工科仿真實踐教學用工具的開發*——檸檬酸發酵生產仿真軟件的開發與應用

◆趙海波 林劍 于貞 姜愛莉

作者：趙海波，煙臺大學海洋學院講師，研究方向為工科實驗教學改革；林劍，煙臺大學生命學院副教授；于貞，煙臺大學生命學院講師；姜愛麗，煙臺大學生命學院教授（264005）。

1 前言

實踐教學是高等工科教育教學中的重要組成部分。通過實踐教學，可以幫助學生鞏固課堂知識、培養其專業基本技能、養成并具備良好的創新習慣。可是，在實際教學實施過程中存在諸多問題。

首先，能夠接受學生去實習的企業數量有限，學生數量又較多，都到企業或工廠進行實習，給工廠帶來較大的壓力。

其次，工廠現在都是大規模連續生產，生產過程要求連續穩定，導致學生在生產實習時只能看不能動手操作，難以完成生產實習的教學目標。

最后，隨著科技的進步，現有大型生產裝置日益系統化、自動化，導致學生只能觀察和了解整個系統的表面，無法深入學習，難以提高教師和學生的積極性，生產實習的效果很差。

2 仿真實驗

在增加硬件實驗設備難以立即實現的情況下，利用計算機仿真技術，開發適合于專業需求的實驗與操作實習仿真軟件成為解決當前實驗教學存在問題的一個重要途徑。區別于傳統的實驗，仿真實驗不需要實物形態工具與對象，實驗時主要是針對軟件設計的實驗設備與儀器進行。計算機仿真技術借助面向對象編程軟件與多媒體制作技術，制作與傳統實驗操作相對應的軟硬件條件。學生在仿真實驗中可像在真實環境中一樣實現各種實驗項目，實驗結果甚至優于實際實驗。可見，計算機仿真實驗可輔助、部分替代傳統實驗操作。仿真實驗提供了友好、操作方便的教學環境，學生的學習興趣也大大提高。仿真實驗與互聯網信息技術結合后，通過網絡鏈接，學生可在網絡上進行遠程實驗課程學習，克服了傳統實驗教學空間和時間的限制，同時能大幅降低實驗經費。

當前，計算機仿真在工科實驗教學中已經得到越來越多的應用。以生物工程專業為例，煙臺大學就已經開發完成一套谷氨酸發酵生產仿真軟件，實現了谷氨酸發酵生產與分離提取過程的形象化與動態模擬。該軟件在山東輕工業學院、青島農業大學、文經學院等多所學校內試用，成為生物工程專業實習教學與培訓的重要輔助手段。國內某公司開發的離心泵單元仿真培訓被眾多院校采用，作為相關專業的離心泵操作訓練工具。

其他專業如熱能與動力工程專業，許多高校都在實驗教學中加入仿真實驗以輔助教學，如制冷模擬教學課件[1]、小型冷庫仿真教學系統[2]、制冷空調綜合創新模擬實驗平臺[3]等。煙臺大學也研制了傳熱學實驗教學仿真軟件[4]輔助實驗教學。這些仿真實驗在實際應用中都取得較好的教學效果，值得大力推廣。

3 檸檬酸發酵生產仿真實驗

檸檬酸發酵實驗 檸檬酸發酵實驗是生物與食品類專業的主要實驗教學內容之一，目的是讓學生了解檸檬酸的生產原理與流程，掌握檸檬酸的發酵生產工藝與發酵分析方法，通過實驗能熟練地掌握真菌發酵的接種、培養與發酵產物的分析測定等技術。由于檸檬酸整個發酵生產流程所需設備眾多，現在國內還沒有廠家制作銷售實驗用檸檬酸全過程生產演示的儀器，大多數學校實驗教學中只是在實驗室中開展檸檬酸生產中發酵部分的實驗，無法實現整個生產過程的操作練習。由于檸檬酸生產廠家分布過于分散，大部分高校因人力、物力等資源限制，無法開展實地操作實驗教學。

針對此問題，本文開發了檸檬酸發酵生產仿真軟件。該軟件能夠實現檸檬酸發酵生產全過程的仿真模擬，為廣大生物與食品類專業學生的生產實習提供支持。通過該軟件的推廣使用，滿足這些專業實驗教學的迫切需要。

檸檬酸實驗仿真工具 檸檬酸實驗仿真軟件的開發是根據教學任務要求，分析整理實驗教學內容而進行的。利用該軟件，學生對檸檬酸生產流程獲得形象化的認知，還可以在仿真平臺上完成實驗虛擬操作，得到實踐成績。

本軟件含有實驗內容、成績評定、使用幫助等內容。軟件能夠實現的實驗內容包括檸檬酸生產的淀粉糊化、發酵、粗提和精提四個主要流程，在每個流程的實驗界面上，都設計了該流程所需的全部實驗部件，包括罐體、閥門、泵、過濾機、攪拌器等，各動力機械與調節閥門均可實現手動調節。學生在該仿真軟件上手動完成各生產過程的相關操作練習。軟件的成績評定功能將在學生實際操作過程中，根據操作過程順序以及由此引起的生產工藝參數變化情況給出實驗成績，并提供詳細的得分明細與說明，學生可根據該明細查找實驗操作中出現的問題并加以改進。軟件的實驗成績判別功能實現了實驗操作的定量計分，減輕了實驗指導教師的負擔。軟件提供的幫助功能為學生提供逐步實驗操作指導，幫助學生更快地熟悉相關實驗操作。軟件還提供了時間加速功能，使得學生能夠在較短的時間內就完成檸檬酸的實際長時間生產過程。

軟件采用VB6.0軟件開發，功能包括裝置組成與工藝流程演示、部件運行與閥門操作動態演示、工藝參數動態變化、逐步指導等功能。圖1～圖4分別為淀粉糊化、發酵、粗提和精提四個流程的實驗界面。

圖1 淀粉糊化實驗仿真軟件界面

圖2 發酵實驗主界面

圖3 粗提實驗操作的部分界面圖

圖4 精提實驗操作的部分界面

該軟件的開發采用模塊化編程，每部分實驗內容作為一個大模塊，大模塊中還細分為若干個小的模塊，模塊之間通過操作流程引起的操作流程因果關系、耦合參數進行銜接。開發過程中采用動態模擬技術實現攪拌器、罐體液位、管道內流體流動等動態變化內容，實驗參數可依據實際操作實現動態即時顯示，學生能夠隨時了解參數的動態變化情況，并據此判斷操作時機。

教學效果 基于仿真技術開發的檸檬酸發酵生產仿真軟件，完整地模擬了檸檬酸生產的全過程，學生通過使用該軟件，不僅加深了對所學理論知識的理解，還對檸檬酸的生產流程有了更深刻全面的認知，生產操作水平也得到了較大的提高。仿真實驗由于界面設計友好，形式新穎，學生對此普遍歡迎，實驗興趣大大提高，取得較好的教學效果。可見，檸檬酸發酵生產仿真軟件很好地解決了實踐教學過程中存在的不足，提高了實踐教學的水平，強化了生物工程專業學生綜合素質的培養。

4 結論

本文首先分析傳統實驗與實習教學存在的一些問題，總結仿真實驗教學應用現狀及其優點，敘述自主開發的檸檬酸發酵生產仿真軟件以及學生的使用體會。

[1]晏剛,吳業正,厲彥忠,等.發揮實驗室優勢，完善實踐教學改革[M]//2004年制冷會議論文集:實踐教學.2004:135-137.

[2]張華,劉楚蕓,王勤.基于web的小型冷庫教學系統的設計與開發[M]//2004年制冷會議論文集:實踐教學.2004:142-144.

[3]張小松,蔡亮,李舒宏,等.建立多功能開放實驗臺，培養學生創新科研能力[M]//2004年制冷會議論文集實踐教學.2004:148-153.

[4]趙海波,周秋淑,高興奎,等.傳熱學實驗教學用仿真軟件的開發[J].科技信息,2013(14):15.