虚拟仿真实验在“食品机械与设备”教学中的应用

张 崟，陈卫军，周 闯，刘文龙，余 华，刘达玉

（成都大学食品与生物工程学院，四川成都 610106）

虚拟仿真实验是指通过对实物信息收集、软件模拟、仿真重现、系统组装等过程，构建的可以模拟现实实验过程的软件[1]。学生可以利用虚拟仿真实验，体验现场参与实验的场景，进而达到更直观地掌握实验技能的效果。虚拟仿真实验，可以有效避免错误操作引起的实验安全风险。同时，可以替代一些高温、高压、易制毒、易致爆等不适合，或者现有的实验条件不具备开设的极端实验项目。因此，虚拟仿真实验在学生实践能力培养过程中的作用，越来越受到各国重视。我国教育部于2017 年以来，批准了多项虚拟仿真实验项目[2]。成都大学的“吐司面包生产工艺3D 虚拟仿真实验”，2018 年获教育部认定，并在教学中广泛应用[3-4]。

“食品机械与设备”是专门介绍食品加工过程中所用典型设备的课程，主要讲解设备的分类、工作原理、基本构造、操作参数及维护维修等内容。通过该课程的学习，学生具备操作和改进食品加工设备的能力。成都大学的“食品机械与设备”课程2020 被评为省级应用型示范课。为了更好地提高该课程的教学质量，结合团队的教学实践，讨论了虚拟仿真实验在“食品机械与设备”课程中的应用。

1 虚拟仿真实验对“食品机械与设备”课程教学的积极作用

1.1 可以激发学生的学习兴趣

大学生在经历初中、高中的题海训练后，大部分学生已经对传统的教学方式产生了厌倦。将虚拟仿真实验与“食品机械与设备”课程教学有机结合，通过透视化的演示，就能使学生更加直观、快速地了解和掌握设备的工作原理及其工作过程。不仅减少了教师的讲解负担，而且有利于激发学生主动学习的兴趣。

1.2 让学生沉浸式感受机械的多维场景

在“食品机械与设备”课程教学中，将VR（Virtual Reality） 眼镜或头盔应用于设备工作原理及其现实应用的教学，可以使学生通过沉浸式感受，从多角度、多层次直观地体验设备内部及其周围环境状况，使学生不仅能够很快地对食品加工机械产生定性认识，而且可以通过点击使用说明，了解设备材质、工作条件、工艺参数、安全注意事项等信息；通过输入参数，观察设备的工作过程，甚至可以通过输入错误参数，观察设备在错误操作情况下可能出现的安全事故等。

1.3 让学生与设备实现实时信息互动

虚拟仿真实验不是单纯的直观演示，更不是走马观花。在进入实验后，在不同的阶段都有语音讲解。在收听语音讲解时，学生需要记录有关的知识点。在讲解结束后，还会设置一定的问题，回答正确后才能进入下一个操作环节。通过这样的实验设计，就能使学生与机械之间实现实时信息互动，加深对机械工作原理及关键运行参数的记录和记忆。在进入自主体验阶段，学生可以根据个人兴趣，设计设备的运行参数，通过自主输入设备运行参数，观察在不同操作条件下设备的工作状态。

1.4 激发学生深入学习的兴趣

由于设备的虚拟仿真模拟，往往与现实设备存在一定的差距。在课程教学设计中，可以通过布置课外作业等方式，激发学生去学校的实验室查看并记录实际设备的信息，或者通过市场调查，了解最新的同类设备及其市场价格等信息，达到举一反三，引导学生了解和掌握更多相关设备信息的效果。

2 虚拟仿真实验的应用方式

2.1 设备工作原理的讲解

工作原理是“食品机械与设备”课程的教学重点和难点，只有很好地掌握机械与设备的工作原理，学生才能更好地理解食品设备在食品加工过程中的作用，并在此基础上与其他学科融会贯通，实现新的理论创新和对设备工作参数根据实际需求做适当调整。在该课程讲解过程中，会有许多机械的工作原理难以讲解，如板框过滤机、碟式分离机等。这些设备在用平面示意图讲解其工作原理时比较抽象，这时将板框过滤机和碟式分离机的虚拟仿真设备，通过网络链接实现在线播放，能使学生更直观地了解其工作原理。

2.2 设备运行过程演示

食品机械与设备的运行过程是辅助讲解其工作原理不可缺少的组成部分，更应该有相应的虚拟仿真软件辅助讲解，尤其对一些需要有过程演示才能更加清楚的加工过程，如水环式真空泵、罗茨鼓风机等。在讲解这些输送设备的工作过程时，采用静态的图示很难讲清楚。如果采用虚拟仿真软件辅助教学，可以通过动态演示物料的行径，清楚地展示其运行过程。不但可以使复杂的设备运行过程讲解变得更加生动有趣，而且容易促进学生在理解的基础上很好地掌握设备的工作原理。

2.3 设备操作参数设置

在“食品机械与设备”课程教学中，除了设备的工作原理及其工作过程是重点之外，学生掌握相应的设备操作参数也非常重要。教师在讲解杀菌锅在不同食品的杀菌中应用时，可以通过虚拟仿真软件辅助教学，使学生通过软件，输入相关食品的设备操作参数，进而锻炼和加深其对不同食品所需杀菌工艺参数的掌握，达到学即能用的良好效果。

2.4 展示设备在生产线中的作用

有些“食品机械与设备”教材，在介绍食品加工机械时是采用分类方式进行的，如运输设备、尺寸减少设备、分离设备、成形设备、杀菌设备等。学完这类教材后，学生无法将设备与其在实际生产线中的应用紧密联系。这时有必要采用虚拟仿真方法，让学生认识一些食品加工生产线，掌握设备在生产过程中所发挥的作用。有些高校已经将该类仿真实验用于辅助完成学生的认识实习、生产实习及毕业实习等教学。成都大学的食品科学与工程类专业，利用已建有的省级虚拟仿真中心，辅助完成学生的生产实习和毕业实习。

2.5 设备维护及安全操作

食品设备在使用前，通常要进行安全教育，使用后要进行日常检修和维护，否则不仅会影响制作的食品质量，甚至会产生安全隐患。比如，在饮料及液态杀菌乳加工过程中，都会用到CIP 清洗系统。在讲解该套清洗设备时，如果能结合虚拟仿真软件，在讲解CIP 系统的操作过程的同时，讲解其在乳制品及饮料加工生产线的清洗和维护中的应用。这样不但可以使学生轻松掌握CIP 系统的工作原理，而且可以认识到CIP 清洗系统在液态食品加工生产线中对设备维护的重要作用。

3 虚拟仿真实验的应用案例

3.1 虚拟仿真技术在啤酒酿造工艺设备讲解中的应用

在讲解啤酒酿造设备时，可以将啤酒酿造设备与制作工艺同时讲解，内容包括麦芽汁制备、冷却、酵母菌投放、发酵罐发酵等。

（1） 原料粉碎。在虚拟仿真软件设计时，将大米、麦芽的粉碎机粉碎过程制作成虚拟操作，使学生了解粉碎操作过程的重要性。尽管粉碎只是通过简单的机械挤压，使大米、麦芽变成小颗粒，但是该操作对后期淀粉的糖化、麦汁的发酵及过滤等都非常重要。

（2） 糖化、糊化。将淀粉糊化和糖化利用虚拟仿真试验进行演示，学生可以通过手动将大米及麦芽粉，加入糊化锅，在温水作用下使淀粉糊化和糖化。通过该操作，使学生了解和掌握淀粉在啤酒酿造过程中的糊化条件及发生的生化反应；掌握麦芽中的酶对大米中的淀粉及蛋白质的作用机理。

（3） 麦芽汁过滤。利用虚拟仿真软件，演示淀粉糖化后，将糖化醪液利用泵推作用，输送到过滤机，并将麦芽汁与麦芽糖分离，得到澄清的麦芽汁。通过该操作，使学生理解麦芽汁的过滤过程及过滤对后期发酵的重要作用。

（4） 高温煮沸，加啤酒花。学生通过虚拟操作，将麦芽汁输送到麦汁煮沸锅中，再加入啤酒花调味的过程，使学生掌握啤酒花在煮沸条件下对麦芽汁的成分、香味、苦味及其他有效成分的影响。

（5） 澄清冷却。将煮沸后的麦汁泵入冷却器后，冷却至10 ℃左右，以备接种啤酒酵母的过程。学生通过虚拟操作，掌握麦汁温度对啤酒酵母发酵的重要性。

（6） 加入酵母发酵。经过冷却的麦芽汁，往其中加入啤酒酵母和无菌空气，输送到发酵罐中，开始在一定温度条件下发酵不同时间的工艺过程。通过该操作，使学生掌握发酵条件对啤酒中酒精含量及风味物质形成的重要作用。

（7） 硅藻过滤。利用虚拟仿真软件演示发酵液成熟后，经过离心及多重过滤，去掉发酵液中的发酵残留物、酵母等，成为均匀的胶体，再经巴氏灭菌制成啤酒产品的工艺过程。通过该操作，使学生掌握过滤对啤酒产品形态形成的重要性。

（8） 灌装。利用虚拟仿真软件操作，使学生掌握发酵成熟的啤酒经过负压或常压灌装，制得成品的过程，掌握产品包装对啤酒贮藏稳定性的重要性。

3.2 虚拟仿真技术在管壳式热交换器设计讲解中的应用

管壳式热交换器是食品加工过程中有冷热能量传递过程的共性操作单元，对掌握热交换设备的工作原理非常重要，理论虚拟仿真实验，通过逐级演示和操作演练，可以使学生充分掌握其工作原理及使用注意事项。

（1） 开始前准备。利用虚拟仿真软件，演示管壳式热交换器的开机前状态，当换热器处于常温常压下，每个可调阀均处于手动关闭状态，各手操阀处于关闭状态。通过该操作，使学生掌握管壳式热交换器操作前的安全注意事项。

（2） 启动冷物流进料泵。利用虚拟仿真软件，演示打开换热器管程排气阀，打开泵前阀，按下启动按钮，再打开泵的后阀等操作。通过该操作，使学生掌握进料泵的工作压力及工作过程。

（3） 冷物流进料。利用虚拟仿真软件，演示打开换热器的进料泵的前后阀，打开冷物料进料阀，手动控制调节阀。观察换热器壳程上的排气阀、冷物流出口阀的运行情况。通过该操作，使学生掌握冷物料流量等工作参数。

（4） 启动热物流入口泵。利用虚拟仿真软件，演示打开壳程排气阀，开物料泵的操作过程，观察进料压力表的指示值。通过该操作，使学生掌握冷物料的流动过程及工作压力。

（5） 热物流进料。利用虚拟仿真软件，演示打开开阀给换热器管程注液的过程，观察进出口温度变化。通过该操作，使学生掌握管壳式热交换器的换热工作原理。

4 结语

“食品机械与设备”课程对培养学生的工程实践能力非常重要，尤其对增强学生解决复杂工程问题的能力具有积极作用。在该课程讲解时，通过独立设置实验课，或者通过网络链接等方式，将虚拟仿真实验用于辅助理论教学，可以达到事半功倍的教学效果。学生可以通过体验式参与，帮助其理解设备的工作原理、工作过程等理论内容。此外，还可以通过将学生带入现实应用场景等方式，促进学生将所学习的食品设备恰当地用于食品生产线。总之，虚拟仿真实验在“食品机械与设备”课程的理论讲解中的辅助应用，可以获得较传统教学方式更好的教学效果。