食品科学与工程三位一体实践教学体系构建——基于青藏高原特色食品资源和虚拟仿真技术研究

王树林，韩丽娟，王进英，曹效海，刘荟萃，秦艳婷，叶 英，陈 霞，李彩娇

（青海大学 农牧学院，青海 西宁 81001 6）

食品产业是全球的第一大产业，也是我国三大支柱产业之一，食品工业是“为耕者谋利、为食者造福”的民生产业，近 20 年来是我国国民生产总值第一位的产业，在实施强国战略和推进健康中国建设中具有重要地位[1]。目前，食品产业仍有巨大的发展潜力，而食品产业的发展离不开高素质的人才。食品科学与工程专业人才需要较高的实践技能，才能适应食品产业对专业人才的需求，同时该专业具有较强的工科背景，而大多是农业院校工程教育环节 薄 弱 ， 存 在 “ 重 科 学 理 论 ， 轻 工 程 设 计 ” 的 情况[2]，是该专业建设及发展中存在的突出问题。教育部首轮“新工科”专业改革建设中，食品农林类被列为 19 个项目群之一，表明食品类专业要以高质量的工程教育服务国家新一轮科技革命与产业变革[3]。食品科学与工程专业的建设具有明显的地域性、应用性和特色化。在新工科建设的大背景下，食品科学与工程专业应立足地方资源特色[4]，聚力培养食品新产品开发、食品工程设计、食品安全控制与管理等领域的高质量应用型工程技术人才，培养具有较强实践技能的高素质专业技术人才是该专业发展的目标和人才培养的主要任务[5]。

青海大学食品科学与工程专业以培养学生的实践与创新能力为核心目标开展实践教学，让学生在掌握食品科学基本理论基础上，熟悉典型食品加工单元操作，以及食品工厂的生产、规划及管理，培养学生解决食品工业生产及发展实际问题的能力。该专业在建设过程中坚持特色优先，强化实践技能培训，不断探索基于青藏高原特色食品资源的实践教学体系[4]。但受到实践教学资源、教学计划安排、实践教学经费等因素的限制，实践教学质量的提升处于瓶颈阶段，需要突破限制，充分借助新兴教学工具，如互联网、大数据、虚拟仿真技术、人工智能等技术，将视、听、触等多种感知的虚拟实验环境融入实验教学，更好地激发学生的学习兴趣，提升实践教学质量。

自 2018 年以来，努力探索虚拟仿真教育技术在实践教学体系中应用，将虚拟仿真教学充分应用于“食品工程原理”“食品机械与设备”“食品工艺学”等课程的实践教学中；同时，建立了基于青海特色食品资源青稞、牦牛全产业链的虚拟仿真实践教学平台，将理论知识和实践技能操作有效结合，充分发挥校内实验室、校内实践教学基地及校外实践教学基地的实践教学功能，构建了基于虚拟仿真技术为纽带的三维一体的实践教学体系，为青海大学食品科学与工程本科教学质量提升奠定了坚实基础，为新的教学方法探索与改革创造了条件。

1 提高食品科学与 工 程人 才培 养质 量实 践 教 学 存 在的主要问题

1.1 有限的实践教学资源是限制实践教学质量提升的瓶颈问题

食品科学与工程专业学生人数较多，但大型仪器及加工设备台套数较少，导致实验分组学生人数较多，学生参与具体仪器及设备操作的机会受限，学 生独立操作的机会少，影响学生动手能力 的 培养， 限制了学生对仪 器设备性能及操 作技术的 掌握，影响实践教学质量的提升。对于一些综合性大实验，多个班级轮流使用实验室也给实验教学带来的诸多不便。此外，受实验室安全管理和人员配备等方面的限制，学生一般只能在实验课规定的时间内做实验，限制了学生对实验内容的掌握及实践技能的培养。

食品科学与工程专业实验课程实验项目繁多，所需要原料、仪器种类较多。实验室配置的大型精密仪器及加工设备，普遍具有体积大、投资多、操作不当易引起损坏、设备维护复杂且费用高等特点。例如，食品分析实验中关于气相、液相操作等实验项目，一般以教师讲解与操作演示为主， 学生在一旁观看，学生几乎没有自主操作的机会，影响实验教学效果。此外，加工设备、精密仪器结构较复杂，即使教师在现场做情景化、实时化的演示实验，但无法拆解设备及仪器，学生也难对该仪器设备的内部构造对进行深入和全面的了解。

1.2 安全性风险限制了部分实验项目开设的问题

食品理化检验中用到的部分化 学 试 剂多易燃、易挥发，并具有一定的腐蚀性和毒性，如凯氏定氮法测定粗蛋白和索氏抽提法测定粗脂肪中用到的浓硫酸和乙醚，该类实验操作中存在一定风险，学生在实际操作前最好对仪器设备及实验过程有一定的了解和掌握，才能保证实验的顺利进行。此外，食品加工单元中多涉及高温、高压等条件，且一些精密仪器的长时间使用存在辐射危害。实验中存在的安全风险限制了实验教学过程中部分实验项目的开设和学生独立操作实验的机会。

现代食品加工企业具有严格的食品质量及安全管理制度，学生进入车间实习需要进行体检、办理健康证等一系列程序，因此学生无法结合课程理论学习，及时进行生产技能训练为主的生产实习；受风险管控及安全规定限制，学生进入车间实习也无法接触设备操作、设备控制等实践技能训练，大多时候只能是参观式的实习，学生集中生产实习期间，大多时间只能在包装车间、仓储等环节实习，极大地限制了学生生产实习的效果。

1.3 校内生产基地无法建设生产线，限制学生实践教学机会的问题

现代食品加工厂基本是电脑中央化控制的自动化流水生产线，生产线自动化程度高，不再是单元设备的简单连接。现阶段，校内实践教学基地加工设备多为单元操作设备，无法训练学生专业知识的综合应用能力，也无法让学生了解现代食品工业化生产的场景及现代化加工生产设备的使用、管理等知识。

1.4 食品专业 理 论知识和实验技术 片 段化 严 重 ，没有形成整体体系的问题

目前，我国高校大多数食品科学与工程专业的课程体系由通识课程、学科基础课程、专业基础课程和专业课程 4 个部分组成，被分割成多个课程进行学习，学生学习完各个课程后往往没有将食品学科整个知识点和实验技术整合起来，知识的片段化问题极为严重。知识点和实验技术的片段化使得学生无法提高综合技能水平，无法将所学知识和技能灵活应用于生产实践中。例如，“食品化学”主要介绍了食品中主要营养素的化学特性，“食品工艺学”主要介绍了食品加工中用到的各种工艺，学生只能片段化地学习，无法将两者综合起来。

1.5 现有专业 培 养模式无法形成以 食 品加 工 为中心的全产业链知识体系的问题

随着我国乡村振兴战略的实施，以食品加工为中心的农产品加工产业已成为广大农村精准扶贫、实现乡村振兴的主要产业，在我国新农村建设及乡村振兴的大背景下，对食品科技人才专业技能的要求 涉 及 产 前 （种 植 、养 殖）、 产 中 （加 工）、 产 后（消费），而目前食品科学与工程专业人才培养环节主要集中于加工的理论和知识，而忽略了产前和产后知识的学习，无法适应新时代农业、农村发展对食品专业技术人才专业技能的要求。

2 构建三位一体实践教学体系的目的

2.1 凝练专业特色，开展虚实结合、多元一体的混合式实验教学

以青海省特色食品资源为依托 ， 将原料种植、品质评价、产品加工、企业管理、成本核算等专业知识点结合，充分发挥虚拟仿真教学的优势，构建整体的、有特色的食品科学与工程专业的理论及实践知识体系，有助于学生系统性地学习及技能培训。

2.2 建立理实＋实践一体化教学体系

充分结合虚拟仿真实验、实验室及 校内实践教学基地实验、校外企业认知及生产实习，将理论知识与实践技能训练结合，将线上与线下教学资源结合，将校内与校外实践教学资源整合，建立“三位一体”的实践教学体系。以实践教学促进理论学习，以虚拟仿真教学促进实践教学，完善学生专业知识体系，强化实践技能培训，形成特色实践教学体系，为食品科学与工程专业人才培养服务。

2.3 构建完善的专业课程群知识体系

“三位一体”实践教学内容不仅贯穿专业基础课程和专业课程的知识体系，同时也建立涵盖农产品加工产前、产中、产后的知识，有利于学生掌握完备的知识。实行“以学生为主体，以教师为主导”的教学方针，给予学生个性化发展的空间，打破以课程为单位的实验体系，增加综合性、研究创新性实验教学内容，进一步优化实验教学体系，提高实践教学水平，加强学生综合基础知识、基本实践技能和科技创新能力的培养[6]。

2.4 破解实践教学空间及教学资源的限制，提高实践教学质量

充分利用信息化、网络化教学资源，发挥虚拟仿真实践教学的优势，线上为学生提供工程原理、加工工艺、大型仪器及加工设备，食品加工生 产线，食品厂生产环境的学习及实践机会，增加学生自主学习的机会，培养学生实践技能，提高学生培养质量。

3 基于虚拟仿真技术的“三位一体”的实践教学体系构建

食品科学与工程“三位一体”实践教学体系见图 1。

图1 食品科学与工程“三位一体”实践教学体系

以提高本科教学质量、强化实践教学环节、突出实践技能培养、提高本科人才培养质量为目的，依托现代信息化、网络化、智能化教学资源，建设青藏高原特色食品生产虚拟仿真实验平台，构建网络虚拟仿真平台、校内实验室及实践教学基地，校外实践教学基地相结合的“三位一体”实践教学体系，强化食品科学与工程工程类课程的实践教学环节，强化工程教育环节。

4 基于虚拟仿真实践教学资源的混合式实践教学模式

遵从“能实不虚、虚为实用、虚实结合”的原则，基于虚拟仿真平台，将实践教学设计为“预习实验 （线上，线下） + 虚拟仿真实验 （线上） + 实践教学 （线下）”3 个教学环节，将实践教学模式设计为“实验信息发布及讨论 + 虚拟仿真教学 + 线下实验教学 + 综合考核 + 实践教学质量巩固”5 个步骤教学活动即“三环五步”虚拟仿真实验实践教学模式。

基于虚拟仿真教学资源的混合式实践教学模式见图 2。

图2 基于虚拟仿真教学资源的混合式实践教学模式

以虚拟仿真实验平台为纽带，充分应用校内外2 个实践教学资源，强化实践教学环节，提高实践教学质量。学生可以充分利用虚拟仿真实验平台，完成实验项目及生产实践内容的预习，通过虚拟仿真平台对相关实验内容及生产技术的进行反复练习及操作，达到对实践教学内容的熟练掌握，巩固实践教学成果，利用校外实践教学基地，提高学生生产实践技能及综合素质，全方位、多渠道培养学生实践技能及工程能力。利用信息化教学资源，强化师生信息交流沟通，达到教学相长，鼓励学生自学，培养学生学习兴趣，提高学生学习能力。

在实践教学中，利用 3D 虚拟技术模拟食品工程原理实验、食品加工关键工艺，农产品及畜产品加工技术、工艺流程、加工设备、食品理化分析、食品车间布局，食品厂空间布局，食品厂管理等知识点，通过线上学习及讨论，使学生对工程原理、加工工艺、加工技术有初步的了解和熟悉，在实践教学中充分利用实验室教学资源及校外实践基地，进一步强化实验操作、产品加工、食品厂生产实习等实践教学环节，将虚拟教学资源与实验室、实践教学资源充分整合，最大程度地优化整合资源，达到更好的实践教学效果。

5 青藏高原虚拟仿真实践教学平台的构建

虚拟仿真实践教学平台是连接理论与实践教学，校内外实践教学资源的纽带，是实现“三位一体”实践教学体系的关键。青海大学高度重视虚拟仿真教学技术在教学中的应用，2019 年青海大学建成虚拟仿真智慧教室，为虚拟仿真教学技术在本科教学中的应用推广奠定了基础。

自 2018 年开始，青海大学食品科学与工程专业探索虚拟仿真教学资源在食品科学与工程专业教学中的应用，为解决虚拟仿真教学资源短缺的问题，依托国家虚拟仿真项目的教学资源，按照教育部协同育人方针，联系国内具有食品科学与工程虚拟仿真教学资源的企业为食品科学与工程专业提供虚拟仿真教学资源，开展虚拟仿真实践教学。同时，进行师资培训，参加国内相关的虚拟仿真教学技术交流。在“食品工程原理”实验课程教学中采用虚拟仿真与实验教学相结合的教学改革与实践，分析虚拟仿真实验对学生掌握实验技能的影响，并评价对课程学习的影响，结果表明在实验教学环节引入虚拟仿真教学资源，可极大地提高学生对“食品工程原理”理论及实验操作的掌握程度，提高教学质量。2019 年参加全国大学生工程原理虚拟仿真竞赛，获得地区特等奖、一等奖、二等奖的优异成绩，参加全国大赛取得二等奖的优异成绩。

为探索虚拟仿真教学技术手段在工程领域教学的应用，提高本科实践教学质量，提升人才培养质量，2019 年青海大学投资 250 万元，立项建设青藏高原食品生产虚拟仿真平台，为实践教学内容及方法的改革，新的实践教学体系的构建奠定了基础。

青海大学青藏高原特色食品生产虚拟仿真实践教学平台由青藏高原特色食品虚拟仿真网络管理运行平台、食品工程原理实验虚拟仿真教学平台、食品工艺实验虚拟仿真教学平台，牦牛养殖及加工实践教学虚拟仿真教学平台及青稞种植及加工实践教学虚拟仿真平台 5 个部分组成。其中，青藏高原特色食品虚拟仿真网络管理运行平台主要完成软件、教学、学习、考核及开放管理。

青藏高原特色食品虚拟仿真网络管理运行平台的功能包括系统管理、用户管理、通知公告、仿真资源管理、仿真资源在线学习、仿真考试管理、仿真答疑、理论试题管理、题库练习、理论考试管理、仿真学习统计、理论考试中心、自我检测、知识点管理、知识点学习、机构管理、班级通知公告、知识点学习系统、理论考核系统、课程管理及课程学习。管理员可以对网站系统基本信息进行编辑管理；对数据库进行备份、恢复等操作管理；查看用户登录日志和系统操作日志。

“食品工程原理”实验教学平台的实验内容及教学软件包括雷诺演示 3D 虚拟仿真软件、洞道干燥3D 虚拟仿真软件、膜分离 3D 虚拟仿真软件、精馏综合拓展 3D 虚拟仿真软件、管式反应器流动特性测定 3D 虚拟仿真软件、固定流化床 3D 虚拟仿真软件、传 热 3D 虚 拟 仿 真 软 件 、蒸 发 3D 虚 拟 仿 真 实 验 。“食品工艺实验”教学虚拟仿真教学平台软件主要包括超临界流体萃取 3D 虚拟仿真软件、浓缩与结晶3D 虚拟仿真软件、发酵罐 3D 虚拟仿真实验软件、恒压过滤 3D 虚拟仿真软件、液液萃取塔 3D 虚拟仿真软件、流化床干燥 3D 虚拟仿真软件、二氧化碳吸收与解析 3D 虚拟仿真软件。

牦牛养殖加工实践教学平台包括牦牛养殖、牦牛屠宰、牦牛肉产品加工虚拟仿真软件。牦牛养殖教学内容使学生了解天然放牧不同季节牦牛的养殖方式 （特点），生态畜牧业养殖模式、掌握养殖场集中养殖方式、对比集中饲养和天然放牧的区别，掌握牦牛肉的品质及风味检测技术手段等，可以进行养殖场成本及经济效益分析，设置养殖场规模、肉及副产物价格、分析养殖成本及效益。牦牛屠宰教学内容包括牦牛屠宰、牦牛分割分级模块。牦牛肉产品加工教学内容涉及牦牛肉产品加工模块、牦牛肉产品品质及风味分析模块、加工厂经济效益分析模块 3 个部分。

青稞种植及加工实践教学平台包括青稞种植及收割仿真软件及青稞加工工艺生产实习仿真软件。青稞种植及收割仿真软件教学内容包括青稞种植收割管理模块，青稞加工工艺生产实习仿真软件涉及教学内容包括青稞品质及风味分析模块；谷物 （青稞） 制粉工艺及典型设备运行模块、青稞粉 （γ - 氨基丁酸粉） 的制备工艺及应用模块、γ - 氨基丁酸粉酸奶生产加工模块及青稞酒的生产加工模块。

虚拟仿真平台通过管理平台，实现教与学的结合，学习过程的有效管理，学习与考核的有效管理，在仿真软件开发中根据实验内容将理论知识有效的嵌入实验及各个环节，实现理论与实践知识的有效结合。以全产业链的生产环节制作虚拟仿真软件，使教学内容涵盖农产品的农牧业生产、产品加工、企业管理、产品评价的全产业链，极大地丰富了学生学习相关知识的渠道，拓展了食品专业学生的知识面，优化了学生的知识结构，弥补了大多数食品专业课只涉及产品加工工艺的教学内容短板，使学生知识及能力培养培养更加符合产业发展需求和新农村建设的需求。

6 食品科学与工程三维一体虚拟仿真实践教学效果的评价

三维一体实践教学体系的构建，充分发挥“虚实结合、以虚补实”的特点和优势，解决部分实体教学实验难以开展的问题。在“三位一体”的实践教学体系中，充分发挥虚拟仿真实践教学平台的优势，解决了食品科学与工程专业实验室生产设备及工程设备短缺，特别是大型生产设备短缺，限制了学生在学校无法进行生产实践技能训练的问题，以及由于工程实验设备台套数少，无法在实验室充分开展工程实验的教学困难；克服了学生生产实习等实践教学活动受生产单位食品质量与安全相关管理规定制约，无法配合课程学习随时进行实践教学的问题；还解决了食品科学与工程本科专业部分实验成本较高，存在安全风险的问题。

7 结语

三位一体实践教学中的虚拟仿真软件教学采用寓教于乐、角色化实践操作等实验教学新手段，将理论知识融合到实践教学环节，极大地增强学生实验积极性，激发学生自主实验兴趣。把虚拟仿真技术应用于实验教学，增加交互场景设置，创设基于问题导向和角色化的实验教学方法，构建基于真实情境、综合实践的教学环境；教育方式由教师主导向学生自主转变，灌输式教学向启发、互动转变，机械式教学向研究、探索和合作转变。该教学体系实现“深度交互、理实融合”学习效果；培养学生自主完成综合调查、分析测试、方案设计、编写报告的能力，激励观察思考和发散创新。通过学生评教、专家考评、教师教学自我评价等方式对食品科学与工程三位一体实践教学体系的应用及效果进行多元考核及评价。综合考评结果表明，“三位一体”的实践教学模式有助于形成互动交流学习和多层次的实践教学模式，使学生在实践过程中能够获得更多的自主权，最大限度地提高了学生学习兴趣及学习能力，极大地提高了食品科学与工程实践教学的质量实践教学质量，强化了学生的工程训练环节，有利于按“新工科”建设标准建设食品科学与工程专业。