食品科學(xué)“虛擬仿真”實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建立

張 燕，奚春宇，郭 娜，張鐵華

（吉林大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130062）

0 引言

隨著手機(jī)移動(dòng)端和互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷普及與蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)教育教學(xué)方式不利于學(xué)生個(gè)性化發(fā)展方面的劣勢(shì)日益凸顯，而MOOC 平臺(tái)及虛擬仿真等相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)對(duì)高等教育教學(xué)改革產(chǎn)生了重大影響。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是以計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)與數(shù)字仿真等技術(shù)相結(jié)合而形成的高度仿真虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境與實(shí)驗(yàn)物體為基礎(chǔ)而設(shè)計(jì)的一種全新教學(xué)模式[1]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的概念，最早由美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)教授戴維斯提出，最開(kāi)始應(yīng)用于軍事作戰(zhàn)系統(tǒng)。目前，該技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，如生物科學(xué)、土木工程、電子信息、道路橋梁、室內(nèi)裝修[2-6]，但是將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于食品工程實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的研究應(yīng)用仍處于探索階段。

目前，實(shí)踐型創(chuàng)新人才受到各個(gè)領(lǐng)域重視，將虛擬仿真技術(shù)與各個(gè)專(zhuān)業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合受到教育部的高度重視，2017 年4 月，教育部高教司發(fā)布的《“新工科”建設(shè)行動(dòng)路線（“天大行動(dòng)”）》中明確指出：“充分利用虛擬仿真等技術(shù)創(chuàng)新工程實(shí)踐教學(xué)方式”。2018 年教育部提出《關(guān)于開(kāi)展國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》及2019 年5 月教育部科技發(fā)展中心成立虛擬現(xiàn)實(shí)研究中心均提出“以全面提高高校學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為宗旨”“推動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的深度應(yīng)用”[7-8]。由此可見(jiàn)，把虛擬仿真技術(shù)帶進(jìn)大學(xué)課堂教育勢(shì)在必行。

將虛擬仿真技術(shù)與食品工程科學(xué)專(zhuān)業(yè)課程的實(shí)踐教學(xué)相有機(jī)地融入，借鑒國(guó)內(nèi)外高等院校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成功經(jīng)驗(yàn)，制定一套科學(xué)的實(shí)踐教學(xué)方法和體系，開(kāi)展了基于實(shí)踐型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)虛實(shí)相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)方法與模式研究探索。

1 食品科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立的背景

2017 年2 月，教育部提出新工科建設(shè)，強(qiáng)調(diào)了高等教育對(duì)于培養(yǎng)大學(xué)生分析和解決實(shí)踐性問(wèn)題的意義和能力的重要性，實(shí)踐教學(xué)是工科專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要手段，食品科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)是擁有近30 年辦學(xué)歷史典型的工科專(zhuān)業(yè)，其與人們生活密切相關(guān)。食品科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的教育不僅要向?qū)W生傳授專(zhuān)業(yè)化的理論知識(shí)，同時(shí)還要注重食品工程理論聯(lián)系現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、提高學(xué)生動(dòng)手操作及解決實(shí)際技術(shù)問(wèn)題的能力，直接決定了學(xué)校食品工程理論與實(shí)踐課程的教學(xué)在專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)中所占有的特殊地位與重要性[9]。但是，目前食品專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在如下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

（1） 實(shí)驗(yàn)室硬件的配置及開(kāi)放力度不足，實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)設(shè)備有時(shí)不能滿(mǎn)足教學(xué)的需要。對(duì)于一些高端精細(xì)操作設(shè)備，如液相、質(zhì)譜儀等，即使實(shí)驗(yàn)教師在實(shí)驗(yàn)室反復(fù)講解，也不能保證每個(gè)學(xué)生都能理解到位，如果學(xué)生都動(dòng)手操作會(huì)出現(xiàn)人多擁擠以及安全隱患等。

（2） 課程中的實(shí)驗(yàn)一般都是固定時(shí)間、固定地點(diǎn)、學(xué)生在上課前少有時(shí)間和機(jī)會(huì)直接進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，并且如果一個(gè)學(xué)生沒(méi)有掌握實(shí)驗(yàn)原理及步驟，直接做實(shí)驗(yàn)可能會(huì)因?yàn)殄e(cuò)誤操作不斷地重復(fù)使用，實(shí)訓(xùn)器材的損耗增多，致使一些研究型、創(chuàng)新型、綜合型實(shí)驗(yàn)開(kāi)展受限。

（3） 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中以驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)居多，就是固定一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)操作步驟、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)等，學(xué)生按部就班記錄自己的數(shù)據(jù)，完成一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告，整個(gè)課堂的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程模式固定，學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣不足，表現(xiàn)出來(lái)就是課堂沉靜枯燥，缺少靈活性、趣味性。

（4） 傳統(tǒng)教學(xué)忽略了結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，無(wú)法直觀展現(xiàn)儀器內(nèi)部構(gòu)造，如教師上課展示實(shí)訓(xùn)儀器小部件（如食工原理板框過(guò)濾孔板） 時(shí)，因?qū)嵨锾。瑢W(xué)生不易看清，距離較遠(yuǎn)的學(xué)生根本看不到。對(duì)于一些較大型的工藝生產(chǎn)線（如焙烤、啤酒、酸奶等生產(chǎn)線），教師不能拿到教室。課后，學(xué)生復(fù)習(xí)中幾乎沒(méi)有任何實(shí)物或者圖形，只能靠回憶課上內(nèi)容，既不利于學(xué)生課后復(fù)習(xí)，也不利于學(xué)生各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的掌握。

虛擬現(xiàn)實(shí)等信息技術(shù)不僅具有高度仿真、沉浸式體驗(yàn)、高交互等特點(diǎn)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)間、空間、儀器設(shè)備及指導(dǎo)模式的開(kāi)放，為理論課程與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合創(chuàng)造了新的機(jī)遇，已經(jīng)或?qū)⒁獙?duì)高等教育教學(xué)帶來(lái)顛覆性的沖擊和影響[10]。

2 食品科學(xué)虛擬仿真建設(shè)理念

“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”是基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)路技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)資源共享的新型教學(xué)模式，食品工程（實(shí)訓(xùn)） 課程中內(nèi)容多、操作性強(qiáng)，采取“虛+實(shí)+虛”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體地位，堅(jiān)持“虛實(shí)結(jié)合”“以虛補(bǔ)實(shí)”的理念，通過(guò)VR 技術(shù)形象直觀地展現(xiàn)整個(gè)食品加工過(guò)程中各單元操作的原理及聯(lián)系[11]。學(xué)生在校園內(nèi)就能體驗(yàn)到食品生產(chǎn)實(shí)習(xí)企業(yè)的工作流程和標(biāo)準(zhǔn)，以及最新現(xiàn)代營(yíng)養(yǎng)理念及技術(shù)，有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善目前高校食品工程實(shí)踐環(huán)節(jié)存在的設(shè)備短缺、更新緩慢、教學(xué)模式單一、教學(xué)內(nèi)容枯燥等問(wèn)題，突破時(shí)間、空間、實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及指導(dǎo)模式的限制，保障實(shí)驗(yàn)安全性，加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐鍛煉。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，學(xué)生可以隨時(shí)隨地進(jìn)行預(yù)習(xí)，有助于學(xué)生課下實(shí)踐，提前把握實(shí)驗(yàn)的操作流程、整體框架，有效縮短了學(xué)生熟悉基礎(chǔ)操作、工藝流程的時(shí)間，在很大程度上提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，可以服務(wù)于工程類(lèi)學(xué)生實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)和科研訓(xùn)練[12]。

3 食品科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施過(guò)程

堅(jiān)持“能實(shí)不虛”的原則，從食品工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，采用線上虛擬實(shí)驗(yàn)線下實(shí)驗(yàn)室設(shè)備操作相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方式，提前分析和統(tǒng)計(jì)每位學(xué)生在線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的疑難問(wèn)題，在課堂或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行深入講解，層層遞進(jìn)，逐個(gè)擊破，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)與線下的實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)之間的互動(dòng)和促進(jìn)。

3.1 實(shí)訓(xùn)前——實(shí)踐教學(xué)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)（虛）

使用食品工程（實(shí)訓(xùn)） 虛擬仿真教學(xué)單元操作系統(tǒng)進(jìn)行演示教學(xué)，在開(kāi)始進(jìn)行食品工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作之前，向全體學(xué)生介紹食品企業(yè)生產(chǎn)者與實(shí)驗(yàn)密切相關(guān)的問(wèn)題，學(xué)生通過(guò)查找實(shí)驗(yàn)相關(guān)資料確定操作方法，自主選擇相關(guān)的食品工程虛擬仿真單元操作，結(jié)合數(shù)據(jù)資料了解實(shí)驗(yàn)原理、所需實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)操作方法，3D 直觀的感受，對(duì)于食品工程虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)表現(xiàn)出了較高的求知欲。

3.2 實(shí)訓(xùn)中——實(shí)踐教學(xué)操作環(huán)節(jié)（實(shí)）

從電腦室虛擬操作后，教師安排學(xué)生前往實(shí)體設(shè)備實(shí)驗(yàn)室。通過(guò)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)對(duì)單元操作中實(shí)驗(yàn)步驟的反復(fù)練習(xí)，不同的參數(shù)設(shè)置，預(yù)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提高學(xué)生的操作體驗(yàn)，加深理解實(shí)驗(yàn)方法及應(yīng)用。然后教師實(shí)際操作演示，學(xué)生動(dòng)手操作實(shí)體設(shè)備。學(xué)生從虛擬操作到實(shí)踐操作實(shí)物，更有體會(huì)，更能快速完成。

3.3 實(shí)訓(xùn)后——實(shí)踐教學(xué)評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)（虛）

實(shí)操教學(xué)結(jié)束后，再次進(jìn)入虛擬仿真實(shí)訓(xùn)操作環(huán)節(jié)，進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)學(xué)習(xí)總結(jié)與應(yīng)用評(píng)價(jià)。考核評(píng)估的內(nèi)容包含了所有的理論知識(shí)測(cè)驗(yàn)試題、實(shí)操（占50%分值）、自評(píng)、互評(píng)。虛擬仿真系統(tǒng)可以提供多項(xiàng)分析指標(biāo)、導(dǎo)入試卷，以及評(píng)價(jià)參數(shù)。學(xué)生總結(jié)自己，不僅在學(xué)習(xí)知識(shí)上的收獲，而且在能力應(yīng)用方面的收獲。

4 食品科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

食品工程（實(shí)訓(xùn)） 虛擬仿真學(xué)習(xí)平臺(tái)主要包括3D 圖形、聲音視頻、2D 動(dòng)畫(huà)、文本信息及互動(dòng)測(cè)驗(yàn)等單元，在課堂上拓展了知識(shí)面，并更容易理解，也方便個(gè)人在家進(jìn)行學(xué)習(xí)，使學(xué)習(xí)者能根據(jù)自身的節(jié)奏和時(shí)間靈活進(jìn)行學(xué)習(xí)。該系統(tǒng)內(nèi)容主要包括如下幾個(gè)部分：

（1） 食品工程實(shí)驗(yàn)室安全虛擬仿真體系。

（2） 食品工程三傳理論（實(shí)驗(yàn)） 虛擬仿真體系（食工流動(dòng)過(guò)程綜合3D 仿真實(shí)驗(yàn)、液液萃取塔實(shí)驗(yàn)3D 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、離心泵特性曲線測(cè)定3D 實(shí)驗(yàn)、傳熱綜合3D 仿真實(shí)驗(yàn)、恒壓過(guò)濾常數(shù)3D 仿真實(shí)驗(yàn)、萃取塔3D 仿真實(shí)驗(yàn)）。

（3） 食品工程工藝生產(chǎn)線虛擬仿真體系（啤酒發(fā)酵生產(chǎn)線、面包加工生產(chǎn)線、乳粉加工）。

食品工程（實(shí)訓(xùn)） 環(huán)節(jié)虛擬仿真教學(xué)軟件操作界面見(jiàn)圖1。

圖1 食品工程（實(shí)訓(xùn)） 環(huán)節(jié)虛擬仿真教學(xué)軟件操作界面

5 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，國(guó)家對(duì)具有工程實(shí)踐能力的應(yīng)用型人才提出了更高的要求[13]。吉林大學(xué)食品科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)正在積極嘗試構(gòu)建和發(fā)展能夠符合學(xué)校學(xué)院特色的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和課程體系。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)平臺(tái)的搭建，使學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)更加快捷、方便、高效，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)有效培養(yǎng)在校大學(xué)生自主創(chuàng)新意識(shí)，提高實(shí)踐動(dòng)手和解決問(wèn)題的能力具有重要的意義。