食品科学“虚拟仿真”实践教学平台的建立

张 燕，奚春宇，郭 娜，张铁华

（吉林大学食品科学与工程学院，吉林长春 130062）

0 引言

随着手机移动端和互联网、人工智能等现代信息技术的不断普及与蓬勃发展，传统教育教学方式不利于学生个性化发展方面的劣势日益凸显，而MOOC 平台及虚拟仿真等相关实验技术对高等教育教学改革产生了重大影响。虚拟仿真实验教学模式是以计算机虚拟现实与数字仿真等技术相结合而形成的高度仿真虚拟实验环境与实验物体为基础而设计的一种全新教学模式[1]。虚拟仿真实验室的概念，最早由美国弗吉尼亚大学教授戴维斯提出，最开始应用于军事作战系统。目前，该技术已被广泛地应用于各个行业，如生物科学、土木工程、电子信息、道路桥梁、室内装修[2-6]，但是将虚拟现实技术应用于食品工程实训环节的研究应用仍处于探索阶段。

目前，实践型创新人才受到各个领域重视，将虚拟仿真技术与各个专业课程实践教学相结合受到教育部的高度重视，2017 年4 月，教育部高教司发布的《“新工科”建设行动路线（“天大行动”）》中明确指出：“充分利用虚拟仿真等技术创新工程实践教学方式”。2018 年教育部提出《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》及2019 年5 月教育部科技发展中心成立虚拟现实研究中心均提出“以全面提高高校学生创新精神和实践能力为宗旨”“推动虚拟现实技术在教育领域的深度应用”[7-8]。由此可见，把虚拟仿真技术带进大学课堂教育势在必行。

将虚拟仿真技术与食品工程科学专业课程的实践教学相有机地融入，借鉴国内外高等院校虚拟仿真实验教学的成功经验，制定一套科学的实践教学方法和体系，开展了基于实践型、创新型人才培养虚实相结合的实践教学方法与模式研究探索。

1 食品科学虚拟仿真实验平台建立的背景

2017 年2 月，教育部提出新工科建设，强调了高等教育对于培养大学生分析和解决实践性问题的意义和能力的重要性，实践教学是工科专业创新人才培养的重要手段，食品科学与工程专业是拥有近30 年办学历史典型的工科专业，其与人们生活密切相关。食品科学与工程专业的教育不仅要向学生传授专业化的理论知识，同时还要注重食品工程理论联系现场实际、培养学生创新意识、提高学生动手操作及解决实际技术问题的能力，直接决定了学校食品工程理论与实践课程的教学在专业技术人才培养中所占有的特殊地位与重要性[9]。但是，目前食品专业实验教学存在如下几个方面的问题：

（1） 实验室硬件的配置及开放力度不足，实验、实训设备有时不能满足教学的需要。对于一些高端精细操作设备，如液相、质谱仪等，即使实验教师在实验室反复讲解，也不能保证每个学生都能理解到位，如果学生都动手操作会出现人多拥挤以及安全隐患等。

（2） 课程中的实验一般都是固定时间、固定地点、学生在上课前少有时间和机会直接进入实验室进行预实验，并且如果一个学生没有掌握实验原理及步骤，直接做实验可能会因为错误操作不断地重复使用，实训器材的损耗增多，致使一些研究型、创新型、综合型实验开展受限。

（3） 传统实验教学中以验证型实验居多，就是固定一些实验项目、实验设备、实验操作步骤、实验学时数等，学生按部就班记录自己的数据，完成一份实验报告，整个课堂的实验教学过程模式固定，学生实验兴趣不足，表现出来就是课堂沉静枯燥，缺少灵活性、趣味性。

（4） 传统教学忽略了结合现代科学技术，无法直观展现仪器内部构造，如教师上课展示实训仪器小部件（如食工原理板框过滤孔板） 时，因实物太小，学生不易看清，距离较远的学生根本看不到。对于一些较大型的工艺生产线（如焙烤、啤酒、酸奶等生产线），教师不能拿到教室。课后，学生复习中几乎没有任何实物或者图形，只能靠回忆课上内容，既不利于学生课后复习，也不利于学生各个知识点的掌握。

虚拟现实等信息技术不仅具有高度仿真、沉浸式体验、高交互等特点，并且能够实现时间、空间、仪器设备及指导模式的开放，为理论课程与实践教学相结合创造了新的机遇，已经或将要对高等教育教学带来颠覆性的冲击和影响[10]。

2 食品科学虚拟仿真建设理念

“虚拟仿真实验”是基于计算机网路技术可以实现资源共享的新型教学模式，食品工程（实训） 课程中内容多、操作性强，采取“虚+实+虚”的实验教学模式，强调学生的主体地位，坚持“虚实结合”“以虚补实”的理念，通过VR 技术形象直观地展现整个食品加工过程中各单元操作的原理及联系[11]。学生在校园内就能体验到食品生产实习企业的工作流程和标准，以及最新现代营养理念及技术，有效地激发学生的学习兴趣，改善目前高校食品工程实践环节存在的设备短缺、更新缓慢、教学模式单一、教学内容枯燥等问题，突破时间、空间、实验设备以及指导模式的限制，保障实验安全性，加强学生的实践锻炼。虚拟现实技术的应用，学生可以随时随地进行预习，有助于学生课下实践，提前把握实验的操作流程、整体框架，有效缩短了学生熟悉基础操作、工艺流程的时间，在很大程度上提高学生的学习效率，可以服务于工程类学生实验、实习、实训教学和科研训练[12]。

3 食品科学虚拟仿真实验教学实施过程

坚持“能实不虚”的原则，从食品工业生产实践中引导学生发现问题，采用线上虚拟实验线下实验室设备操作相结合的实验方式，提前分析和统计每位学生在线上虚拟仿真实验中出现的疑难问题，在课堂或实验现场对其进行深入讲解，层层递进，逐个击破，实现虚拟实验与线下的实体实验教学之间的互动和促进。

3.1 实训前——实践教学准备环节（虚）

使用食品工程（实训） 虚拟仿真教学单元操作系统进行演示教学，在开始进行食品工程虚拟仿真实验操作之前，向全体学生介绍食品企业生产者与实验密切相关的问题，学生通过查找实验相关资料确定操作方法，自主选择相关的食品工程虚拟仿真单元操作，结合数据资料了解实验原理、所需实验设备及实验操作方法，3D 直观的感受，对于食品工程虚拟仿真教学系统表现出了较高的求知欲。

3.2 实训中——实践教学操作环节（实）

从电脑室虚拟操作后，教师安排学生前往实体设备实验室。通过虚拟仿真实训系统对单元操作中实验步骤的反复练习，不同的参数设置，预估实验结果，提高学生的操作体验，加深理解实验方法及应用。然后教师实际操作演示，学生动手操作实体设备。学生从虚拟操作到实践操作实物，更有体会，更能快速完成。

3.3 实训后——实践教学评价环节（虚）

实操教学结束后，再次进入虚拟仿真实训操作环节，进行实践教学学习总结与应用评价。考核评估的内容包含了所有的理论知识测验试题、实操（占50%分值）、自评、互评。虚拟仿真系统可以提供多项分析指标、导入试卷，以及评价参数。学生总结自己，不仅在学习知识上的收获，而且在能力应用方面的收获。

4 食品科学虚拟仿真实验教学平台

食品工程（实训） 虚拟仿真学习平台主要包括3D 图形、声音视频、2D 动画、文本信息及互动测验等单元，在课堂上拓展了知识面，并更容易理解，也方便个人在家进行学习，使学习者能根据自身的节奏和时间灵活进行学习。该系统内容主要包括如下几个部分：

（1） 食品工程实验室安全虚拟仿真体系。

（2） 食品工程三传理论（实验） 虚拟仿真体系（食工流动过程综合3D 仿真实验、液液萃取塔实验3D 虚拟仿真实验、离心泵特性曲线测定3D 实验、传热综合3D 仿真实验、恒压过滤常数3D 仿真实验、萃取塔3D 仿真实验）。

（3） 食品工程工艺生产线虚拟仿真体系（啤酒发酵生产线、面包加工生产线、乳粉加工）。

食品工程（实训） 环节虚拟仿真教学软件操作界面见图1。

图1 食品工程（实训） 环节虚拟仿真教学软件操作界面

5 结语

随着现代信息技术的发展，国家对具有工程实践能力的应用型人才提出了更高的要求[13]。吉林大学食品科学与工程专业正在积极尝试构建和发展能够符合学校学院特色的虚拟仿真实验教学模式和课程体系。通过虚拟仿真实验学习平台的搭建，使学生在课堂学习更加快捷、方便、高效，该实验平台对有效培养在校大学生自主创新意识，提高实践动手和解决问题的能力具有重要的意义。