工程教育认证背景下食品科学与工程专业虚拟仿真实践教学平台的构建

李作美

（蚌埠学院食品与生物工程学院，安徽 蚌埠 233000）

随着互联网、大数据、云计算及人工智能等信息技术的飞速发展，我国高校的教育教学正面临着全新的挑战，一些地方应用型本科高校的专业教学改革也在不断地推陈出新。目前，蚌埠学院的食品科学与工程专业是省级一流专业，在软科上排名为A+专业，也是蚌埠学院着力打造和重点发展的专业。

在实践教学中由于食品加工仪器设备及生产线等各种成本投入较高，并且受到课时、资金和场地等诸多问题的限制，导致学生在学习过程中的工程实践工作过于表面化，无法完成相应的预期目标，没有构建一个完整的教育体系，所以在食品科学与工程专业应用型人才培养过程中，就出现了理论和实践相脱节的问题，这不仅影响了教学效果，也制约了人才的培养质量。因此，通过深入分析，构建出一个虚拟仿真实践教学平台，让学生可以进行各种实验和操作，以此来提高学生的实践能力和工程素质。

在工程教育认证背景之下，如果想对传统的食品科学与工程专业进行改造和提升，就需要借鉴新工科的教育理念，新工科属于工程教育的全新理念，需要不断创新与发展。例如，可以引入虚拟仿真实践教学，让学生在虚拟的环境中进行实践操作，既能提高他们的实践能力，又能降低实践过程中可能出现的风险。同时，新工科教育理念也强调多学科的交叉融合，这对于食品科学与工程专业来说也非常重要。食品科学与工程专业涉及到的领域非常广泛，包括“生物学”“化学”“物理学”“工程学”等，这就需要学生具备跨学科的知识和思维方式。先进的虚拟仿真实践教学就能实现这一培养目标。可以增设一些跨学科的虚拟教学课程，以培养学生的跨学科能力，进而能促进教育资源的共享与开发。

1 平台建设目标分析

随着每年本科生招生人数的递增，食品科学与工程专业为了确保实践教学质量和教学效果，建立了虚拟仿真实践教学平台，并对食品科学与工程、食品质量与安全及食品卫生与营养学等5 个专业开放。学生可以根据专业需求或兴趣爱好登录平台选择性地学习或测试。

虚拟仿真实践教学是新技术革命背景下创新的实践教学形式，对于培养学生实践及综合能力具有重要的作用和价值。食品科学与工程专业虚拟仿真实践教学平台的建设正是基于这一技术优势及自身特征，如此才能构建出适合人才培养目标的虚拟仿真教学项目，充分激发学生学习的热情和兴趣，不断提升学生的理论素养和实践能力。通过计算机、人机交换、虚拟现实技术等各项信息技术的综合运用，就能对于传统教育模式进行创新，并且教师在教学的时候还可以使用项目式、启发式及互动式等各种全新的教学方法，对学生的工程思维能力及实践能力得到培养，从而使教育工作的时间与空间得到延展，推动教学模式的多元化转变。

目前，已经开展的虚拟仿真实践教学项目主要有肉制品加工、食品微生物检验、GMP 和分子对接虚拟仿真实训及食品工厂设计等。还有正在建设的虚拟仿真项目有果汁饮料加工工艺、氨基酸的生产、啤酒的发酵等。其中肉制品加工工艺实验和果汁饮料加工工艺实验项目获批省级虚拟仿真实验教学项目，食品微生物检验获批校级虚拟仿真实验教学项目。将这些科学化开发的虚拟仿真教学项目与课程教育实际效果、学生的工程实践能力及创新能力培养作为根本依据，就需要构建出一个多元化的动态评价体系，从而确保虚拟仿真教育工作的评价体系建设更加完善。

2 虚拟仿真技术的特征分析

虚拟仿真技术属于在信息技术飞速发展下所逐步产生的全新技术，其结合了多个技术领域，通过计算机软硬件和各种传感器等构建的具有真实体验的三维虚拟环境，能使人们身临其境于虚拟环境之中，并且还可以与虚拟环境进行交互，获得沉浸式体验。这是由于虚拟仿真技术具有较强的交互性和逼真性等特征，因此在教学实践中其能够帮助教师把一些抽象、难懂、复杂重要知识点，以及在现实环境中难以复现或具有安全隐患的教学内容，通过虚拟仿真技术直观、形象、安全地将其呈现出来，这样学生更容易理解和掌握，从而提高学习的兴趣和效率[1-2]。传统的食品类专业教学中，由于课时和教学资源及贵重实验器材有限，难以满足学生全面深入学习的需求。虚拟仿真技术可以解决这一难题，能够模拟实验环境，让学生不受时空的限制进行实验操作，模拟实验过程和设备运作，学习实验和设备相关原理，充分调动学生学习的积极性和主动性，提高其工程实践能力。

3 虚拟仿真技术应用于食品科学与工程专业教学中的分析

3.1 虚拟仿真技术应用于食品科学与工程专业的专业基础课程教学

食品科学与工程教育工作包含着很多的核心专业基础课程，这些专业基础课程对于构建学生的专业基础能力至关重要，基础越扎实，学生的专业能力就越稳固。

例如，“食品工程原理”课程是自然科学领域向工科科学过渡的入门课程，主要是通过各种技术方式的掌握，引导学生进行实际案例的操作，应用所学知识解决食品工程问题，以此来培养学生的工程思维，主要研究食品工程的基本单元操作的典型设备构造、操作原理、过程计算、设备选型等方面，具有一定的复杂性和挑战性，学生学习时经常会遇到一些困难，在教学中若能适当运用虚拟仿真实验教学方式，发挥仿真教学软件的优势，模拟离心泵特性曲线的测定及各种相关的实验操作，可以更好地为学生所掌握和理解，从而达到课程教学的目标，同时也可以帮助学生更深刻理解各单元实验相关知识的内在逻辑和相互关系，在提升实验教学质量的同时，有效缓解学校实验教学设备的不足问题。因此，在实践教学过程中，教师可以站在实际操作需求的角度，把实验教学之中一些难以观察到的现象或者实施过程较为危险的内容，使用虚拟仿真技术的方式呈现出来，提升学生对与课程相关的知识理论，以及操作流程和设备构造的认知。

3.2 虚拟仿真技术应用于食品科学与工程专业的专业课程教学

在食品科学与工程专业的课堂上，虚拟仿真技术的应用已经成为一种新型的教学方式，极大地丰富了教师的教学手段和学生的学习资源。下面主要从专业必修课、专业限选课及其任选课等实践课程教学分别介绍。

“食品机械与设备”是食品科学与工程专业之中的专业必修课程，这一课程在整体教学过程中，需要强化学生的工程实践及动手操作能力[3-4]。在传统的实验教学中，学生需要大量使用真实的机械设备和原料，成本较高且具有一定的风险。而通过虚拟仿真技术，学生可以在实验前进行模拟训练，熟悉实验流程和操作方法，减少实际操作中的错误和事故。同时，可以有效地节约实验资源，降低实验成本和风险，促进学生实践能力和创新能力的提高。

“食品工艺学实验”是食品科学与工程专业的专业限选课程，该课程中的肉制品加工工艺实验及果汁饮料加工工艺实验项目是正在建设的省级虚拟仿真实验教学项目，目前课时数由2018 版教学大纲的16 学时提高到2021 版教学大纲的32 学时。该课程的教育目标主要是加深学生对专业基础理论知识的理解，训练学生掌握工艺实验的基本操作技能，提高学生对所学专业知识的综合运用能力，突出培养学生创新能力和实践能力，使学生认识到所学知识相互联系、相互交叉，通过实践应用将其融会贯通、有机整合，为将来从事食品科学方面的研究奠定实践技术基础。

例如，在“食品工艺学实验”中选取酱卤羊肉加工作为虚拟仿真实验，内容有所延伸和拓展，除了酱卤羊肉的加工工艺外，还增设了模拟活羊的屠宰过程这个模块，学生在进行每一步操作时都精心设计了问答题，旨在引导学生深入思考每一步的操作目的和工艺要求。通过模拟活羊的屠宰和酱卤羊肉的加工，学生可以更加全面和直观地了解活羊经过屠宰后将如何制作成美味的酱卤羊肉的加工过程，明白从羊肉挑选到成品制作的每一个细节。这种学习方式有助于增强学生的实践操作能力，培养他们分析和解决问题的能力，从而增强对肉制品加工领域的认识。

再如，凝固型酸奶的制作，虚拟仿真实验重点放在卸奶罐、预热罐、均质机和发酵罐等设备的正确使用及生产工艺的具体操作上，这不仅让学生通过虚拟仿真技术更加直观地感受到酸奶的整个生产线流程和所需的工作环境，而且还可以提高教学的安全性，降低设备损坏的风险。可以让学生对生产流程有了更加深入的理解，也让他们在实际操作时更加得心应手。同时，将虚拟仿真实验平台使用在相关的实验课程教学改革过程中，就能构建虚实融合的实验教育模式，使学生更加清晰地掌握食品加工及保藏的基本原理，熟悉机械设备的结构并且拥有食品加工相关工艺的实践能力，真正将自身掌握的理论知识与实践联系在一起，从而更加熟练地去操作相关生产过程中需要掌握的实验设备，充分认识到机械设备在食品加工中的重要性[5-6]。

在食品学科与工程专业教学中，除了在核心课程中运用虚拟仿真技术提升教学效率外，也在一些专业任选课程中融入了虚拟仿真技术，如在“食品物性学”和“食品感官评定”等的相关实验教学过程中，能帮助学生更全面地了解课程的教学内容，也能从整体专业角度去理解课程在构建自身专业能力中的作用和价值，从而增强学生学习的自觉性和自主性及创造性。例如，教师在实验教学中，可以利用计算机仿真技术来深入剖析实验内容，确保教学质量，从而构建出更为高效的实验教学工作，开展教学过程中通过虚拟仿真实验平台就可以让学生针对于各种分析检测技术开展相关实验，将专业知识和实践能力的融合，以直观的方式呈现出来，这样学生更容易理解和记忆，也能更快地掌握实际应用技能。从而有效地促进他们的学习动力，提高自身的综合素质和创新能力。

4 食品科学与工程专业虚拟仿真教学平台构建

4.1 理论课教学模块

专业的核心课程包含了“食品工程原理”“食品机械”“设备和食品工厂设计”等。这些课程基础知识较为繁琐，内容难以理解，并且需要学生拥有良好的空间想象能力。因此，这些课程在传统教育工作中很难达到实际成效。专业理论课程教学虚拟仿真模块，可以将各种食品加工的仪器及工作原理和实践过程等一些相关的知识内容，系统化地运用3D 动画的方式去呈现出来，让学生在学习时拥有一种身临其境的感觉。例如，在“食品机械与设备”及相关的专业理论课程，在虚拟仿真教学中就可以融合于校内现有的加工设备，通过虚拟现实和三维技术，将教学食物物料输送机械及原料预处理和加热杀菌设备等各种设备的工作原理和维修维护融入虚拟仿真教学，使用3D 动画的方式，呈现出机械与设备的实际内部结构和运转状态[7]。学生可以根据需要进行反复学习与练习，强化学生对于理论知识的深层次了解，在日常教学中师生也可以通过线上或者线下展开互动，针对教师的问题解决及学生的学习任务完成情况，开展双方的相互评价，并且有针对性地提出相关的修改建议使得平台建设更加完善。

4.2 实验课教学模块

为了能够解决传统实验课教学中仪器设备和场地的限制，专业实验虚拟仿真模块，就通过虚实结合的原则，在实验教学中开展了仪器单元操作，例如电子舌、电子鼻及质构仪等的仿真，就能够加强学生对于仪器设备结构及工作原理的认知，提高学生对于仪器设备的实践操作能力[8]。另外，虚拟仿真实验的开展，既可演示危化品使用时的注意事项和操作要点，又可以引导学生设计实验方案，掌握实验要点。例如，在食品分析实验项目中的“常量凯氏定氮法测定火腿肠中粗蛋白质实验”，这个实验要用到强碱氢氧化钠和强酸浓硫酸易腐蚀的化学药品，在实验前让学生通过虚拟仿真课的学习，了解到此类药品使用时的注意事项、酸碱滴定方法及蒸馏装置的安装操作等，并让学生思考在湿法硝化阶段，火腿肠利用浓硫酸消化为硫酸铵是如何判断消化完全的？在加碱蒸馏阶段，考虑为什么要加碱及怎样加碱蒸馏滴定，如何将溶液中的硫酸铵转化为氨再蒸馏出来？在吸收滴定阶段，如何判断吸收完全及怎样计算实验结果？学生通过3D 仿真蒸馏实验装置来开展交互性操作，模拟整个实验过程，观察实验中出现的现象。然后再进行实际操作，计算实验结果，将会获到事半功倍的学习效果。

4.3 专业实训虚拟仿真模块

实训虚拟仿真模块也属于食品科学与工程专业教育工作之中，针对于学生自身创新能力进行培养的重要课程，依照与专业建设的实际要求构建粮油食品加工工艺虚拟仿真实训，以及葡萄酒发酵工艺虚拟仿真及畜产品加工的虚拟仿真实训等，运用虚拟仿真技术来体现食品生产企业整体的厂区平面布置、生产车间，以及车间的水电气管道和加工工艺流程设计等，从而使产品生产的整体操作流程和良好操作规范及卫生标准操作程序等各项内容都能够融合在虚拟仿真训练之中，让学生开展仿真互动[9]。实训虚拟仿真模块设置教学模块和测试模板，教学模块中有操作提示和习题作答，测试模块设置了智能评分系统，学生操作完实验流程并做完预设的试题后，系统能针对学生在实践操作中的表现进行智能评分，并显示测试模块完成提交的时间，同时会自动生成成绩并可以导出。由此可见，学生灵活运用虚拟仿真实训，可以全面掌握产品操作流程和工艺要点，有效地提升了学生的工程素养和实践能力。为学生今后步入工作岗位打下坚实的基础。

综上所述，在工程教育认证背景下虚拟仿真技术在食品科学与工程专业的运用已经成为必然趋势，而通过与虚拟仿真技术实践教学平台的融合与运用，则能够使食品科学与工程专业的教育内容更加丰富，促进了教师对于教学模式的创新，深化教育体系的改革，提升了整体教学质量。