车间管道设计、生产工艺路线和加工设备等，将产品生产良好操作规程、SSOP 卫生标准操作程序、ISO22000质量标准和车间管理等内容融合到虚拟仿真实训中，并进行仿真互动。实训虚拟仿真模块含有评判功能，由预设的智能化评分系统对学生的实际操作进行科学打分，将成绩自动统计并输出。学生通过虚拟仿真实训能够全面系统地掌握产品的生产全过程，强化学生的工程意识、工程素质、实践能力和创新能力，为学生进入生产企业实习与就业打下良好的基础。

3.4 创新设计虚拟仿真模块

创新设计虚拟仿真模块主要是学生经过专业理论、专业实验和综合实训后进行的创新设计实践，该模块以专业的各类创新创业学科竞赛、教师的纵向与横向项目、国家级与省级大学生创新创业训练计划项目为训练资源（如图3 所示），巩固学生专业理论知识，启发学生创新思维，有助于提升教学效果。结合虚拟仿真实践教学资源丰富和实践性强的特点，以竞赛或项目的形式培养学生团队协作及解决实际问题的能力，进而从整体上提升学生的创新与创业能力。创新设计虚拟仿真模块具备跨学科、跨年级等特点，可以将多个专业领域的学生汇聚在一起，推动学生学习面的扩展。黄山学院食品科学与工程专业在教学中使用创新设计虚拟仿真模块取得了较好的教学效果。近3 年，学生参加省部级以上创新创业大赛并获奖20余项，包括全国大学生生命科学竞赛三等奖3 项、安徽省大学生食品设计创新大赛一等奖2 项和二等奖5 项、安徽省“互联网+”大学生创新创业大赛银奖3项、安徽省大学生“创新、创意及创业”挑战赛二等奖1项等；学生主持或参加国家级大学生创新创业训练计划项目12项、省级大学生创新创业训练计划项目25项；参与申请国家专利15项；学生参与发表学术论文20余篇。

图3 食品科学与工程专业创新设计虚拟仿真模块

4 小 结

在“新工科”的建设背景下，虚拟仿真技术在教学中的应用已成为发展趋势。食品科学与工程专业虚拟仿真教学与创新平台的构建和应用，无疑会极大地丰富教学内容和创新教学方式，能有效地深化教学改革，完善教学体系，大大提高学生主动学习的积极性，促进学生工程实践能力和创新能力的提升，有效提高教学质量。本平台的建设今后还能共享于生物技术、烹饪与营养、生物科学以及环境工程等专业，并为工程教育的改革发展提供一定的借鉴。但现行的虚拟仿真教学仍处于起步阶段，需要在平台建设过程中积极探索，在教学实践中不断思考和总结，才能推动虚拟仿真教学体系的可持续发展。