李昌靈，胡玉平，吳 鏑，劉衛(wèi)今，付 明，鄒 娟

（1.懷化學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，湖南懷化 418000；2.懷化學(xué)院外國語學(xué)院，湖南懷化 418000）

淺談仿真技術(shù)在“發(fā)酵食品工藝學(xué)”課程教學(xué)中的應(yīng)用

李昌靈1，*胡玉平2，吳 鏑1，劉衛(wèi)今1，付 明1，鄒 娟1

（1.懷化學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，湖南懷化 418000；2.懷化學(xué)院外國語學(xué)院，湖南懷化 418000）

“發(fā)酵食品工藝學(xué)”是一門涵蓋微生物學(xué)、食品工藝學(xué)及發(fā)酵工程等多領(lǐng)域知識的綜合性應(yīng)用課程。將虛擬仿真技術(shù)實際應(yīng)用于“發(fā)酵食品工藝學(xué)”課程教學(xué)中，不僅能取得較好的仿真效果，而且加深學(xué)生認(rèn)識發(fā)酵食品生產(chǎn)工藝過程，并提高學(xué)習(xí)興趣和強(qiáng)化教學(xué)效果。

發(fā)酵食品工藝學(xué)；仿真技術(shù)；課程改革；教學(xué)實踐

0 引言

近年來，我國發(fā)酵食品工業(yè)迅猛發(fā)展，其生產(chǎn)裝備的大型化、復(fù)雜化及自動化水平大幅度提高。這些均對高?！鞍l(fā)酵食品工藝學(xué)”課程教學(xué)提出了更新、更高的挑戰(zhàn)。該課程教學(xué)經(jīng)驗表明，大部分學(xué)生未接觸相關(guān)實際生產(chǎn)設(shè)備，由于“發(fā)酵食品工藝學(xué)”內(nèi)容較抽象，使得學(xué)生難以理解和掌握相關(guān)理論知識，獲取知識也較片面，進(jìn)而影響教學(xué)效果。

“發(fā)酵食品工藝學(xué)”是高等院校生物工程、食品科學(xué)與工程和食品安全與檢測等專業(yè)的重要專業(yè)課之一，系統(tǒng)講授了食品發(fā)酵基本理論與技術(shù)和主要發(fā)酵食品生產(chǎn)工藝，具有與生產(chǎn)實際聯(lián)系密切、實踐性強(qiáng)等特征[1]?！鞍l(fā)酵食品工藝學(xué)”包含較多工藝過程和設(shè)備，這些工藝、設(shè)備結(jié)構(gòu)及原理較復(fù)雜，教師講授過程中難以將其闡述清楚，然而通過仿真技術(shù)生動形象地再現(xiàn)，學(xué)生可深刻理解與掌握相關(guān)知識。仿真技術(shù)是指模擬真實物體和過程進(jìn)行系統(tǒng)實驗和系統(tǒng)研究的一門應(yīng)用技術(shù)[2]。發(fā)酵技術(shù)仿真借助計算機(jī)在仿真系統(tǒng)上再現(xiàn)發(fā)酵控制過程的特性，模擬真實發(fā)酵生產(chǎn)操作，讓學(xué)生身臨其境，親身感受并掌握發(fā)酵過程各單元設(shè)備的操作[3-4]。仿真技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在一些食品專業(yè)課程教學(xué)中，并取得較好的教學(xué)效果[3-6]，目前應(yīng)用的有“原料粉碎機(jī)仿真”“啤酒發(fā)酵工藝仿真”“葡萄酒生產(chǎn)工藝仿真”“奶酪生產(chǎn)工藝仿真”等。因此，將仿真技術(shù)應(yīng)用于“發(fā)酵食品工藝學(xué)”課程教學(xué)中是迫切的研究課題[7]。

1 “發(fā)酵食品工藝學(xué)”課程教學(xué)存在幾點不足

近年來，盡管國家對教育經(jīng)費投入加大，但是地方院校經(jīng)費和資源仍然投入不足，尤其是工程類學(xué)?；?qū)I(yè)更加明顯，主要體現(xiàn)在課程教學(xué)硬件不足或陳舊（如實驗設(shè)備不足且落后）和教學(xué)軟件不足（如專業(yè)師資較少）。以懷化學(xué)院“發(fā)酵食品工藝學(xué)”課程教學(xué)為例，即使采用一些所謂的多媒體教學(xué)，仍然與傳統(tǒng)教學(xué)方法相差無幾[6]。另外，由于是新建專業(yè)，師資有限，導(dǎo)致“發(fā)酵食品工藝學(xué)”課程教學(xué)效果提高不顯著。目前，“發(fā)酵食品工藝學(xué)”課程教學(xué)存在以下3點不足：

首先，“發(fā)酵食品工藝學(xué)”課程內(nèi)容較多，課時偏少，無法保證知識與技能的鞏固。根據(jù)當(dāng)前教學(xué)計劃，通過壓縮學(xué)時減輕學(xué)生負(fù)擔(dān)，使得原本不足的學(xué)時更加捉襟見肘。

其次，專業(yè)師資不足，大多數(shù)主講教師是剛畢業(yè)，尤其與工廠生產(chǎn)實際聯(lián)系不足，接觸和操作工廠生產(chǎn)設(shè)備機(jī)會不多，缺乏實踐經(jīng)驗，如目前學(xué)校有食品科學(xué)與工程、食品安全與檢測2個專業(yè)，共有專業(yè)課程教師8人，其中僅有3人有過工廠實踐經(jīng)驗。教師在教學(xué)過程中難以有效指導(dǎo)學(xué)生積極學(xué)習(xí)并獲得相關(guān)知識，不能深入理解設(shè)備運行情況、闡述相關(guān)儀器設(shè)備參數(shù)與實際操作規(guī)程[6]。

再次，食品發(fā)酵生產(chǎn)工藝過程中應(yīng)用較多大型儀器和設(shè)備，其大多數(shù)為封閉式結(jié)構(gòu)，僅由外部觀察不同儀器的差別不顯著。學(xué)生不僅無法觀測設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造，更難以了解設(shè)備的組裝和運行，導(dǎo)致他們只能較膚淺認(rèn)識相關(guān)儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)、性能與運行方式[8]。

最后，由于資金和教學(xué)場地不足等原因，食品發(fā)酵工藝相關(guān)儀器相對缺乏，較難滿足日常教學(xué)需求（如學(xué)校僅有一套啤酒發(fā)酵工藝物理仿真設(shè)備，其他的發(fā)酵食品工藝設(shè)備很少，即使有少部分設(shè)備也較為陳舊落后），嚴(yán)重影響課堂教學(xué)和實踐教學(xué)效果。

學(xué)校的上述不足阻礙了培養(yǎng)學(xué)生“發(fā)酵食品工藝學(xué)”課程理論和實踐技能，傳統(tǒng)的課程教學(xué)改革勢在必行。由于學(xué)校經(jīng)費難以滿足學(xué)生具體操作發(fā)酵食品工藝中大型儀器設(shè)備的需求，仿真技術(shù)可使學(xué)生不必直接接觸真實設(shè)備，操作仿真軟件能達(dá)到相似的效果，提高教學(xué)質(zhì)量[6]。

2 “發(fā)酵食品工藝學(xué)”課程利用仿真教學(xué)的優(yōu)越性

所謂仿真教學(xué)為運用建立食品發(fā)酵生產(chǎn)工藝過程和設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，綜合計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及仿真技術(shù)，于計算機(jī)上建立一套反映真實發(fā)酵食品生產(chǎn)工藝過程和設(shè)備完全相同的虛擬分析系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)[9]。在課堂教學(xué)中，采用仿真動畫進(jìn)行演示和講解，能夠生動形象地介紹相關(guān)工藝過程及設(shè)備運行方式，學(xué)生通過操作虛擬設(shè)備及軟件，可以得到與真實設(shè)備與儀器類似的豐富操作經(jīng)驗[6]。仿真技術(shù)于“發(fā)酵食品工藝學(xué)”課程教學(xué)的優(yōu)勢表現(xiàn)在以下2個方面：第一、增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。模擬仿真技術(shù)借助計算機(jī)軟件將發(fā)酵食品生產(chǎn)工藝和設(shè)備展現(xiàn)在學(xué)生面前，這些軟件具有較強(qiáng)的直觀性和互動性，合理使用不但能解決大部分“發(fā)酵食品工藝學(xué)”教學(xué)內(nèi)容抽象和課堂枯燥等問題，而且讓學(xué)生全面了解發(fā)酵食品生產(chǎn)全部工程、工藝要求及條件等[6，10]。第二、節(jié)約教學(xué)經(jīng)費，方便實用。仿真系統(tǒng)不但能較好地提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，還可大幅度減輕教師的授課壓力。通過仿真系統(tǒng)，教師能夠很容易地查看相關(guān)設(shè)備介紹的圖片、文字說明、原理演示、動畫和錄像等，逼真地表現(xiàn)出來部分不易講解清楚的結(jié)構(gòu)、工作原理及操作過程，較好地提高教學(xué)效果[6]。學(xué)生可以直接在計算機(jī)上通過仿真軟件了解相關(guān)儀器的結(jié)構(gòu)、原理，還可以進(jìn)行具體的實驗?zāi)M操作，從而掌握不同儀器使用方法。

3 仿真技術(shù)在“發(fā)酵食品工藝學(xué)”理論教學(xué)中的應(yīng)用實例

首先，在講授第3章啤酒時，主要內(nèi)容是介紹生產(chǎn)啤酒工藝、啤酒生產(chǎn)過程。以大麥及釀造水為主要原料，由大麥、米等原料粉碎開始，經(jīng)過原料粉碎、原料蒸煮、糖化發(fā)酵、啤酒瓶清洗和灌裝消毒等重要部分組成。由于啤酒生產(chǎn)工藝過程內(nèi)容較多，如工段多、工藝復(fù)雜及用到的設(shè)備多，所以講授過程中僅用語音和幾張圖片無法清除完整地介紹，學(xué)生也感覺枯燥乏味。

啤酒生產(chǎn)工藝過程見圖1。

圖1 啤酒生產(chǎn)工藝過程

困難和理解較淺，最終的學(xué)習(xí)效果和效率較差，從而影響教學(xué)效果。然而，教學(xué)中利用啤酒生產(chǎn)工藝仿真軟件能夠完整地把啤酒由原料開始直至釀造出成品啤酒的生產(chǎn)工藝呈現(xiàn)給學(xué)生，并系統(tǒng)了解啤酒生產(chǎn)工藝全過程，部分工段操作界面。

虛擬蒸煮鍋操作界面見圖2，虛擬啤酒發(fā)酵罐操作界面見圖3。

通過圖文并茂的形式和交互式方法，一方面可詳細(xì)介紹啤酒生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識，讓學(xué)生充分了解啤酒生產(chǎn)發(fā)展過程、分類知識和生產(chǎn)原料；另一方面可為學(xué)生提供啤酒生產(chǎn)過程的主要單元設(shè)備進(jìn)行仿真模擬操作訓(xùn)練。在這一系列過程中，由整粒麥芽和米粉碎變成麥粉及米粉，再通過糖化和添加酒花，最后經(jīng)酵母發(fā)酵后制成酒。最重要的是在啤酒罐的發(fā)酵過程，經(jīng)過橫位發(fā)酵變化曲線讓學(xué)生了解影響發(fā)酵的主要因素，如酵母投放量、發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間等因素缺一不可[7，11]。通過以上虛擬仿真技術(shù)，讓學(xué)生真實感覺到啤酒工廠生產(chǎn)情形，直觀地認(rèn)識啤酒生產(chǎn)。通過仿真技術(shù)生動形象介紹和身臨其境的體驗，知識介紹更加深入淺出，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣更加濃厚和效果更佳，提高了學(xué)習(xí)效率及教學(xué)效果。

葡萄酒生產(chǎn)工藝見圖4，紅葡萄酒酒精發(fā)酵仿真操作界面見圖5。

圖2 虛擬蒸煮鍋操作界面

圖3 虛擬啤酒發(fā)酵罐操作界面

圖4 葡萄酒生產(chǎn)工藝

其次，在講授葡萄酒釀造章節(jié)時，以干紅葡萄酒生產(chǎn)工藝為例，其生產(chǎn)工藝流程見圖4。葡萄酒釀造工藝過程長，所用的設(shè)備多，如氣囊壓榨機(jī)、冷凍機(jī)、發(fā)酵罐、保溫罐、緩沖罐、硅藻土過濾機(jī)、泵、除菌過濾機(jī)、振動篩選臺、移動提升架、除梗破碎機(jī)、發(fā)酵罐自流酒收集罐及壓榨酒收集罐等。通過在課堂教學(xué)中利用紅葡萄酒發(fā)酵工藝仿真軟件操作演示（部分操作界面見圖5，圖6及圖7），能讓學(xué)生深入理解干紅葡萄酒的工藝機(jī)理，熟悉操作、增長經(jīng)驗。

皮渣壓榨仿真操作界面見圖6，除菌過濾仿真操作界面見圖7。

圖5 紅葡萄酒酒精發(fā)酵仿真操作界面

圖6 皮渣壓榨仿真操作界面

圖7 除菌過濾仿真操作界面

在講授第7章醬油時，主要內(nèi)容是介紹醬油生產(chǎn)工藝。其中，制曲一節(jié)中原料處理部分用到的原料粉碎機(jī)設(shè)備。這些設(shè)備平時學(xué)生接觸少，且設(shè)備類型多，大部分為封閉形式，部件多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用常規(guī)方法講解，難以全面系統(tǒng)介紹且效果不佳。通過設(shè)備仿真系統(tǒng)教學(xué)，可以詳細(xì)、系統(tǒng)地介紹上述設(shè)備的結(jié)構(gòu)、運行方式和設(shè)備各部件的組裝（見圖5）。使學(xué)生身臨其境地學(xué)習(xí)和掌握這些設(shè)備的結(jié)構(gòu)、運行方式甚至是設(shè)備的組裝，其教學(xué)效果用語言及幾張圖片闡述難以達(dá)到。

錘擊式粉碎機(jī)仿真操作界面見圖8，奶酪生產(chǎn)工藝流程見圖9。

圖8 錘擊式粉碎機(jī)仿真操作界面

圖9 干酪生產(chǎn)工藝流程

最后，在講授干酪生產(chǎn)工藝章節(jié)時，干酪是一種在牛乳、稀奶油、脫脂或部分脫脂乳、酪乳或其中的化合物凝結(jié)后通過排放液體（乳清） 而得到的新鮮或成熟制品。干酪的生產(chǎn)工藝流程見圖9。干酪的生產(chǎn)工藝過程復(fù)雜、工段多、所用設(shè)備較多，借助干酪生產(chǎn)工藝仿真軟件同樣能讓學(xué)生真實地感受到干酪廠生產(chǎn)情境，對干酪生產(chǎn)有直觀的認(rèn)識，具體演示部分過程見圖10和圖11。通過仿真技術(shù)生動形象介紹和身臨其境的體驗，知識介紹更加深入淺出，實現(xiàn)相同的學(xué)習(xí)效率及教學(xué)效果。

干酪發(fā)酵與凝乳仿真操作界面見圖10，凝乳入模與壓榨仿真操作界面見圖11。

圖10 干酪發(fā)酵與凝乳仿真操作界面

圖11 凝乳入模與壓榨仿真操作界面

4 仿真技術(shù)在“發(fā)酵食品工藝學(xué)”課程教學(xué)中的效果

近2年來，經(jīng)過在“發(fā)酵食品工藝學(xué)”課程教學(xué)中的改革，一方面采取了考核方式改革，教學(xué)效果顯著提高；另一方面在該課程的課堂教學(xué)改革進(jìn)行了嘗試，除采用傳統(tǒng)教學(xué)方法和一些多媒體技術(shù)外，借助先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)，該技術(shù)可很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)手段的不足，具有無法比擬的優(yōu)勢?？傮w教學(xué)效果反應(yīng)良好：一是上課出勤率高，由以前的93.5%左右上升到99.2%；二是學(xué)習(xí)興趣濃厚，課堂紀(jì)律良好且學(xué)生參與程度高，討論熱烈，玩手機(jī)、講話及開小差的幾乎為零；三是學(xué)生課后問卷調(diào)查表面98.5%以上的學(xué)生非常認(rèn)同這種方式方面；四是學(xué)習(xí)效率和效果顯著提高了，學(xué)生在課堂內(nèi)對講授的相關(guān)知識掌握較好（如約90%學(xué)生掌握良好，6%掌握較好，其他掌握一般），學(xué)生成績提高較顯著，平均總成績從68.5分提高到76.7分，低于70.0分的比例從43.4%降至16.1%，而且優(yōu)秀率提高了5.9%?？傊鞍l(fā)酵食品工藝學(xué)”課程教學(xué)改革必須緊隨現(xiàn)代科技發(fā)展的腳步與時俱進(jìn)，才能更好地引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)，提高教學(xué)效果。此外，現(xiàn)代化教學(xué)手段也不是一種完美的教學(xué)手段，需要與傳統(tǒng)教學(xué)方式相結(jié)合，才能相得益彰，最大限度地發(fā)揮其功能，達(dá)到理想的教學(xué)效果。最后，提高學(xué)生解決問題的能力和綜合素質(zhì)，培養(yǎng)出具有創(chuàng)造性和專業(yè)性的競爭力人才，實現(xiàn)創(chuàng)新性應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

5 結(jié)語

虛擬仿真技術(shù)為計算機(jī)技術(shù)發(fā)展的一種必然產(chǎn)物，作為一種現(xiàn)代化教學(xué)手段，具有傳統(tǒng)教學(xué)手段無法比擬的優(yōu)點，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)手段不足。仿真軟件架起了理論與實踐教學(xué)之間的橋梁，其可實現(xiàn)理論與實踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合。仿真教學(xué)環(huán)節(jié)必須加強(qiáng)學(xué)生了解并初步掌握發(fā)酵設(shè)備，促進(jìn)他們深刻理解理論講解內(nèi)容。將仿真技術(shù)運用于“發(fā)酵食品工藝學(xué)”輔助教學(xué)中，不僅帶來諸多方便和節(jié)省大量教育成本，而且能使學(xué)生改正一些不良學(xué)習(xí)習(xí)慣，顯著提高學(xué)習(xí)效率和效果，是提高教學(xué)質(zhì)量的一種有效手段。盡管如此，仿真教學(xué)仍然存在一些不足。由此，實踐教學(xué)任務(wù)不能完全依靠仿真教學(xué)解決，主要為實物教學(xué)與生產(chǎn)實習(xí)不可能完全被仿真教學(xué)代替?？傊?，只有將實踐教學(xué)與虛擬仿真技術(shù)有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮各自特點，揚長避短，相輔相成，才能推動“發(fā)酵食品工藝學(xué)”教學(xué)進(jìn)步[11-12]。

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A Primary Study on Application of Artificial Technique in Teaching of Fermentation Food Technology

LI Changling1，*HU Yuping2，WU Di1，LIU Weijin1，F(xiàn)U Ming1，ZOU Juan1
（1.College of Biologic and Food Engineering，Huaihua University，Huaihua，Hu'nan 418000，China；2.College of Foreign Languages，Huaihua University，Huaihua，Hu'nan 418000，China）

Fermentation Food Technology is a comprehensive application course which covers many fields of microbiology，food technology and fermentation engineering and so on.The simulation system applied in the teaching of fermented food technology was feasible，which could simulate well the complete process of fermentation food.With appllication of artificial technique in Fermentation Food Technology，it couldn't only obtain a better simulation result，in which the students could understand the process of fermented food production pretty well，and could improve the learning interest and strengthen the teaching effect.

Fermentation Food Technology；artificial technique；educational reform；teaching practice

TS201.1

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.11.024

1671-9646（2017） 11a-0079-04

2017-09-06

懷化學(xué)院教學(xué)改革研究項目（2014-42）。

李昌靈（1973— ），男，博士，副教授，研究方向為工業(yè)微生物與發(fā)酵技術(shù)。

*通訊作者：胡玉平（1974— ），女，碩士，講師，研究方向為課程與教學(xué)法。