虚拟仿真技术对食品专业工程能力培养的影响

陶能国，黄师荣，陈秀梅，陈东方，刘文杰，欧阳秋丽

（湘潭大学化工学院生物与食品工程系，湖南湘潭 411105）

工程教育专业认证是实现工程教育和工程师资格国际互认的基础，也是教育部推进工程教育改革、提高工程类本科教育质量的重要抓手。2006年，中国开始启动工程教育专业认证；2013年，中国成为《华盛顿协议》的预备成员；2016年6月，成为工程教育本科专业学位国际互认《华盛顿协议》的第18个正式成员国[1-2]。截至目前，全国共有35个高校的食品科学与工程专业点通过了工程教育专业认证。在工程认证体系中，如何有效提高学生工程能力已成为新工科背景下食品科学与工程专业人才培养的关键，解决实际工程问题能力已成为食品科学与工程类专业人才培养需要达到的核心能力之一[3-4]。对虚拟仿真技术在提高食品类专业学生工程能力的现状进行分析，以期为我国食品科学与工程专业工程能力培养体系构建提供启示与借鉴。

1 食品科学与工程专业工程能力培养体系现状

现行的食品类专业人才培养体系中，工程能力的培养主要通过工程基础课程（“高等数学”“线性代数”“大学物理”和“机械制图”等）、工程专业发展课程（“食品工程原理”“食品机械与设备”和“食品工厂设计”等）、课程设计、毕业设计、金工实习、认知实习和生产实习等多个教学环节来共同完成[5]。国内众多开设食品科学与工程专业的高校未在工程基础选修课程设置相关强化和提高课程，导致学生工程基础知识薄弱、工程基本技能欠缺。实践教学环节中，对机械设计、食品工程设计和食品工厂设计的弱化造成毕业生难以根据食品生产工艺方案进行生产线的设计与设备配置，从而难以对食品生产过程与装备提出改造与革新方案[6]。此外，教师的工程能力不足或者缺乏的问题也很大程度上影响学生工程能力培养，且现行的高校绩效和奖励制度侧重科研成果，轻视教学业绩，导致部分专业教师特别是新引进的年轻教师不会主动投入大量时间和精力进行工程实践，参与行业培训[7-8]。如何克服这些因素影响，构建完善的工程能力培养体系，是新工科人才培养体系中急需要解决的问题。

2 虚拟仿真技术及其特点

虚拟仿真技术作为信息化时代的产物，是利用计算机技术、网络通讯技术、人机交互技术、人工智能技术及传感技术等交叉综合集成产生的一种现代技术。由计算机硬件、软件及多种传感器构成的三维虚拟环境，使人易于投入并沉浸在模拟环境中，人们还可以亲自进行操作，与虚拟环境进行交互。利用虚拟仿真技术的沉浸性、交互性、虚幻性和逼真性等特性，利于教师将实验教学中的抽象内容和复杂的知识点以生动形象的教学方式传达出来，使学生乐于学和易于学[9]。虚拟仿真技术的应用不仅可以克服食品类专业课时和资源的限制、直观展示实验或设备原理，还可以解决工艺设备和贵重检测设备台套数不足等问题，促使学生更好地掌握教学知识，巩固学生的工程能力[10]。

3 虚拟仿真技术应用于食品专业工程能力培养现状

3.1 虚拟仿真技术应用于食品类专业工程能力培养基础课程

“食品工程原理”是食品科学相关专业的一门核心课和重要的专业基础课，主要培养学生运用各种技术手段来分析和解决各种食品工程实际问题的能力，逐步培养工程意识和思维[11-12]。由于该课程涵盖基础知识面较广、理论公式较多、计算推理过程复杂，导致很多学生在学习过程中存在学习障碍。为了克服以上问题，国内多所高校已陆续开展“食品工程原理”虚拟仿真实验教学。华中农业大学“食品工程原理”课程教研小组引进了“食品工程原理实验仿真教学软件”，该软件可模拟“离心泵特性曲线的测定”等8个“食品工程原理”实验的操作过程，演示不当操作对实验设备的影响，模拟分析实验数据，极大地提高了学生的学习兴趣，有效解决了实验室现场教学设备数量不足的问题[13-14]。江南大学在“食品工程原理”实验教学中引入计算机仿真技术，通过仿真实验促进学生建立各单元实验的感性认识，提高“食品工程原理”实验教学效率与质量[15]。中国农业大学在“食品工程原理”教学过程中，开发运用计算机辅助教学（CAI）系统与虚拟仿真实验教学（OWV）系统和网络教学，提高了学生实际处理工程问题的能力[16]。吉林大学在“食品工程原理”实践教学中，从食品工程单元操作的实际出发，将实验教学中无法观察到的现象及实施困难、高危的单元操作采用3D虚拟仿真的形式突出展现，提高了学生对“食品工程原理”课程的三传理论原理、操作流程、设备构造及布局、食品工程思维的理解能力，有效提升了学员工程设计能力[17]。福建农林大学、重庆工商大学、渤海大学和新疆农业大学等多所高校也在“食品工程原理”教学中广泛采用虚拟仿真技术，取得了较好的教学效果[18-22]。

3.2 虚拟仿真技术应用于食品类专业工程能力培养核心专业课程

“食品工艺学”是食品科学与工程专业的学位课程与专业核心课程，该课程的任务是传授学生食品加工与保藏的技术理论与专业知识，培养学生分析食品加工和保藏过程中的复杂问题，并能提供解决食品工艺问题与产品开发方案的素质与能力。中南林业科技大学将虚拟仿真技术应用于“食品发酵设备”和“食品发酵工艺”教学过程中，学生不仅可以利用虚拟仿真技术生动形象地演示发酵罐系统的整个工作过程，还可以建立与生产装置工艺流程图保持一致的工艺仿真图，实现对虚拟仿真模型中整个发酵工艺过程的操控[23]。江南大学将虚拟仿真实验平台应用于“食品工艺学”实验课程改革与实践，这种虚实结合的实验教学模式，使学生能够更扎实地掌握食品加工与保藏的基本原理，锻炼与食品加工工艺相关的实践能力，从而真正实现理论联系工厂实际[24-25]。渤海大学在酸奶生产线教学中引入3D酸奶工厂生产实习仿真软件，让使用者对实际生产时所需准备的工作做到熟练掌握，并对工厂的预处理车间、配料车间、发酵车间、CIP清洗车间等进行了高度还原，并且每个加工车间都配备了动画讲解环节和实验设备的详细介绍，确保了学生从整体把握酸奶的加工生产过程，快速、准确地对整个生产线有一个全面的了解[26]。

“食品机械与设备”是食品科学与工程专业工程类课程的重中之重，在该课程的教学与学习过程中，强化学生的工程实践和实际动手操作能力显得尤为重要。华南农业大学针对“食品机械与设备”实验教学中存在大型机械设备短缺、场地限制等问题，将虚拟仿真技术引入实验教学，构建了虚拟仿真实验教学平台。该平台主要包括机械设备结构认知仿真和虚拟仿真实验操作2个模块，充分发挥了虚拟仿真实验生动、直观、安全等优势，能促进学生更好地学习该课程，帮助理解机械设备在食品加工生产过程中的重要性[27]。徐州工程学院在教学过程中依托虚拟仿真和实验教学项目，完成对典型食品机械和设备原理的深入讲解、操作和拆卸的虚实结合及常见问题的排查解决，通过利用专业自身的虚拟仿真项目《植物蛋白粉及饮料生产三维虚拟工厂实训》和实验室小试及中试设备，举一反三地了解食品机械设备的理论知识和单机操作与工厂实际生产之间的不同，从而强化学生的工程实践能力[28]。

“食品工厂设计”课程在培养学生工程能力方面发挥着重要的作用，该课程对学生的综合能力、实践能力要求比较高，要求学生熟悉掌握国家对食品工厂建筑、食品卫生的法律法规，ISO 22000，HACCP质量体系认证、食品加工、管理、设备等多方面知识。大连海洋大学结合学校特色，引入水产品加工虚拟仿真软件，每个学生都可以在电脑上对工厂布局和设备布局进行操作，可以简单进行多种方案设计比较，使学生更好地理解工厂设计的重要性[29]。宁波大学在“食品工厂设计”课程教学过程中，除了充分利用PPT课件、Auto CAD工程图等辅助工具外，还将课程中较难懂的部分通过视频、动画等途径展示，不仅丰富了课程的教学形式，还激发了学生的学习热情，有效提升课程教学效果[30-31]。

3.3 虚拟仿真技术应用于食品类专业其他专业课程

除了工程能力培养核心课程，其他食品专业课程也将虚拟仿真技术纳入了教学体系。中国农业大学探索了“食品物性学”的实验实践教学、虚拟仿真教学方法，根据学科最新发展态势，加强启发式教学及与实验、科研实践相结合的教学方式，并借助虚拟仿真技术，丰富和改进教学方法和手段，达到学生对课程内容掌握、理解并融会贯通的目的[32]。吉林大学对“食品营养学”实验教学中采用计算机仿真技术的可能性进行了认证和分析，并提出了下一步建设思路[33]。石河子大学借助虚拟仿真实验教学助力“食品微生物”实验教学的改革，提高“食品微生物学”实验的教学质量[34]。陕西师范大学在“食品分子生物学”教学中，结合虚拟仿真实验平台，学习利用酶联免疫分析技术检测食品中的农药残留、利用聚丙烯酰胺凝胶电泳分离蛋白质等实验[35-36]。河南农业大学将虚拟仿真技术应用到“食品分析与检验”课程实验教学中，加强了学生的直观认识，激发了学生的学习兴趣，利于学生将专业理论知识和实践技能有机结合，提高了学生动手能力和创新能力[37]。浙江工商大学在“仪器分析”实验教学中引入虚拟仿真实验平台，取得了较好的效果[38]。江苏大学在“食品无损检测技术”课程教学中引入虚拟教学手段，通过浏览器和服务器架构和3D仿真技术实现虚拟教学环境，既提升学生的工程实践技能，又培养了学生独立思考、解决问题的能力，基本实现了“工程与科研双导向”的教学实施目标[39]。此外，“食品化学”和“园艺产品贮藏与加工”等课程教学过程中也采用了虚拟仿真技术，取得了较好的效果[40-41]。

4 结语

尽管各高校纷纷结合自身特色从教学内容上进行了多种教学改革，构建虚实结合、虚实互补的实验教学体系，取得了一定的效果，但是“虚实结合”和“虚实互补”的思想尚未真正融入专业整体教育教学体系中，也没有形成融合教学改革和人才工程能力培养于一体的教育模式，更没有深入融合虚拟仿真教学实习、专业课程设计和毕业设计等多个环节。因此，构建一个“虚实结合”的多元化实践教学体系，以提高学生的工程设计和解决复杂工程问题的能力为目的的教学体系显得尤为必要。