魏泉增 孫軍濤 張永清 郭孝輝

罐頭食品是我國的傳統(tǒng)加工食品，由于攜帶和食用方便，儲存時間長，因此備受世界各國消費者的青睞。2021年，我國出口食用菌罐頭量在23萬噸以上，貿(mào)易總額約11億美元。罐頭加工被全國眾多高校食品類專業(yè)列入理論或?qū)嵺`教學(xué)環(huán)節(jié)，但卻存在罐頭生產(chǎn)實驗成本高、難以復(fù)制罐頭生產(chǎn)現(xiàn)場、實踐教學(xué)環(huán)節(jié)課時少及工廠實習(xí)存在安全隱患等問題，導(dǎo)致食品相關(guān)專業(yè)罐頭加工實踐教學(xué)環(huán)節(jié)存在嚴(yán)重不足，直接影響了專業(yè)人才工程實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

虛擬仿真實驗是國家信息化教育戰(zhàn)略的重要實踐內(nèi)容，依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，學(xué)生可以隨時隨地在虛擬環(huán)境中開展實驗活動，對實體實驗進(jìn)行了有益補充。利用虛擬仿真技術(shù)，教師可以將實驗教學(xué)中難以理解的知識點傳神地表達(dá)出來，使學(xué)生更容易掌握、理解、運用，還可以克服實驗場地的不足，實現(xiàn)低成本且不枯燥地授課，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識、科研思維和動手能力。

為解決食品工藝學(xué)、果蔬加工工藝學(xué)、果蔬貯運學(xué)等課程存在的授課方式單一、教學(xué)成本高、學(xué)生參與度低等問題，許昌學(xué)院食品與藥學(xué)院采用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建了食用菌罐頭加工制作虛擬仿真實驗系統(tǒng)，用于輔助學(xué)生開展食用菌罐頭加工技能學(xué)習(xí)和生產(chǎn)實習(xí)。本虛擬仿真實驗系統(tǒng)包括認(rèn)識、加工過程、自主練習(xí)和線上考核4個模塊，通過系統(tǒng)中的人機交互學(xué)習(xí)模式，強化了學(xué)生對食用菌罐頭加工制作技能和相關(guān)專業(yè)知識的學(xué)習(xí)，為培養(yǎng)食品專業(yè)高水平人才提供了新的教學(xué)思路。

一、傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的不足

1.實踐教學(xué)資源嚴(yán)重不足。近年來，高校的招生人數(shù)逐年增多，再加之有些院校經(jīng)費投入不足，實驗室面積與學(xué)生人數(shù)不匹配現(xiàn)象十分突出，導(dǎo)致上實驗課時，一個班的學(xué)生被分成若干小組，以小組為單位開展實驗，每個人能夠動手操作的僅是實驗的一部分。對于價格不菲的大型精密儀器，學(xué)校通常開展演示實驗，學(xué)生很難有動手練習(xí)的機會，到企業(yè)實習(xí)時又無法對整個產(chǎn)品的制作過程有一個全面的認(rèn)識，限制了學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手能力。

2.實驗教學(xué)方法簡單、內(nèi)容偏少。傳統(tǒng)的食品加工實驗教學(xué)缺乏創(chuàng)新的教學(xué)內(nèi)容，實驗課的時間也有限，教師只能挑選容易實現(xiàn)、時間短的實驗，先對實驗原料和所需儀器進(jìn)行簡單講解，學(xué)生再按照講義重復(fù)實驗，無法提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性。有些學(xué)生甚至利用實驗課的時間完成實驗報告，這完全偏離了開設(shè)實驗的初衷，也是對實驗資源的浪費。

3.考核方式單一。食品加工實驗課程的考核方式一般是出勤加上實驗報告，并沒有對實驗過程的細(xì)節(jié)進(jìn)行考核。學(xué)生只要按照實驗指導(dǎo)書寫好實驗預(yù)習(xí)，并完成實驗報告書寫，一般就能取得很高的分?jǐn)?shù)，但這并不能反映學(xué)生真實的實驗?zāi)芰Α?/p>

二、虛擬仿真實驗教學(xué)的優(yōu)勢

1.重復(fù)利用教學(xué)資源，減少教學(xué)投入。食品實驗課上所用的食品加工儀器設(shè)備大多笨重且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通過教師的簡單講解，學(xué)生在短時間內(nèi)并不能完全掌握。虛擬仿真實驗采用動畫，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)整個工藝流程，可以達(dá)到事半功倍的效果。虛擬仿真技術(shù)能夠減少實驗教學(xué)的投入，減少實驗員準(zhǔn)備實驗的工作量，提升學(xué)生的實操能力。利用虛擬仿真技術(shù)搭建虛擬工廠場景，再現(xiàn)食品加工整個工藝流程，隨時進(jìn)行講解和答疑，能夠使學(xué)生深入了解食品加工過程中的現(xiàn)有技術(shù)，有助于鞏固學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)知識，提高實際動手能力，從而更好地適應(yīng)未來食品加工企業(yè)的要求。

2.教學(xué)內(nèi)容更加充實。由于實驗學(xué)時有限，食品加工過程中等待時間長，導(dǎo)致開設(shè)的實驗僅是整個食品加工過程中的一小部分，學(xué)生只能依靠課下的學(xué)習(xí)和課上教師簡要的講解了解食品加工的整個過程。而利用虛擬仿真技術(shù)可以充實教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生也可以在有限的實驗課上了解并掌握食品加工原理和過程，取得較好的學(xué)習(xí)效果。

3.考核評價更加及時?？茖W(xué)合理的考核方式能夠幫助教師及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，從而改進(jìn)教學(xué)質(zhì)量、提高教學(xué)效果。傳統(tǒng)的考核方法是教師制定評分細(xì)則，學(xué)生完成教師布置的作業(yè)后，教師根據(jù)評分細(xì)則對學(xué)生進(jìn)行評價，而后反饋給學(xué)生，具有一定的滯后性。利用虛擬仿真技術(shù)對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評分，能夠更加及時全面地掌握學(xué)生對整個實驗的掌握情況，使學(xué)生在實驗學(xué)習(xí)中化被動為主動，讓實驗考核評價更及時、全面、客觀，從而提高實驗教學(xué)的效果。

三、虛擬仿真實驗的局限性及解決方案

1.虛擬仿真實驗的局限性。與真實場景實驗相比，虛擬仿真技術(shù)在實驗教學(xué)方面雖有一定的優(yōu)勢，但是實驗過程太過理想，只要進(jìn)行相似的操作，就一定能得到相同的結(jié)果，這與實際情況不符。如果是真實的實驗操作，學(xué)生可能會遇到這樣或那樣的意外，但虛擬仿真實驗沒有意外，減少了學(xué)生之間的團隊合作和交流機會。同時，虛擬仿真實驗大多沒有特色，相似的場景、相似的過程可能會使學(xué)生慢慢失去興趣。

2.解決方案。針對虛擬仿真實驗存在的局限性，應(yīng)盡可能把仿真實驗和真實實驗有機結(jié)合起來，促進(jìn)高新技術(shù)和實驗教學(xué)活動的融合，形成“虛實結(jié)合”的教學(xué)體系。

第一，通過線上線下混合教學(xué)，即線上設(shè)計綜合訓(xùn)練題目及工藝參數(shù)模擬操作，線下對加工工藝各環(huán)節(jié)進(jìn)行實際操作，可以讓學(xué)生牢記加工的關(guān)鍵步驟，保證操作正確、規(guī)范，大幅提高實驗的正確性與效率，彌補真實實驗在教學(xué)資源、設(shè)備、流程方面的不足，同時幫助學(xué)生克服對實際蔬果罐頭加工環(huán)境陌生造成的迷茫及對現(xiàn)場操作無從下手的畏懼感。罐頭加工虛擬仿真平臺主要包括信息管理、模擬仿真、報告提交和在線交流模塊，通過虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生可以實現(xiàn)選課預(yù)約、預(yù)習(xí)、實驗、提交實驗報告、提問、討論、在線測驗；教師可以實現(xiàn)規(guī)劃課程、管理學(xué)生、發(fā)布公告、發(fā)布課程、問卷調(diào)查、在線批改作業(yè)、在線發(fā)布試題、答疑、分組、成績統(tǒng)計。虛擬仿真平臺也可為學(xué)生提供標(biāo)準(zhǔn)實驗?zāi)M、仿真實驗設(shè)計、實驗結(jié)果預(yù)測等功能，提高學(xué)生的邏輯思維能力、創(chuàng)新實驗設(shè)計能力和綜合實踐能力。

第二，立足許昌學(xué)院，建設(shè)有特色的虛擬仿真實驗。立足輕工行業(yè)需求及罐頭在中國食品行業(yè)的影響力，依托許昌學(xué)院食品與藥學(xué)院食品科學(xué)河南省重點學(xué)科、食品質(zhì)量與安全河南省一流本科專業(yè)、河南省食品安全生物標(biāo)識快檢技術(shù)重點實驗室、食品醫(yī)藥與健康專業(yè)集群、食品醫(yī)藥與健康產(chǎn)業(yè)學(xué)院等平臺，與河南世紀(jì)香食用菌開發(fā)有限公司合作，為學(xué)生開展探究性學(xué)習(xí)、自主實驗和創(chuàng)新實踐提供先進(jìn)手段，解決了罐頭加工實驗投入大、能耗高、風(fēng)險大、難觀測等問題，以及由于罐頭生產(chǎn)過程耗時長且不可逆而不便于采用真實實驗進(jìn)行教學(xué)的問題。

四、食用菌罐頭加工制作

虛擬仿真實驗教學(xué)的具體實施

以白靈菇為原料，設(shè)計完整的罐頭加工工藝，將分散的專業(yè)知識點串聯(lián)成一個系統(tǒng)工程，通過三維構(gòu)建與數(shù)值模擬，將系統(tǒng)設(shè)計、教學(xué)實施以及學(xué)生評價三方面有機結(jié)合。

1.實驗教學(xué)流程。（1）實驗預(yù)習(xí)。學(xué)生在課前進(jìn)入許昌學(xué)院教學(xué)示范中心，點擊虛擬仿真模塊，選擇“白靈菇虛擬仿真實驗”，輸入學(xué)號和密碼，通過觀看平臺提供的認(rèn)知模塊，了解白靈菇的相關(guān)信息，包括白靈菇簡介、形態(tài)特征、生長條件、栽培技術(shù)和營養(yǎng)價值；通過加工過程模塊，學(xué)習(xí)任務(wù)操作后進(jìn)入仿真工廠進(jìn)行相應(yīng)操作，對于初次仿真模擬學(xué)習(xí)中遇到的問題，學(xué)生之間要進(jìn)行討論并反饋給教師；通過自主練習(xí)模塊，使學(xué)生加深對白靈菇生產(chǎn)過程的了解。（2）課堂實驗操作。教師進(jìn)行白靈菇罐頭的加工講解，通過屏幕廣播的形式將操作要點呈現(xiàn)給學(xué)生；學(xué)生再次操作軟件，完成實驗過程；學(xué)生掌握了白靈菇的操作要點后，進(jìn)入線上考試模塊，完成自我測試。（3）報告及評價。學(xué)生完成現(xiàn)實考試模塊后，成績會立即反饋給教師，成績包括虛擬軟件操作評分、測試題得分和實驗報告得分。教師根據(jù)學(xué)生成績，當(dāng)堂對學(xué)生進(jìn)行有針對性的講解，使學(xué)生更快掌握白靈菇罐頭的操作要點。

2.虛擬仿真軟件的具體操作。在虛擬仿真界面，用鼠標(biāo)點擊進(jìn)入白靈菇罐頭加工的不同生產(chǎn)模塊，包括原料驗收、去除包裝、漂洗、預(yù)煮護色、冷卻、清洗、挑選分級、灌裝等單元，了解各個單元操作的布局。

進(jìn)入生產(chǎn)車間，首先是原料驗收，了解原料驗收的基本過程及檢測項目；再切換到包裝，鼠標(biāo)滑過白靈菇的包裝帶；接下來進(jìn)入漂洗環(huán)節(jié)，這里有相應(yīng)的功能及方法信息提示；然后是預(yù)煮護色，如圖1所示。

圖1：白靈菇預(yù)煮護色單元操作

接著是冷卻單元操作，了解冷卻溫度和冷卻時間，進(jìn)入冷卻、清洗、挑選分級、灌裝、殺菌、入庫、儲藏單元進(jìn)行操作，同時切換到不同視角，對不同的單元操作過程進(jìn)行回顧。車間整體布局如圖2所示。

圖2：車間整體布局

綜上，許昌學(xué)院食品科學(xué)與工程專業(yè)注重“虛實結(jié)合”實踐教學(xué)體系建設(shè)，學(xué)生通過虛擬仿真實驗教學(xué)平臺完成在線學(xué)習(xí)及真實操作，提高了自主學(xué)習(xí)和實踐能力，為之后從事研發(fā)、生產(chǎn)、管理等工作打下了堅實基礎(chǔ)。

基金項目：教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目（220606707194726）；河南省2021年度本科高校虛擬仿真實驗教學(xué)項目（253）；許昌學(xué)院招標(biāo)教研項目（XCU2022-ZB-03）；許昌學(xué)院研究性教學(xué)系列項目（XCU2022-YJXJG-007）。

作者簡介：魏泉增（1983-），男，副教授，博士，研究方向為發(fā)酵食品成分檢測。