虚拟仿真实验教学资源助力新工科食品人才培养的研究与实践

李文钊，刘常金

（天津科技大学食品科学与工程学院，天津 300457）

进入21 世纪，我国的高等教育快速发展，培养学生的数量也迅速增加，提前进入大众化教育时代。随着高等教育的规模扩张的结束和社会对于人才需求的变化，对于人才的培养质量、效率和效果受到各界关注。高校持续开展教育教学改革提升人才培养质量[1-2]。2017 年教育部正式推出“新工科”计划为高校深化工程教育改革的理论研究与应用实践指明方向。

天津科技大学脱胎于原轻工院校，遵循“坚持拓展轻工特色，精心培养行业中坚，矢志服务国计民生”的优良办学传统，一贯注重培养师生工程实践能力，高度重视教育技术信息化。食品科学与工程作为学校最早设立的本科专业，经过60 余年的发展已经成为天津市重点建设的学科专业。早在2014 年，学院就启动食品专业虚拟仿真实验教学建设计划，抽调食品专业核心理论课程及指导实践环节的10 余名骨干教师组建食品加工虚拟仿真教研团队，开发和引进小麦制粉、油脂精炼及大仪分析系统等虚拟仿真实验教学系统[3]。

在与用人单位及校友的交流中发现，毕业生踏入社会接触实际工厂面对复杂工程问题时，其分析、解决问题能力，以及实际操作动手能力等仍显不足。究其原因是多方面的：第一，出于安全考虑，加之食品企业管理要求，学生去食品加工厂大多只能通过参观走廊看看食品加工GMP 车间，进到车间加工现场接触和实操加工设施与设备存在困难；第二，工科院校本不富余的实验场地和常规实验台套数随高校扩招更显紧张；第三，高校大型精密分析仪器主要用于科研，在教学中多是演示实验，本科生鲜有实操机会。

这些问题产生原因多与当初开发和建设虚拟仿真实验教学资源的初衷不谋而合，研究与实践虚拟仿真实验教学资源的应用途径，以缓解上述矛盾，助力新工科食品人才培养[4]。

1 构建“认知领域递进”虚拟仿真实验教学资源助力新工科食品人才培养路径

“1 000 t/d 毛麦清理虚拟仿真实验”并不仅仅是一个单独的实验，而是一个虚拟仿真教学系统，以小麦制粉加工真实工厂为原型，采用3D 教学系统构建环境、厂址、工艺、核心设备、品质控制、安全管理等方面，学生可以直观地看到厂区的布局和设备的摆放及连接方式。主要包括任务系统、评分系统、知识点系统及微课系统等。采用任务系统形式指引学生进行工艺学习；评分系统对学生的操作进行判定；知识点系统包括生产工艺的知识点、设备工作原理及维护知识点、杂质处理及安全生产的知识点等。在实际教学应用过程中发现，该虚拟仿真教学系统不仅可以应用于“认识实习、食品工程技能实习、食品工程课程设计及毕业实习”等各个实习实践教学环节；团队教师发现虚拟仿真系统对机械设备原理、结构等清晰呈现的强大功能，有效提升“食品科技导论”“食品机械与设备”“食品工艺学“食品工厂设计”等理论课堂讲解效果。

为此，团队组织从基础教学到专业课程教不同层级的教师一同学习研讨，深入了解小麦制粉虚拟仿真实验教学系统的内容与特点，请教师各自从所教授的课程出发，寻求可以对接之处，利用优质虚拟仿真教学资源助力教学质量提升，构建了“认知领域递进”优质虚拟仿真实验教学资源助力新工科食品人才培养路径。

“认知领域递进”优质虚拟仿真教学实验资源助力新工科食品人才培养路径见图1。

图1 “认知领域递进”优质虚拟仿真教学实验资源助力新工科食品人才培养路径

由图1 可知，从基础学习阶段到专业学习阶段，虚拟仿真实验教学系统凭借强大的图文直观展示特点、身临其境的操作体验及丰富的知识点系统，使其不仅能够进入人才培养所必需的实习实践环节，也能够融入人才培养不可或缺的实体理论学习课堂，助力提升学生学习兴趣与学习效果。

2 优质虚拟仿真教学资源助力食品工程人才实习实践培养环节案例

实例1：优质虚拟仿真教学资源进入认识实习环节。

对于食品科学与工程专业学生而言，工厂参观与实践是必不可少的教学环节，通过到工厂实地参观与学习，初步了解食品生产的工艺过程和设备特点，熟悉必要的生产技能及管理经营知识，使学生对食品科学与工程有一个感性认识，提高和巩固学生的专业思想，为学习食品科学与工程专业知识打下良好的基础。由于粮食加工的特殊性，存在粉尘易燃易爆等安全性问题，学生不容易到达加工厂现场。此外，由于加工设备庞大、工艺复杂程度高，整套设备分布在一幢10 层楼的各楼层内，学生即使到现场看到的是繁杂的管线与设备，难以将知识点和具体的实践相结合，打击学生学习积极性，导致教学效果不理想。

虚拟仿真教学系统恰能弥补这些不足，在虚拟空间中能够将厂房墙壁、楼板等隐去，清晰呈现气路、麦路、杂质等管线的走向，辅以图文、音响、生动的工艺流程视频，并通过实验任务的形式，让学生动手操作，身临其境的工厂加工场景，提高教学的直观性，激发学生学习兴趣与潜能。同时，虚拟资源中丰富的知识点系统便捷地帮助学生学习认识实习需要掌握的内容。学生反馈“和参观工厂相比，这个更生动，更有趣味；操作1 遍，印象更深。”

优质虚拟仿真教学资源辅助认识实习环节见图2。

图2 优质虚拟仿真教学资源辅助认识实习环节

实例2：优质虚拟仿真实验教学资源进入”食品工程“课程设计环节。

食品工程课程设计要求学生以食品工艺、食品机械与设备、食品工厂设计为基础，模拟设计一条食品生产线，撰写设计说明书并绘制图纸。1 000 t/d毛麦清理虚拟仿真教学实验在设计研发时，就考虑了培养学生工程设计能力培养环节——要求学生在了解和掌握日处理量为1 000 t 毛麦清理工艺基础上，完成物料衡算、设备选型等任务，自主设计一条日处理量为2 000 t 的毛麦清理线。使学生能够体验运用所学食品工学知识的快乐，掌握工程设计的基本程序与关键，培养学生的创新能力和实践能力。此过程的学习能够助力新工科食品专业学生食品工程课程设计环节的要求。

优质虚拟仿真实验教学资源进入“食品工程”课程设计环节见图3。

图3 优质虚拟仿真实验教学资源进入“食品工程”课程设计环节

实例3：优质虚拟仿真教学资源助力完成毕业实习环节。

毕业实习目的是使学生掌握基本的生产实际知识，巩固和丰富已学过的专业知识。培养学生理论联系实际的能力，培养学生在生产实际中调查研究、发现问题、分析问题、解决问题的能力，为毕业论文和设计奠定基础。通过实习，要求学生深入工厂的实际工作环境，了解企业的生产状况，管理经营情况和行业发展现状与前景，熟悉掌握食品的生产工艺过程，并将学过的基础理论和知识与生产实际结合起来。培养学生踏实认真的工作态度和工作作风。

前面已叙述，学生到工厂参观完成认识实习都存在困难，深入工厂实际环境开展仪器、设备操作的毕业实习就更困难。如何在有限的时间、空间达成良好的毕业实习效果，虚拟仿真教学系统来助力。教学团队在1 000 t/d 毛麦清理虚拟仿真教学实验平台上，拓展了“小麦制粉工厂”“振动筛虚拟仿真实习软件”“去石机虚拟仿真实习软件”等多项学习模块，每个模块都配备包括工艺视频、设备拆分、实验操作等文件，还配套了小麦制粉虚拟仿真工厂实习实践指导书及小麦制粉虚拟仿真实验教学操作流程，帮助学生学习认识小麦制粉工厂厂区布局与安全管理、原料的选择与标准、工艺流程及关键点，掌握核心设备原理、结构与运行，助力学生完成毕业实习，满足新工科食品专业人材培养需要。学生在虚拟仿真实验教学平台留言“场景逼真，学习体验很不一样。能够体验工厂毛麦清理的完整流程。将理论与实践结合很有意义。”“仿真实验利用计算机把实验设备、教学内容、教师的理论指导和学生的操作有机结合在一起，克服了实验课受课堂、时间限制的困扰。使实验在教学内容和空间上得到延伸。营造了多样化的教学环境，使学生可以更自由、更自主地学习，充分调动了课堂的积极性，拓展了视野，锻炼了上机操作的能力。”

优质虚拟仿真教学资源辅助毕业实习环节见图4。

图4 优质虚拟仿真教学资源辅助毕业实习环节

3 优质虚拟仿真教学资源融入食品工程人才实体课堂培养环节案例

虚拟仿真教学系统不仅是应用于实习实践等环节，在理论课堂中也能充分发挥其优势，帮助教师提升教学效果，提升教学质量。

实例4：优质虚拟仿真教学资源融入“食品科技导论（双语）”理论课堂。

食品科技导论（双语） 通过双语教学介绍食品科学与技术的基本知识，促使学生运用英语作为工具学习专业课程。在讲授焙烤工艺（Bakery Technology） 一章中关于面粉磨制（Milling Wheat） 时，教师双语讲解小麦制粉工艺同时，结合虚拟仿真实验教学能够更清晰呈现小麦制粉工艺，帮助学生熟悉小麦制粉过程，让枯燥、晦涩英文词汇变得轻松易理解。

实例5：优质虚拟仿真教学资源融入“食品机械与设备”理论课堂。

在“食品机械与设备”理论课堂上，教师单纯用语言往往难以解释清机械原理与设备结构，毛麦清理虚拟仿真教学资源针对实际教学中对振动筛、去石机等设备的内构与工作原理难以阐述的问题，采用3D 实景再现的教学方法，学生可选择性拆分设备、360°无死角观察、并可“启动”设备，掌握粮食清理核心设备的工作原理。按照工艺流程对去石机、精选机等设备进行巡检，通过取样、分析，判断设备运行情况，并可以针对设备非正常运行状态进行调整，锻炼了学生对设备的操作能力，提高了学生应用所学知识分析与解决实际问题的能力。学生在平台留言反馈“虚拟仿真实验利用3D 实景技术，将理论与实践深度融合，提高了学生应用所学知识与实际解决问题的能力，促进学生自主化学习和个性化学习”“设备很好，非常真实，是一个很好的学习平台”。

优质虚拟仿真实验教学资源融入“食品机械与设备”理论课堂见图5。

图5 优质虚拟仿真实验教学资源融入“食品机械与设备”理论课堂

4 结语

面对“新工科”对人才培养的新要求，食品企业对食品专业人才能力的新需要，食品加工虚拟仿真教研团队在教学实践中，开拓应用优质虚拟仿真实验教学新途径，设法将虚拟教学资源融合基础理论课堂、融入实习实践过程，形成从理论到实践连续递进式虚拟仿真实验教学资源助力新工科食品人才培养新路径。正如一名学习者留言，仿真实验利用计算机把实验设备、教学内容、教师的理论指导和学生的操作有机的结合在了一起，克服了实验受课堂、时间限制的困挠。使实验在教学内容和空间上得到延伸，营造了多样化的教学环境，使学生可以更自由、更自主地学习。

将来，在建设更多优质虚拟仿真实验教学资源的同时，不断挖掘优质虚拟仿真实验教学资源应用新途径，培养满足社会经济发展需要的高质量新工科食品专业人才。