天津天狮学院 天津 301700
摘要：虚拟仿真实验是指学生借助虚拟仿真技术在计算机上进行实验操作，从而达到实验教学的目的和要求。将虚拟仿真实验技术与《食品工艺学综合实验》课程相结合，不仅可以提高教师的教学质量，还可以使学生直观形象地学习相关知识。
关键词：虚拟仿真技术；“食品工艺学综合实验”课程；实验教学；实验操作；
针对《食品工艺学综合实验》课程实验教学中教学资源不足、学习困难的问题，引入虚拟仿真技术进行实验教学，实现了现场实验教学不具备或难以完成的实验目标和教学目标。这对促进学生理解实验方法，熟悉操作步骤，掌握实验原理，解决实际实验教学活动中存在的主要问题有很大帮助。
一、食品工艺学综合实验教学中的主要问题
1.大部分实验导师讲解传统“填鸭式”教学模式的目的、原理、操作步骤及注意事项，并手动演示实验，供学生参考学习。传统的封闭式灌输教育模式注重理论教育，而很少注重实验和工程实践，导致学生自卑，不能很好地掌握和应用理论知识。这种模式不能充分发挥学生的学习自主性，也不能有效激发学生的好奇心和探索精神。
2.由于食品工艺学综合实验相关实验设备价格高、体积大、占地面积大，需要连续化生产的特点，大多数食品专业院校实验设备设置数量不足。一般采用多人一组在同一台设备上进行实验教学的模式，导致少数学生注重动手操作，多数学生观看的现象，难以满足培养每个学生的自主操作能力和操作能力的教学要求；食品加工专业多年的教学经验表明，对于学生来说，只有半理论、半实践的训练是抽象的，所获得的知识是片面的、不完整的。
3.由于实验设备数量有限，实验周期长，通常需要同时进行2-3个实验项目，实验导师很难及时纠正学生实验中出现的操作不规范、实验数据采集不完整等不规范操作现象。
4.由于实验设备复杂，操作有潜在危险，学生只能在实验班的固定时间内进行实验，课后没有机会进入实验室进行巩固和实践，严重影响了本科生对食品工艺学综合实验课程的深入理解和认识，未能及时将食品工艺学的理论知识应用到实际问题中，本能从整体上系统地把握整个产品的工艺流程和过程。如何拓展实践领域，丰富教学内容，提供绿色、可靠、安全、经济的实验项目，一直是困扰工艺类实验教学的难题。
二、实验教学改革的目的
1.实践教学资源不足。如果每个学生独立操作实验，实验设备一定要充足多样，大部分高校所拥有的设备和教学条件由于教学成本的原因基本难以满足，达不到理想的教学效果；如果学生分组进行实验，很难评价学生的交流活动和个人学习效果，有些教学环节会成为实验的盲点。
2.学习很难：《食品工艺学综合实验》是食品科学与工程专业理论性和实践性较强的一门重要专业基础课，涉及产品工艺过程中的动量传递、传热传质，包括流体流动与输送、过滤、杀菌、浓缩、灌装、调配等各个工艺操作单元，学生很难从整体上把握整个工艺过程。虚拟仿真实验教学是应用计算机辅助技术进行仿真实验。与传统的现场操作相比，教学过程可以做到“一机一手”，满足了每个学生独立进行实验操作的要求。
三、实验教学改革的方案
1.仿真软件架构。教师通过管理学生和试题来部署和维护整个仿真系统。教师终端通过网络通讯程序与学生终端连接，可以控制每台模拟计算机，启动和控制每个学生的计算机终端。教师和学生可以访问管理平台进行应用统计。登录管理平台后，可以随时查询登录统计、成绩分析等数据信息，管理平台也可以通过通讯启动和控制学生端的模拟程序。模拟程序的学生端部署在学生的计算机上。学生端的应用管理程序负责提供智能评分、工况管理、仿真程序生命周期管理等服务，并提供这些服务对仿真运行平台的访问功能。仿真运行平台创建仿真数据和计算单元，以实现和维护仿真算法逻辑的运行。
2.实验教学过程。整个实验过程按照教师讲解理论，学生完成虚拟实验的过程进行。
实验包括以下实施过程：（1）教师通过教学软件系统中的3D虚拟交互软件引导学生复习相关基础知识；（2）教师通过3D虚拟软件讲解演示操作；（3）学生进行操作练习；（4）教师逐一指导，检查学生对训练内容的掌握情况，复习实验报告，并将复习结果反馈给学生。
3.教学评价体系。学生操作后，软件自带评分系统，可以根据系统给出评分提示。操作正确会打分，操作错误会扣分。每一步最多只会扣三次。评价系统的特点是：（1）评价系统采用语音、动画、文字、视频等生动的多媒体手段提示错误操作，更方便学生理解；（2）评分体系可分为实习模式和考核模式。实践中有步骤提示，教学示范，注意点。考核模式屏蔽所有提示，只屏蔽少数提示，可以设置调查陷阱，考核学生对操作的掌握程度；（3）学生可以随时进行自动评价，采用即时推演机制，实时了解实验过程中的操作不足；（4）检查完成后可以调出操作日志，查阅正确的操作和操作者的操作；（5）评价体系可以通过互动操作、实习完成、发散选项等方式对实施进行科学完整的整体评价。
四、实验教学的实施效果
1.学习环境身临其境。虚拟仿真技术可以创造一个“沉浸式”的操作环境，系统中的三维虚拟交互软件可以促进学生操作和使用更具视觉感的设备。虚拟仿真软件可以在计算机上模拟三维空间中的虚拟世界，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验设备，为用户提供视觉、听觉、触觉等感官的模拟，使学生可以不受限制地360°旋转观察三维空间中的事物，界面友好，交互操作，形式生动活泼，降低了学生的学习难度，增加了学生的学习兴趣。这样学生在实验过程中可以自由操作，就像在真实的工厂环境中一样。
2.实验操作富有想象力。学生在虚拟环境中操作设备时，可以安全直观地显示复杂、危险、反应周期长、传统实验室无法完成的实验，并能快速显示最终的操作结果，从而达到概念教学的效果。仿真软件通过记录数据和处理数据，可以记录运行过程中产生的数据，并对数据进行处理，生成相应的图表，从而找出实验设计中存在的问题。
3.模拟过程是面向行动的。实验过程中，学生可以选择操作单元中清洗、破碎、酶解、排气、灌装、杀菌等设备单元，定性定量添加所需的原料、改变工艺参数，观察实验结果，以实际行动的方式进行实验，让学生感受到操作的真实性。
4.操作过程是自主的。在整个实验过程中，学生可以选择感兴趣的模块，并添加不同的操作参数。软件的每个模块都有一个具体的操作流程，可以模拟测试操作中的每一步，并用文字或语言进行解释。
五、实验教学的效果反馈
1.学生反馈很好。学生普遍认为全景模拟的虚拟实验比传统模式实验更有趣，可以在虚拟环境中最大限度地实现自己的想法，自由调试设备参数，自主选择各种处理设备，不用担心实验中的错误或事故，大大提高了学生的学习热情和兴趣，熟悉整个过程和控制。
2.教学有良好的反馈。利用虚拟仿真实验教学方法，教师可以在教学过程中进行程序化的实验演示，减少教学任务，提高教学效率。通过虚拟仿真软件，依托虚拟仿真的形式，形成了以学生为主体的实践教学模式，受到了教师的广泛好评。新模式下的教学模式吸引了更多的教师和学生加入，并建立了良好的声誉。
3.为其他课程的建设提供参考。虚拟仿真技术为《食品工艺学综合实验》课提供了一种全新的教学方法，是对原有传统教学方法的有益补充，是一种让学生更加直观、快速掌握食品工艺过程及设备操作的教学方法，为其他课程的虚拟仿真实验建设提供了参考。
总之，食品工艺学虚拟实验可以提供一个三维、高仿真、高交互性的虚拟食品加工仿真操作平台，使学生通过在该平台上的操作练习，进一步了解食品工厂的实际操作环境。通过虚拟实验教学，为学生提供了一个独立的实验平台，有利于调动学生的大脑和思维，培养学生的实践能力，增强学习兴趣。
参考文献：
［1］吴森，食品工程原理实验虚拟仿真教学体系探索.2019.
［2］张春宇.浅谈虚拟仿真技术在《食品工艺学综合实验》课程中的应用.2020.
课题：2020年产学研合作协同育人项目《食品工艺学综合实验虚拟仿真平台的建立与应用》（项目编号：202002013005）；校级一流课程建设项目《食品工艺学综合实验》（项目编号：YLK201909），校级教改项目《食品第三方检测行业校企合作长效机制研究》（项目编号：J20014）