虛擬仿真技術(shù)對(duì)食品專(zhuān)業(yè)工程能力培養(yǎng)的影響

陶能?chē)?guó)，黃師榮，陳秀梅，陳東方，劉文杰，歐陽(yáng)秋麗

（湘潭大學(xué)化工學(xué)院生物與食品工程系，湖南湘潭 411105）

工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證是實(shí)現(xiàn)工程教育和工程師資格國(guó)際互認(rèn)的基礎(chǔ)，也是教育部推進(jìn)工程教育改革、提高工程類(lèi)本科教育質(zhì)量的重要抓手。2006年，中國(guó)開(kāi)始啟動(dòng)工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證；2013年，中國(guó)成為《華盛頓協(xié)議》的預(yù)備成員；2016年6月，成為工程教育本科專(zhuān)業(yè)學(xué)位國(guó)際互認(rèn)《華盛頓協(xié)議》的第18個(gè)正式成員國(guó)[1-2]。截至目前，全國(guó)共有35個(gè)高校的食品科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)點(diǎn)通過(guò)了工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證。在工程認(rèn)證體系中，如何有效提高學(xué)生工程能力已成為新工科背景下食品科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的關(guān)鍵，解決實(shí)際工程問(wèn)題能力已成為食品科學(xué)與工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)需要達(dá)到的核心能力之一[3-4]。對(duì)虛擬仿真技術(shù)在提高食品類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生工程能力的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，以期為我國(guó)食品科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)工程能力培養(yǎng)體系構(gòu)建提供啟示與借鑒。

1 食品科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)工程能力培養(yǎng)體系現(xiàn)狀

現(xiàn)行的食品類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)體系中，工程能力的培養(yǎng)主要通過(guò)工程基礎(chǔ)課程（“高等數(shù)學(xué)”“線(xiàn)性代數(shù)”“大學(xué)物理”和“機(jī)械制圖”等）、工程專(zhuān)業(yè)發(fā)展課程（“食品工程原理”“食品機(jī)械與設(shè)備”和“食品工廠(chǎng)設(shè)計(jì)”等）、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、金工實(shí)習(xí)、認(rèn)知實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)等多個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)來(lái)共同完成[5]。國(guó)內(nèi)眾多開(kāi)設(shè)食品科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的高校未在工程基礎(chǔ)選修課程設(shè)置相關(guān)強(qiáng)化和提高課程，導(dǎo)致學(xué)生工程基礎(chǔ)知識(shí)薄弱、工程基本技能欠缺。實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)、食品工程設(shè)計(jì)和食品工廠(chǎng)設(shè)計(jì)的弱化造成畢業(yè)生難以根據(jù)食品生產(chǎn)工藝方案進(jìn)行生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)與設(shè)備配置，從而難以對(duì)食品生產(chǎn)過(guò)程與裝備提出改造與革新方案[6]。此外，教師的工程能力不足或者缺乏的問(wèn)題也很大程度上影響學(xué)生工程能力培養(yǎng)，且現(xiàn)行的高校績(jī)效和獎(jiǎng)勵(lì)制度側(cè)重科研成果，輕視教學(xué)業(yè)績(jī)，導(dǎo)致部分專(zhuān)業(yè)教師特別是新引進(jìn)的年輕教師不會(huì)主動(dòng)投入大量時(shí)間和精力進(jìn)行工程實(shí)踐，參與行業(yè)培訓(xùn)[7-8]。如何克服這些因素影響，構(gòu)建完善的工程能力培養(yǎng)體系，是新工科人才培養(yǎng)體系中急需要解決的問(wèn)題。

2 虛擬仿真技術(shù)及其特點(diǎn)

虛擬仿真技術(shù)作為信息化時(shí)代的產(chǎn)物，是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、人工智能技術(shù)及傳感技術(shù)等交叉綜合集成產(chǎn)生的一種現(xiàn)代技術(shù)。由計(jì)算機(jī)硬件、軟件及多種傳感器構(gòu)成的三維虛擬環(huán)境，使人易于投入并沉浸在模擬環(huán)境中，人們還可以親自進(jìn)行操作，與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。利用虛擬仿真技術(shù)的沉浸性、交互性、虛幻性和逼真性等特性，利于教師將實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的抽象內(nèi)容和復(fù)雜的知識(shí)點(diǎn)以生動(dòng)形象的教學(xué)方式傳達(dá)出來(lái)，使學(xué)生樂(lè)于學(xué)和易于學(xué)[9]。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用不僅可以克服食品類(lèi)專(zhuān)業(yè)課時(shí)和資源的限制、直觀(guān)展示實(shí)驗(yàn)或設(shè)備原理，還可以解決工藝設(shè)備和貴重檢測(cè)設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足等問(wèn)題，促使學(xué)生更好地掌握教學(xué)知識(shí)，鞏固學(xué)生的工程能力[10]。

3 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于食品專(zhuān)業(yè)工程能力培養(yǎng)現(xiàn)狀

3.1 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于食品類(lèi)專(zhuān)業(yè)工程能力培養(yǎng)基礎(chǔ)課程

“食品工程原理”是食品科學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)核心課和重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，主要培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用各種技術(shù)手段來(lái)分析和解決各種食品工程實(shí)際問(wèn)題的能力，逐步培養(yǎng)工程意識(shí)和思維[11-12]。由于該課程涵蓋基礎(chǔ)知識(shí)面較廣、理論公式較多、計(jì)算推理過(guò)程復(fù)雜，導(dǎo)致很多學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中存在學(xué)習(xí)障礙。為了克服以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)多所高校已陸續(xù)開(kāi)展“食品工程原理”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)“食品工程原理”課程教研小組引進(jìn)了“食品工程原理實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)軟件”，該軟件可模擬“離心泵特性曲線(xiàn)的測(cè)定”等8個(gè)“食品工程原理”實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程，演示不當(dāng)操作對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的影響，模擬分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效解決了實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)設(shè)備數(shù)量不足的問(wèn)題[13-14]。江南大學(xué)在“食品工程原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)促進(jìn)學(xué)生建立各單元實(shí)驗(yàn)的感性認(rèn)識(shí)，提高“食品工程原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率與質(zhì)量[15]。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)在“食品工程原理”教學(xué)過(guò)程中，開(kāi)發(fā)運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAI）系統(tǒng)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)（OWV）系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，提高了學(xué)生實(shí)際處理工程問(wèn)題的能力[16]。吉林大學(xué)在“食品工程原理”實(shí)踐教學(xué)中，從食品工程單元操作的實(shí)際出發(fā)，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)中無(wú)法觀(guān)察到的現(xiàn)象及實(shí)施困難、高危的單元操作采用3D虛擬仿真的形式突出展現(xiàn)，提高了學(xué)生對(duì)“食品工程原理”課程的三傳理論原理、操作流程、設(shè)備構(gòu)造及布局、食品工程思維的理解能力，有效提升了學(xué)員工程設(shè)計(jì)能力[17]。福建農(nóng)林大學(xué)、重慶工商大學(xué)、渤海大學(xué)和新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)等多所高校也在“食品工程原理”教學(xué)中廣泛采用虛擬仿真技術(shù)，取得了較好的教學(xué)效果[18-22]。

3.2 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于食品類(lèi)專(zhuān)業(yè)工程能力培養(yǎng)核心專(zhuān)業(yè)課程

“食品工藝學(xué)”是食品科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)位課程與專(zhuān)業(yè)核心課程，該課程的任務(wù)是傳授學(xué)生食品加工與保藏的技術(shù)理論與專(zhuān)業(yè)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生分析食品加工和保藏過(guò)程中的復(fù)雜問(wèn)題，并能提供解決食品工藝問(wèn)題與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方案的素質(zhì)與能力。中南林業(yè)科技大學(xué)將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于“食品發(fā)酵設(shè)備”和“食品發(fā)酵工藝”教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生不僅可以利用虛擬仿真技術(shù)生動(dòng)形象地演示發(fā)酵罐系統(tǒng)的整個(gè)工作過(guò)程，還可以建立與生產(chǎn)裝置工藝流程圖保持一致的工藝仿真圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬仿真模型中整個(gè)發(fā)酵工藝過(guò)程的操控[23]。江南大學(xué)將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用于“食品工藝學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程改革與實(shí)踐，這種虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，使學(xué)生能夠更扎實(shí)地掌握食品加工與保藏的基本原理，鍛煉與食品加工工藝相關(guān)的實(shí)踐能力，從而真正實(shí)現(xiàn)理論聯(lián)系工廠(chǎng)實(shí)際[24-25]。渤海大學(xué)在酸奶生產(chǎn)線(xiàn)教學(xué)中引入3D酸奶工廠(chǎng)生產(chǎn)實(shí)習(xí)仿真軟件，讓使用者對(duì)實(shí)際生產(chǎn)時(shí)所需準(zhǔn)備的工作做到熟練掌握，并對(duì)工廠(chǎng)的預(yù)處理車(chē)間、配料車(chē)間、發(fā)酵車(chē)間、CIP清洗車(chē)間等進(jìn)行了高度還原，并且每個(gè)加工車(chē)間都配備了動(dòng)畫(huà)講解環(huán)節(jié)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的詳細(xì)介紹，確保了學(xué)生從整體把握酸奶的加工生產(chǎn)過(guò)程，快速、準(zhǔn)確地對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)有一個(gè)全面的了解[26]。

“食品機(jī)械與設(shè)備”是食品科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)工程類(lèi)課程的重中之重，在該課程的教學(xué)與學(xué)習(xí)過(guò)程中，強(qiáng)化學(xué)生的工程實(shí)踐和實(shí)際動(dòng)手操作能力顯得尤為重要。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)針對(duì)“食品機(jī)械與設(shè)備”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在大型機(jī)械設(shè)備短缺、場(chǎng)地限制等問(wèn)題，將虛擬仿真技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，構(gòu)建了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)主要包括機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)認(rèn)知仿真和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作2個(gè)模塊，充分發(fā)揮了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)生動(dòng)、直觀(guān)、安全等優(yōu)勢(shì)，能促進(jìn)學(xué)生更好地學(xué)習(xí)該課程，幫助理解機(jī)械設(shè)備在食品加工生產(chǎn)過(guò)程中的重要性[27]。徐州工程學(xué)院在教學(xué)過(guò)程中依托虛擬仿真和實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，完成對(duì)典型食品機(jī)械和設(shè)備原理的深入講解、操作和拆卸的虛實(shí)結(jié)合及常見(jiàn)問(wèn)題的排查解決，通過(guò)利用專(zhuān)業(yè)自身的虛擬仿真項(xiàng)目《植物蛋白粉及飲料生產(chǎn)三維虛擬工廠(chǎng)實(shí)訓(xùn)》和實(shí)驗(yàn)室小試及中試設(shè)備，舉一反三地了解食品機(jī)械設(shè)備的理論知識(shí)和單機(jī)操作與工廠(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)之間的不同，從而強(qiáng)化學(xué)生的工程實(shí)踐能力[28]。

“食品工廠(chǎng)設(shè)計(jì)”課程在培養(yǎng)學(xué)生工程能力方面發(fā)揮著重要的作用，該課程對(duì)學(xué)生的綜合能力、實(shí)踐能力要求比較高，要求學(xué)生熟悉掌握國(guó)家對(duì)食品工廠(chǎng)建筑、食品衛(wèi)生的法律法規(guī)，ISO 22000，HACCP質(zhì)量體系認(rèn)證、食品加工、管理、設(shè)備等多方面知識(shí)。大連海洋大學(xué)結(jié)合學(xué)校特色，引入水產(chǎn)品加工虛擬仿真軟件，每個(gè)學(xué)生都可以在電腦上對(duì)工廠(chǎng)布局和設(shè)備布局進(jìn)行操作，可以簡(jiǎn)單進(jìn)行多種方案設(shè)計(jì)比較，使學(xué)生更好地理解工廠(chǎng)設(shè)計(jì)的重要性[29]。寧波大學(xué)在“食品工廠(chǎng)設(shè)計(jì)”課程教學(xué)過(guò)程中，除了充分利用PPT課件、Auto CAD工程圖等輔助工具外，還將課程中較難懂的部分通過(guò)視頻、動(dòng)畫(huà)等途徑展示，不僅豐富了課程的教學(xué)形式，還激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，有效提升課程教學(xué)效果[30-31]。

3.3 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于食品類(lèi)專(zhuān)業(yè)其他專(zhuān)業(yè)課程

除了工程能力培養(yǎng)核心課程，其他食品專(zhuān)業(yè)課程也將虛擬仿真技術(shù)納入了教學(xué)體系。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)探索了“食品物性學(xué)”的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)、虛擬仿真教學(xué)方法，根據(jù)學(xué)科最新發(fā)展態(tài)勢(shì)，加強(qiáng)啟發(fā)式教學(xué)及與實(shí)驗(yàn)、科研實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式，并借助虛擬仿真技術(shù)，豐富和改進(jìn)教學(xué)方法和手段，達(dá)到學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容掌握、理解并融會(huì)貫通的目的[32]。吉林大學(xué)對(duì)“食品營(yíng)養(yǎng)學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的可能性進(jìn)行了認(rèn)證和分析，并提出了下一步建設(shè)思路[33]。石河子大學(xué)借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)助力“食品微生物”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，提高“食品微生物學(xué)”實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量[34]。陜西師范大學(xué)在“食品分子生物學(xué)”教學(xué)中，結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)習(xí)利用酶聯(lián)免疫分析技術(shù)檢測(cè)食品中的農(nóng)藥殘留、利用聚丙烯酰胺凝膠電泳分離蛋白質(zhì)等實(shí)驗(yàn)[35-36]。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到“食品分析與檢驗(yàn)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，加強(qiáng)了學(xué)生的直觀(guān)認(rèn)識(shí)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，利于學(xué)生將專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)和實(shí)踐技能有機(jī)結(jié)合，提高了學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力[37]。浙江工商大學(xué)在“儀器分析”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，取得了較好的效果[38]。江蘇大學(xué)在“食品無(wú)損檢測(cè)技術(shù)”課程教學(xué)中引入虛擬教學(xué)手段，通過(guò)瀏覽器和服務(wù)器架構(gòu)和3D仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬教學(xué)環(huán)境，既提升學(xué)生的工程實(shí)踐技能，又培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考、解決問(wèn)題的能力，基本實(shí)現(xiàn)了“工程與科研雙導(dǎo)向”的教學(xué)實(shí)施目標(biāo)[39]。此外，“食品化學(xué)”和“園藝產(chǎn)品貯藏與加工”等課程教學(xué)過(guò)程中也采用了虛擬仿真技術(shù)，取得了較好的效果[40-41]。

4 結(jié)語(yǔ)

盡管各高校紛紛結(jié)合自身特色從教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)行了多種教學(xué)改革，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合、虛實(shí)互補(bǔ)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，取得了一定的效果，但是“虛實(shí)結(jié)合”和“虛實(shí)互補(bǔ)”的思想尚未真正融入專(zhuān)業(yè)整體教育教學(xué)體系中，也沒(méi)有形成融合教學(xué)改革和人才工程能力培養(yǎng)于一體的教育模式，更沒(méi)有深入融合虛擬仿真教學(xué)實(shí)習(xí)、專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等多個(gè)環(huán)節(jié)。因此，構(gòu)建一個(gè)“虛實(shí)結(jié)合”的多元化實(shí)踐教學(xué)體系，以提高學(xué)生的工程設(shè)計(jì)和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力為目的的教學(xué)體系顯得尤為必要。