面包烘焙品質虛擬仿真實驗設計及構建

王新偉，田雙起，趙仁勇，蔣洪新，婁海偉，牛永武，王香玉

（河南工業大學糧油食品學院，河南 鄭州 450001）

面包烘焙品質試驗是河南工業大學糧食工程專業和食品科學與工程專業本科生必修實踐課程“食品工藝綜合實驗”中的一個實驗項目，共6 個學時。教學大綱中要求學生采用直接發酵法、快速烘焙法和中種發酵法3 種方法制備面包，進行品質評價。但是因為課時和條件的局限，指導教師不得不在課前把很多工作都代替學生做了，學生上課時只能做部分工序，顯然不符合教學大綱要求，也沒有達到實驗目的。因此，有必要通過虛擬仿真技術，模擬面包生產過程的實景環境和生產狀態，使學生通過面包制備虛擬仿真實驗達到實地開展實驗的效果。

1 開展面包烘焙品質虛擬仿真實驗的必要性

1.1 當前實驗方法所用學時的限制

根據GB/T 14611—2008[1]，直接發酵法是將面粉和其他配料混合制成面團后，經90 min 發酵后成型，醒發45 min 后入烤箱烘烤，出爐后進行品質評價。除去和面及中間的操作，只計發酵和醒發就需135 min，即3 學時。

根據GB/T 35869—2018[2]，快速烘焙法是將面粉粉和其他配料混合制成面團后，經20 min 發酵后成型，醒發40 min 后入烤箱烘烤，出爐后進行品質評價。除去和面及中間的操作，只計發酵和醒發需要60 min。

根據GB/T 14612—2008[3]，中種發酵法是先將部分面粉及全部酵母揉混調制成中種面團，經過較長時間發酵，然后再與剩余的面粉、水及其他配料揉混調制成主面團，經短時間延續發酵，進行分割揉圓，中間醒發和成型，再經過最后醒發，入爐烘烤。出爐后進行品質評價。其中，中種面團發酵4 h，主面團延續發酵30 min，中間醒發12~15 min，最后醒發65 min。除去和面及中間的操作，只計發酵和醒發需要350 min，將近8 學時。

在實驗教學大綱要求的6 個學時內，要求學生完成8 個學時的實驗內容，采用3 種方法制備面包，并進行品質評價顯然是不可能的。

1.2 教育信息化時代的要求

為貫徹教育部2018 年發布《教育信息化2.0 行動計劃》 通知，結合學校特色與教育信息化規劃，糧油食品學院領導與“食品工藝綜合實驗”課程教學團隊積極開展課程信息化教改。經過多輪研討和論證，形成了“食品工藝綜合實驗”課程教學信息化的共識，并通過虛擬仿真技術手段對小麥粉面包烘焙品質實驗項目進行改革，提出了模擬直接發酵法、快速烘焙法和中種發酵法3 種方法制備面包、圍繞實驗室網絡環境基礎、多媒體可視交流系統、虛擬仿真實驗教學項目等建設內容，設定了課時信息化比例整體達100%。使學生通過虛擬仿真實驗達到實地開展3 種方法制備面包實驗的效果。

2 面包烘焙品質虛擬仿真實驗的實用性

2.1 破解實驗難以全部開展的困局

面包是主食品加工的重要品類之一，面包生產行業是我國重要的食品加工產業之一。同時，面包加工過程需要“食品化學”“食品微生物學”“食品工藝學”等多領域知識，掌握面包加工技能可擴展至發酵面制品加工等其他行業領域，對學生的食品工程能力培養發揮著不可替代的作用。針對面包生產實驗實訓時，“面包制備實驗學時不夠”“面包生產實驗勞動強度大”和學生數量大不易安排的老大難問題，教研團隊一直在探索更科學合理的實驗開展方式，但并未在實體環境下找到切實可行的方案。借助虛擬仿真技術，建設面包加工虛擬仿真項目可以破解學生無法在既定的6 個學時內開展3 種方法制備面包的困局，提升實驗質量。

2.2 貫徹“兩性一度”，融合“課程思政”

根據教育部對課程“兩性一度”的要求，在面包烘焙品質虛擬仿真實驗項目中構建接近實驗室狀態的虛擬環境，使學生有身臨其境的感受，并在此環境下，對學生開展的實驗提出3 種方法制備面包、品質評價、優化工藝參數等高階要求；并通過生產不同類型面包，使學生在產品類型和生產工藝創新等多方面提出要求，提升學生創新能力培養；使學生感受到實驗實操過程的挑戰度提高，激發學生實驗過程的興趣，從而積極完成虛擬仿真條件下的實驗實操學習。

在模擬仿真實驗實操過程中，將“生產安全”“食品安全”“工匠精神”等思政元素融入實驗過程。

3 面包烘焙品質虛擬仿真實驗的先進性

3.1 實驗資源具有鮮明的專業特色

虛擬仿真實驗項目依托學校特色——糧油食品加工，結合學校面包產品研發、工藝設計、品質評價的超強實力和突出能力，而且學校與面包加工的龍頭企業的良好合作關系，通過面包生產龍頭企業桃李、盼盼，小麥粉加工龍頭企業益海嘉里和五得利，面包發酵劑生產龍頭企業安琪酵母等一系列面包加工領域的企業，提供本項目建模所需的生產實景及實用、先進生產技術支持，為構建面包加工虛擬仿真實驗項目模型和數字影像庫提供了優質實體實驗材料資源。

3.2 根據“新工科”建設要求進行系統設計

系統根據“新工科”建設和工程教育專業認證的要求，圍繞OBE 理念開展[4]。以學生為中心，包含有課前了解、實驗訓練、實驗考核、實驗報告、融合與拓展、學情分析、學習資料、研發團隊等模塊。滿足學生實操實驗需求，突出“兩性一度”和“課程思政融合”的要求，使學生進行創新性、探索性的實驗，并感受到思政元素傳遞的正能量。

3.3 研發具有知識產權的實驗教學系統

課程教學團隊依據教育部的《教育信息化2.0 行動計劃》，根據軟件系統知識產權法律法規的規定，在實驗教學系統中融入多種教學手段，利用“元認知策略”“虛擬現實技術”和“游戲化教學”等近幾年教育教學的新興理念與技術，在虛擬仿真實驗系統研發過程將沉浸性、交互性、虛幻性和逼真性等貫穿系統中。課程團隊教師與虛擬仿真系統開發公司的工程師協同合作，使用增強現實（AR）、3D仿真、虛擬現實（VR） 等開發技術，研發完全擁有自主知識產權的面包生產及品質評價虛擬仿真系統。

3.4 根據“元宇宙”新形態發展持續改進

根據“元宇宙”理念，依托VR 和Internet 發展與迭代更新，圍繞信息教育發展趨勢和糧油食品專業領域科研最新動態，在當前增強現實和虛擬仿真技術滿足實驗課程教學需求基礎上，在本項目的虛擬仿真系統中預留后期多次開發功能和模塊，為滿足持續改進提供升級空間，未來能與“元宇宙”體系有效對接，拓展本虛擬仿真系統的應用。

4 預期實施效果

面包生產及品質評價虛擬仿真實驗教學軟件開發后，不但能夠滿足本校師生的使用，還能滿足其他開設本實驗項目的大中院校使用；不僅可以成為傳統實驗操作的有力補充，還可以成為特殊條件下，如新冠疫情下學生進行實驗操作知識學習的重要手段。

4.1 實驗效率將大幅提高

目前，受實驗室面積和設備數量限制，一個實驗室只能容納30 名學生，并分為4~6 人一組同時實驗，而在實際操作中，多數的工藝環節只能有1 人進行實踐操作，其他學生只能觀看，采用虛擬仿真平臺可支持1 000 人并發訪問服務器。

4.2 實驗效果將實質增強

目前，實驗中很多工序都是指導教師在課前完成的，學生在課上只做部分工序。對學生來說，每個工序都是需要掌握的，無法全方位認知面包加工方法、工藝與品質之間的密切聯系，采用虛擬仿真實驗，則可實現全程參與，提高學生的實驗操作水平，激發學生的學習積極性。

5 結語

針對面包生產實驗實訓時，“面包制備實驗學時不夠”“面包生產實驗勞動強度大”和學生數量大不易安排的問題，借助虛擬仿真技術，建設和設計面包加工虛擬仿真實驗，從而破解學生無法在既定的6 個學時內開展3 種方法制備面包并進行品質評價的困局，提升實驗授課質量。