虚拟仿真技术在“食品工程原理”课程实验教学中的应用研究＊

王 英，陈 铮，韩 江，孔令明

（新疆农业大学 食品科学与药学学院，新疆 乌鲁木齐830052）

虚拟仿真实验指学生借助虚拟仿真技术在计算机上进行实验操作，达到实验课程教学的目的和要求。将虚拟仿真实验技术与“食品工程原理”课程相结合，不但有利于提高教师教学质量，并且能够让学生直观、生动地学习相关知识。

1 实验教学改革目的

食品工程原理实验是“食品工程原理”课程教学必不可少的重要环节[1-2]，但在实际的实验教学活动中，会遇到两个主要问题：①实践教学资源不足。若想使每一位学生都独立自主操作实验，实验器材必须充足且多样，而大多数高校拥有的设备和教学条件由于教学成本的原因基本难以满足，无法达到理想的教学效果；若学生分组进行实验，则难以评价学生之间的交流活动、个人的学习效果，某些教学环节在实验时会成为盲点。②学习难度大。“食品工程原理”为食品科学与工程专业一门理论性和实践性很强的重要专业基础课，涉及动量传递、热量传递及质量传递内容，并且包含流体流动与输送、沉降与过滤、传热、蒸发、传质、干燥等操作流程，学生理解起来较不易[3-4]。

而虚拟仿真实验教学是通过应用计算机辅助技术进行仿真实验，对比传统的实地操作，其教学过程可做到“人手一机”，满足每一位学生单独进行实验操作的要求。在授课计划的编排上，虚拟仿真实验教学可随时将实验教学穿插于每个单元的理论教学活动中，突破了时间和地点的限制，完成实地操作所不具备或是难以完成的实验目标和教学目的，对促进学生了解实验方法、了解实验原理具有很大帮助，避免了实际实验教学活动中存在的限制因素。

2 实验教学改革方案

虚拟仿真实验依据真实的食品工程操作过程，利用虚拟仿真技术，构建虚拟实验场景，调整虚拟元器件的参数设置，运行仿真得出结果。学生可在虚拟系统内反复训练，利用虚拟数字化的教学手段，使学生通过视觉及思维流程训练熟练掌握实验原理、操作过程及各知识要点。

2.1 仿真软件架构

教师通过对学员和试题的管理操作，从而对整个仿真系统进行部署和维护。教师端通过网络通讯程序与学员端进行连接，可控制每台仿真电脑，启动和控制每位学员的电脑端。

教师和学生可通过访问管理平台进行应用统计。登录管理平台后，可随时查询登录统计和成绩分析等数据信息，管理平台也可通过通讯启动和控制学员端仿真程序。

仿真程序学员端部署在学生的电脑上。学员端的应用管理程序负责提供智能评分、工况管理、仿真程序生命周期管理等服务，并提供这些服务对仿真运行平台的访问功能。仿真运行平台创建仿真数据和计算单元，实现和维护仿真算法逻辑的运行。运行平台向应用管理程序提供仿真运算的实时结果。

开发者通过仿真开发端提供的工具集进行建模，实现算法、图元和工艺的组态，对仿真程序中的工况和评分进行配置。数据库存储所有信息，并可以独立导出文件。

2.2 实验教学流程

整个实验过程按照教师讲解理论、学生完成虚拟实验的流程进行，实验包括以下实施过程：①教师通过教学软件系统中的3D 虚拟交互式软件引导学生回顾相关基础知识；②教师通过3D 虚拟软件进行讲解、操作示范；③学生进行操作练习；④教师逐一指导，检查学生受训情况内容掌握的程度，批阅实验报告，并将批阅结果反馈给学生。

2.3 教学评价体系

学生操作结束后，软件自带评分系统，可依据系统给出评分提示，操作正确时得分，错误时扣分，每个步骤扣分最多只扣3 次。评价体系的特点如下：①评价体系采用生动形象的语音、动画、文字、视频等多媒体方式进行错误操作提示，更便于学生理解；②评分系统可分为练习模式和考核模式，练习时有步骤提示、教学演示、注意要点，考核模式屏蔽所有提示作用，仅有少量提示，并可设置考察陷阱，考核学生对操作的掌握程度；③学生可随时进行自动评价，采用即时扣分机制，实时了解实验过程中的操作不足；④考核完成后可调出操作日志，查阅正确操作情况及操作者的操作情况；⑤评价体系可通过互动操作、实习完成度和分歧选项对实行情况进行科学完整的总体评价。

3 实验教学实施效果

虚拟仿真软件提供了丰富的设备型号、完备的分析手段和独特的模拟模块等，有较强的仿真能力，主要有以下优点。

3.1 学习环境具有沉浸性

虚拟仿真技术可创造出“身临其境”的操作环境，通过系统中的3D 虚拟交互式软件可更加有画面感地促进学生对设备的操作使用。虚拟仿真软件可在电脑上模拟出一个三维空间的虚拟世界，并构建出高度仿真的虚拟实验环境和实验设备，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让学生可以没有限制地360°旋转观察三维空间内的事物，界面友好，互动操作，形式活泼，降低学生学习难度，增加了学生的学习趣味。使学生在实验过程中可以自由操作，就像在真正的工厂环境中一样。

3.2 实验操作具有构想性

学生在虚拟环境中操作设备，可对教学内容中复杂、危险、反应周期过长及在传统实验室无法完成的实验进行安全、直观地展示，并能够快速显示最终的操作结果，达到构想性教学的效果。通过记录数据及数据处理功能，仿真软件可将操作过程中产生的数据记录下来并能对数据进行处理，生成对应的图表，从而找出实验设计中存在的问题。

3.3 仿真过程具有动作性

学生在实验过程中，可进行超临界二氧化碳流体萃取装置、天平、粉碎机、分光光度计、液相色谱仪、容量瓶、移液管等设备的选择和操作，并进行原材料、纯净水、乙醇、挟带剂、对照品、亚硝酸钠、硝酸铝和氢氧化钠等所需试剂的定性和定量添加，以实际动作方式来进行实验，让学生感觉到操作的真实性。

3.4 操作过程具有自主性

在整个实验的操作过程中，学生可自主选择感兴趣的模块，添加不同的操作参数。软件的每个模块都有具体的操作流程，能够模拟试验操作中的每个步骤，并加以文字或语言说明和解释。在虚拟世界中设备可按不同参数产生不同的效果，使学生置身其中，实现个性化教学。

4 实验教学成效反馈

如今，虚拟仿真实验教学在课程教学中发挥着越来越大的作用，其教学实施成效主要体现在以下3 个方面。

4.1 学生有良好的反馈

学生普遍认为全景模拟的虚拟实验比传统模式实验更有趣，能够在虚拟环境中最大限度地实现自己的思路，自由进行各种试剂的添加和配比，自主地选择各种处理设备，而不用担心在实验中发生失误或意外事故，大大提高了学生学习热情与兴趣、对整体流程的熟悉度及掌控度。

4.2 教学有良好的反馈

采用虚拟仿真实验教学方式，教师在教学的过程中可进行程序化的实验演示，减轻了教学任务，提升了授课效率。通过虚拟仿真软件，依托虚拟仿真形式，形成了以学生为主导的实践教学模式，受到教师的广泛好评，新模式下的授课方式吸引了更多的师生加入，树立了良好的口碑。

4.3 为其他课程的建设提供了借鉴

虚拟仿真技术为“食品工程原理”实验课程的讲授提供了全新的教学方法，是对原传统教学方法的有益补充，是一种使学生更直观更快捷掌握食品工程原理设备操作的教学方式，并为其他课程的虚拟仿真实验建设提供了借鉴。

5 结语

食品工程原理虚拟实验可提供一个三维的、高仿真度的、高交互操作的虚拟的食品模拟操作平台，使学生通过在本平台上的操作练习，进一步了解食品工厂实际操作环境、熟悉主要食品设备原理，为进行实际操作奠定良好基础。通过虚拟实验教学，为学生提供了一个自主发挥的实验舞台，有利于调动学生动脑思考，培养学生的动手能力，同时也增强了学习的趣味性。