食用菌罐头加工虚拟仿真实验在教学中的应用

魏泉增 孙军涛 张永清 郭孝辉

罐头食品是我国的传统加工食品，由于携带和食用方便，储存时间长，因此备受世界各国消费者的青睐。2021年，我国出口食用菌罐头量在23万吨以上，贸易总额约11亿美元。罐头加工被全国众多高校食品类专业列入理论或实践教学环节，但却存在罐头生产实验成本高、难以复制罐头生产现场、实践教学环节课时少及工厂实习存在安全隐患等问题，导致食品相关专业罐头加工实践教学环节存在严重不足，直接影响了专业人才工程实践能力和创新能力的培养。

虚拟仿真实验是国家信息化教育战略的重要实践内容，依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生可以随时随地在虚拟环境中开展实验活动，对实体实验进行了有益补充。利用虚拟仿真技术，教师可以将实验教学中难以理解的知识点传神地表达出来，使学生更容易掌握、理解、运用，还可以克服实验场地的不足，实现低成本且不枯燥地授课，培养学生的创新创业意识、科研思维和动手能力。

为解决食品工艺学、果蔬加工工艺学、果蔬贮运学等课程存在的授课方式单一、教学成本高、学生参与度低等问题，许昌学院食品与药学院采用虚拟仿真技术构建了食用菌罐头加工制作虚拟仿真实验系统，用于辅助学生开展食用菌罐头加工技能学习和生产实习。本虚拟仿真实验系统包括认识、加工过程、自主练习和线上考核4个模块，通过系统中的人机交互学习模式，强化了学生对食用菌罐头加工制作技能和相关专业知识的学习，为培养食品专业高水平人才提供了新的教学思路。

一、传统实验教学存在的不足

1.实践教学资源严重不足。近年来，高校的招生人数逐年增多，再加之有些院校经费投入不足，实验室面积与学生人数不匹配现象十分突出，导致上实验课时，一个班的学生被分成若干小组，以小组为单位开展实验，每个人能够动手操作的仅是实验的一部分。对于价格不菲的大型精密仪器，学校通常开展演示实验，学生很难有动手练习的机会，到企业实习时又无法对整个产品的制作过程有一个全面的认识，限制了学生的创新能力和动手能力。

2.实验教学方法简单、内容偏少。传统的食品加工实验教学缺乏创新的教学内容，实验课的时间也有限，教师只能挑选容易实现、时间短的实验，先对实验原料和所需仪器进行简单讲解，学生再按照讲义重复实验，无法提高学生的学习主动性和积极性。有些学生甚至利用实验课的时间完成实验报告，这完全偏离了开设实验的初衷，也是对实验资源的浪费。

3.考核方式单一。食品加工实验课程的考核方式一般是出勤加上实验报告，并没有对实验过程的细节进行考核。学生只要按照实验指导书写好实验预习，并完成实验报告书写，一般就能取得很高的分数，但这并不能反映学生真实的实验能力。

二、虚拟仿真实验教学的优势

1.重复利用教学资源，减少教学投入。食品实验课上所用的食品加工仪器设备大多笨重且结构复杂，通过教师的简单讲解，学生在短时间内并不能完全掌握。虚拟仿真实验采用动画，使学生在虚拟环境中学习整个工艺流程，可以达到事半功倍的效果。虚拟仿真技术能够减少实验教学的投入，减少实验员准备实验的工作量，提升学生的实操能力。利用虚拟仿真技术搭建虚拟工厂场景，再现食品加工整个工艺流程，随时进行讲解和答疑，能够使学生深入了解食品加工过程中的现有技术，有助于巩固学生的专业基础知识，提高实际动手能力，从而更好地适应未来食品加工企业的要求。

2.教学内容更加充实。由于实验学时有限，食品加工过程中等待时间长，导致开设的实验仅是整个食品加工过程中的一小部分，学生只能依靠课下的学习和课上教师简要的讲解了解食品加工的整个过程。而利用虚拟仿真技术可以充实教学内容，学生也可以在有限的实验课上了解并掌握食品加工原理和过程，取得较好的学习效果。

3.考核評价更加及时。科学合理的考核方式能够帮助教师及时了解学生的学习效果，从而改进教学质量、提高教学效果。传统的考核方法是教师制定评分细则，学生完成教师布置的作业后，教师根据评分细则对学生进行评价，而后反馈给学生，具有一定的滞后性。利用虚拟仿真技术对学生的学习效果进行评分，能够更加及时全面地掌握学生对整个实验的掌握情况，使学生在实验学习中化被动为主动，让实验考核评价更及时、全面、客观，从而提高实验教学的效果。

三、虚拟仿真实验的局限性及解决方案

1.虚拟仿真实验的局限性。与真实场景实验相比，虚拟仿真技术在实验教学方面虽有一定的优势，但是实验过程太过理想，只要进行相似的操作，就一定能得到相同的结果，这与实际情况不符。如果是真实的实验操作，学生可能会遇到这样或那样的意外，但虚拟仿真实验没有意外，减少了学生之间的团队合作和交流机会。同时，虚拟仿真实验大多没有特色，相似的场景、相似的过程可能会使学生慢慢失去兴趣。

2.解决方案。针对虚拟仿真实验存在的局限性，应尽可能把仿真实验和真实实验有机结合起来，促进高新技术和实验教学活动的融合，形成“虚实结合”的教学体系。

第一，通过线上线下混合教学，即线上设计综合训练题目及工艺参数模拟操作，线下对加工工艺各环节进行实际操作，可以让学生牢记加工的关键步骤，保证操作正确、规范，大幅提高实验的正确性与效率，弥补真实实验在教学资源、设备、流程方面的不足，同时帮助学生克服对实际蔬果罐头加工环境陌生造成的迷茫及对现场操作无从下手的畏惧感。罐头加工虚拟仿真平台主要包括信息管理、模拟仿真、报告提交和在线交流模块，通过虚拟仿真技术，学生可以实现选课预约、预习、实验、提交实验报告、提问、讨论、在线测验；教师可以实现规划课程、管理学生、发布公告、发布课程、问卷调查、在线批改作业、在线发布试题、答疑、分组、成绩统计。虚拟仿真平台也可为学生提供标准实验模拟、仿真实验设计、实验结果预测等功能，提高学生的逻辑思维能力、创新实验设计能力和综合实践能力。

第二，立足许昌学院，建设有特色的虚拟仿真实验。立足轻工行业需求及罐头在中国食品行业的影响力，依托许昌学院食品与药学院食品科学河南省重点学科、食品质量与安全河南省一流本科专业、河南省食品安全生物标识快检技术重点实验室、食品医药与健康专业集群、食品医药与健康产业学院等平台，与河南世纪香食用菌开发有限公司合作，为学生开展探究性学习、自主实验和创新实践提供先进手段，解决了罐头加工实验投入大、能耗高、风险大、难观测等问题，以及由于罐头生产过程耗时长且不可逆而不便于采用真实实验进行教学的问题。

四、食用菌罐头加工制作

虚拟仿真实验教学的具体实施

以白灵菇为原料，设计完整的罐头加工工艺，将分散的专业知识点串联成一个系统工程，通过三维构建与数值模拟，将系统设计、教学实施以及学生评价三方面有机结合。

1.实验教学流程。（1）实验预习。学生在课前进入许昌学院教学示范中心，点击虚拟仿真模块，选择“白灵菇虚拟仿真实验”，输入学号和密码，通过观看平台提供的认知模块，了解白灵菇的相关信息，包括白灵菇简介、形态特征、生长条件、栽培技术和营养价值；通过加工过程模块，学习任务操作后进入仿真工厂进行相应操作，对于初次仿真模拟学习中遇到的问题，学生之间要进行讨论并反馈给教师；通过自主练习模块，使学生加深对白灵菇生产过程的了解。（2）课堂实验操作。教师进行白灵菇罐头的加工讲解，通过屏幕广播的形式将操作要点呈现给学生；学生再次操作软件，完成实验过程；学生掌握了白灵菇的操作要点后，进入线上考试模块，完成自我测试。（3）报告及评价。学生完成现实考试模块后，成绩会立即反馈给教师，成绩包括虚拟软件操作评分、测试题得分和实验报告得分。教师根据学生成绩，当堂对学生进行有针对性的讲解，使学生更快掌握白灵菇罐头的操作要点。

2.虚拟仿真软件的具体操作。在虚拟仿真界面，用鼠标点击进入白灵菇罐头加工的不同生产模块，包括原料验收、去除包装、漂洗、预煮护色、冷却、清洗、挑选分级、灌装等单元，了解各个单元操作的布局。

进入生产车间，首先是原料验收，了解原料验收的基本过程及检测项目；再切换到包装，鼠标滑过白灵菇的包装带；接下来进入漂洗环节，这里有相应的功能及方法信息提示；然后是预煮护色，如图1所示。

图1：白灵菇预煮护色单元操作

接着是冷却单元操作，了解冷却温度和冷却时间，进入冷却、清洗、挑选分级、灌装、杀菌、入库、储藏单元进行操作，同时切换到不同视角，对不同的单元操作过程进行回顾。车间整体布局如图2所示。

图2：车间整体布局

综上，许昌学院食品科学与工程专业注重“虚实结合”实践教學体系建设，学生通过虚拟仿真实验教学平台完成在线学习及真实操作，提高了自主学习和实践能力，为之后从事研发、生产、管理等工作打下了坚实基础。

基金项目：教育部产学合作协同育人项目（220606707194726）；河南省2021年度本科高校虚拟仿真实验教学项目（253）；许昌学院招标教研项目（XCU2022-ZB-03）；许昌学院研究性教学系列项目（XCU2022-YJXJG-007）。

作者简介：魏泉增（1983-），男，副教授，博士，研究方向为发酵食品成分检测。