虛擬仿真實驗教學資源助力新工科食品人才培養的研究與實踐

李文釗，劉常金

（天津科技大學食品科學與工程學院，天津 300457）

進入21 世紀，我國的高等教育快速發展，培養學生的數量也迅速增加，提前進入大眾化教育時代。隨著高等教育的規模擴張的結束和社會對于人才需求的變化，對于人才的培養質量、效率和效果受到各界關注。高校持續開展教育教學改革提升人才培養質量[1-2]。2017 年教育部正式推出“新工科”計劃為高校深化工程教育改革的理論研究與應用實踐指明方向。

天津科技大學脫胎于原輕工院校，遵循“堅持拓展輕工特色，精心培養行業中堅，矢志服務國計民生”的優良辦學傳統，一貫注重培養師生工程實踐能力，高度重視教育技術信息化。食品科學與工程作為學校最早設立的本科專業，經過60 余年的發展已經成為天津市重點建設的學科專業。早在2014 年，學院就啟動食品專業虛擬仿真實驗教學建設計劃，抽調食品專業核心理論課程及指導實踐環節的10 余名骨干教師組建食品加工虛擬仿真教研團隊，開發和引進小麥制粉、油脂精煉及大儀分析系統等虛擬仿真實驗教學系統[3]。

在與用人單位及校友的交流中發現，畢業生踏入社會接觸實際工廠面對復雜工程問題時，其分析、解決問題能力，以及實際操作動手能力等仍顯不足。究其原因是多方面的：第一，出于安全考慮，加之食品企業管理要求，學生去食品加工廠大多只能通過參觀走廊看看食品加工GMP 車間，進到車間加工現場接觸和實操加工設施與設備存在困難；第二，工科院校本不富余的實驗場地和常規實驗臺套數隨高校擴招更顯緊張；第三，高校大型精密分析儀器主要用于科研，在教學中多是演示實驗，本科生鮮有實操機會。

這些問題產生原因多與當初開發和建設虛擬仿真實驗教學資源的初衷不謀而合，研究與實踐虛擬仿真實驗教學資源的應用途徑，以緩解上述矛盾，助力新工科食品人才培養[4]。

1 構建“認知領域遞進”虛擬仿真實驗教學資源助力新工科食品人才培養路徑

“1 000 t/d 毛麥清理虛擬仿真實驗”并不僅僅是一個單獨的實驗，而是一個虛擬仿真教學系統，以小麥制粉加工真實工廠為原型，采用3D 教學系統構建環境、廠址、工藝、核心設備、品質控制、安全管理等方面，學生可以直觀地看到廠區的布局和設備的擺放及連接方式。主要包括任務系統、評分系統、知識點系統及微課系統等。采用任務系統形式指引學生進行工藝學習；評分系統對學生的操作進行判定；知識點系統包括生產工藝的知識點、設備工作原理及維護知識點、雜質處理及安全生產的知識點等。在實際教學應用過程中發現，該虛擬仿真教學系統不僅可以應用于“認識實習、食品工程技能實習、食品工程課程設計及畢業實習”等各個實習實踐教學環節；團隊教師發現虛擬仿真系統對機械設備原理、結構等清晰呈現的強大功能，有效提升“食品科技導論”“食品機械與設備”“食品工藝學“食品工廠設計”等理論課堂講解效果。

為此，團隊組織從基礎教學到專業課程教不同層級的教師一同學習研討，深入了解小麥制粉虛擬仿真實驗教學系統的內容與特點，請教師各自從所教授的課程出發，尋求可以對接之處，利用優質虛擬仿真教學資源助力教學質量提升，構建了“認知領域遞進”優質虛擬仿真實驗教學資源助力新工科食品人才培養路徑。

“認知領域遞進”優質虛擬仿真教學實驗資源助力新工科食品人才培養路徑見圖1。

圖1 “認知領域遞進”優質虛擬仿真教學實驗資源助力新工科食品人才培養路徑

由圖1 可知，從基礎學習階段到專業學習階段，虛擬仿真實驗教學系統憑借強大的圖文直觀展示特點、身臨其境的操作體驗及豐富的知識點系統，使其不僅能夠進入人才培養所必需的實習實踐環節，也能夠融入人才培養不可或缺的實體理論學習課堂，助力提升學生學習興趣與學習效果。

2 優質虛擬仿真教學資源助力食品工程人才實習實踐培養環節案例

實例1：優質虛擬仿真教學資源進入認識實習環節。

對于食品科學與工程專業學生而言，工廠參觀與實踐是必不可少的教學環節，通過到工廠實地參觀與學習，初步了解食品生產的工藝過程和設備特點，熟悉必要的生產技能及管理經營知識，使學生對食品科學與工程有一個感性認識，提高和鞏固學生的專業思想，為學習食品科學與工程專業知識打下良好的基礎。由于糧食加工的特殊性，存在粉塵易燃易爆等安全性問題，學生不容易到達加工廠現場。此外，由于加工設備龐大、工藝復雜程度高，整套設備分布在一幢10 層樓的各樓層內，學生即使到現場看到的是繁雜的管線與設備，難以將知識點和具體的實踐相結合，打擊學生學習積極性，導致教學效果不理想。

虛擬仿真教學系統恰能彌補這些不足，在虛擬空間中能夠將廠房墻壁、樓板等隱去，清晰呈現氣路、麥路、雜質等管線的走向，輔以圖文、音響、生動的工藝流程視頻，并通過實驗任務的形式，讓學生動手操作，身臨其境的工廠加工場景，提高教學的直觀性，激發學生學習興趣與潛能。同時，虛擬資源中豐富的知識點系統便捷地幫助學生學習認識實習需要掌握的內容。學生反饋“和參觀工廠相比，這個更生動，更有趣味；操作1 遍，印象更深。”

優質虛擬仿真教學資源輔助認識實習環節見圖2。

圖2 優質虛擬仿真教學資源輔助認識實習環節

實例2：優質虛擬仿真實驗教學資源進入”食品工程“課程設計環節。

食品工程課程設計要求學生以食品工藝、食品機械與設備、食品工廠設計為基礎，模擬設計一條食品生產線，撰寫設計說明書并繪制圖紙。1 000 t/d毛麥清理虛擬仿真教學實驗在設計研發時，就考慮了培養學生工程設計能力培養環節——要求學生在了解和掌握日處理量為1 000 t 毛麥清理工藝基礎上，完成物料衡算、設備選型等任務，自主設計一條日處理量為2 000 t 的毛麥清理線。使學生能夠體驗運用所學食品工學知識的快樂，掌握工程設計的基本程序與關鍵，培養學生的創新能力和實踐能力。此過程的學習能夠助力新工科食品專業學生食品工程課程設計環節的要求。

優質虛擬仿真實驗教學資源進入“食品工程”課程設計環節見圖3。

圖3 優質虛擬仿真實驗教學資源進入“食品工程”課程設計環節

實例3：優質虛擬仿真教學資源助力完成畢業實習環節。

畢業實習目的是使學生掌握基本的生產實際知識，鞏固和豐富已學過的專業知識。培養學生理論聯系實際的能力，培養學生在生產實際中調查研究、發現問題、分析問題、解決問題的能力，為畢業論文和設計奠定基礎。通過實習，要求學生深入工廠的實際工作環境，了解企業的生產狀況，管理經營情況和行業發展現狀與前景，熟悉掌握食品的生產工藝過程，并將學過的基礎理論和知識與生產實際結合起來。培養學生踏實認真的工作態度和工作作風。

前面已敘述，學生到工廠參觀完成認識實習都存在困難，深入工廠實際環境開展儀器、設備操作的畢業實習就更困難。如何在有限的時間、空間達成良好的畢業實習效果，虛擬仿真教學系統來助力。教學團隊在1 000 t/d 毛麥清理虛擬仿真教學實驗平臺上，拓展了“小麥制粉工廠”“振動篩虛擬仿真實習軟件”“去石機虛擬仿真實習軟件”等多項學習模塊，每個模塊都配備包括工藝視頻、設備拆分、實驗操作等文件，還配套了小麥制粉虛擬仿真工廠實習實踐指導書及小麥制粉虛擬仿真實驗教學操作流程，幫助學生學習認識小麥制粉工廠廠區布局與安全管理、原料的選擇與標準、工藝流程及關鍵點，掌握核心設備原理、結構與運行，助力學生完成畢業實習，滿足新工科食品專業人材培養需要。學生在虛擬仿真實驗教學平臺留言“場景逼真，學習體驗很不一樣。能夠體驗工廠毛麥清理的完整流程。將理論與實踐結合很有意義。”“仿真實驗利用計算機把實驗設備、教學內容、教師的理論指導和學生的操作有機結合在一起，克服了實驗課受課堂、時間限制的困擾。使實驗在教學內容和空間上得到延伸。營造了多樣化的教學環境，使學生可以更自由、更自主地學習，充分調動了課堂的積極性，拓展了視野，鍛煉了上機操作的能力。”

優質虛擬仿真教學資源輔助畢業實習環節見圖4。

圖4 優質虛擬仿真教學資源輔助畢業實習環節

3 優質虛擬仿真教學資源融入食品工程人才實體課堂培養環節案例

虛擬仿真教學系統不僅是應用于實習實踐等環節，在理論課堂中也能充分發揮其優勢，幫助教師提升教學效果，提升教學質量。

實例4：優質虛擬仿真教學資源融入“食品科技導論（雙語）”理論課堂。

食品科技導論（雙語） 通過雙語教學介紹食品科學與技術的基本知識，促使學生運用英語作為工具學習專業課程。在講授焙烤工藝（Bakery Technology） 一章中關于面粉磨制（Milling Wheat） 時，教師雙語講解小麥制粉工藝同時，結合虛擬仿真實驗教學能夠更清晰呈現小麥制粉工藝，幫助學生熟悉小麥制粉過程，讓枯燥、晦澀英文詞匯變得輕松易理解。

實例5：優質虛擬仿真教學資源融入“食品機械與設備”理論課堂。

在“食品機械與設備”理論課堂上，教師單純用語言往往難以解釋清機械原理與設備結構，毛麥清理虛擬仿真教學資源針對實際教學中對振動篩、去石機等設備的內構與工作原理難以闡述的問題，采用3D 實景再現的教學方法，學生可選擇性拆分設備、360°無死角觀察、并可“啟動”設備，掌握糧食清理核心設備的工作原理。按照工藝流程對去石機、精選機等設備進行巡檢，通過取樣、分析，判斷設備運行情況，并可以針對設備非正常運行狀態進行調整，鍛煉了學生對設備的操作能力，提高了學生應用所學知識分析與解決實際問題的能力。學生在平臺留言反饋“虛擬仿真實驗利用3D 實景技術，將理論與實踐深度融合，提高了學生應用所學知識與實際解決問題的能力，促進學生自主化學習和個性化學習”“設備很好，非常真實，是一個很好的學習平臺”。

優質虛擬仿真實驗教學資源融入“食品機械與設備”理論課堂見圖5。

圖5 優質虛擬仿真實驗教學資源融入“食品機械與設備”理論課堂

4 結語

面對“新工科”對人才培養的新要求，食品企業對食品專業人才能力的新需要，食品加工虛擬仿真教研團隊在教學實踐中，開拓應用優質虛擬仿真實驗教學新途徑，設法將虛擬教學資源融合基礎理論課堂、融入實習實踐過程，形成從理論到實踐連續遞進式虛擬仿真實驗教學資源助力新工科食品人才培養新路徑。正如一名學習者留言，仿真實驗利用計算機把實驗設備、教學內容、教師的理論指導和學生的操作有機的結合在了一起，克服了實驗受課堂、時間限制的困撓。使實驗在教學內容和空間上得到延伸，營造了多樣化的教學環境，使學生可以更自由、更自主地學習。

將來，在建設更多優質虛擬仿真實驗教學資源的同時，不斷挖掘優質虛擬仿真實驗教學資源應用新途徑，培養滿足社會經濟發展需要的高質量新工科食品專業人才。