孙 华，曲静然，邵秀芝，于功明

（齐鲁工业大学（山东省科学院）食品科学与工程学院，山东 济南 250353）

“食品工艺综合实验”是学校食品专业实践环节的重要组成部分，是培养学生运用所掌握的理论知识和技能进行实验设计和操作的一门综合课程，通过实验，不仅可以巩固所学的各种理论知识，而且能够培养学生动手操作能力和数据处理能力，以及分析问题和解决问题的能力，并培养学生严谨的科学态度。传统的“食品工艺综合实验”，往往受到实验场地、实验设备及教学投入资金等条件的限制，从而实验内容的选择需考虑诸多因素，无法顺应日新月异的工业化发展，不利于培养创新型应用型人才。

虚拟仿真实验教学结合了先进的教学思想和现代化教学手段，已广泛应用于高等学校的实验教学过程中，为操作者提供了一个人机交互、开放式的虚拟环境。虚拟仿真集文字、图形、图像、三维动画和声音于一体，具有沉浸性、交互性、虚幻性、逼真性等特点[1]。虚拟仿真实验教学项目是现代信息技术与实验教学深度整合的产物，运用多媒体技术和虚拟现实技术等信息技术依据食品生产企业的产区规划、仪器设备、生产流程开发而成[2]。食品工艺虚拟仿真实验项目内容精彩、技术先进、做法灵活、生产设备立体化，产品生产过程剖视化，整个生产过程从原料到产品清晰明了，有利于拓展实验教学广度和深度及推进实验教学与理论教学和生产工厂化的平衡发展，能够获得教学环境企业化、实验手段信息化、实验过程高效化的功效，与传统实验相比，具有危险程度低、学生兴趣浓和可实现工厂化等特点[3]。在传统“食品工艺实验”的基础上引入虚拟仿真技术，既能有效解决因空间、时间、资源限制导致实验无法开设的问题，而且能使实验过程工厂化，紧密与生产实际相联系，切实提高学生的参与度和积极性，完善考核制度，提高教学质量，从而提升学生的实践能力[4]。

因此，从学校“食品工艺综合实验”的现状出发，结合实际，立足专业，将虚拟仿真技术融于传统教学，从而提高“食品工艺综合实验”的教学质量。

1 优化实验教学内容增加综合性和设计性实验

不管是传统教学还是虚拟仿真，“食品工艺综合实验”的目的是将所学的理论知识应用于实际生产，并在此过程中考核学生的知识掌握度、操作的正确熟练度、解决问题的能力，以及培养学生的创新性。因此，实验教学改革的一个重要方面是优化实验内容，增加综合性和设计性实验，以适应人才培养目标和国内外食品工业的发展现状，从而在实验内容上开设具有综合性、设计性强，体现现代先进工艺技术的实验项目，削减以验证理论为主且内容单一的实验[5-6]。

学校食品工艺综合实验共包括18个实验，根据每年的具体情况从中筛选所需学时的实验12～15个，其中将设计性实验增加到30%，综合性实验占20%，验证性实验占50%。验证性实验主要为基础性实验，培养锻炼学生的基本实验技能，掌握食品制作工艺流程、操作条件和实验技能，为进一步学习和研究奠定基础。例如，焙烤实验中普通面包、月饼和酥性饼干的制作等，分别作为面制品的代表品种，让学生了解这3类食品的典型制作工艺，包括面粉面筋的测定、面粉的选择、糖的种类和添加等，使学生将所学的理论知识应用在实验中，并通过亲身体验加深对知识的理解和感悟；设计性实验占总数的30%，包括蛋糕的制作、食品功能性成分的提取、果汁果冻的制作等，是在一定条件下，由学生根据所学知识和阅读大量文献自主确定实验主题，通过小组探讨确定实验方案，然后从实验材料的准备、仪器设备的操作学习、工艺流程的调整确定、实验操作的完成、实验结果的整理和分析等整个过程独立完成，通过设计实验的整个流程，使学生充分理解实验的目的与要求，了解所用原料的品质特性，明确实验方法及工艺参数的合理性和产品的品质特性。如果遇到问题，首先要求学生通过查找资料、小组讨论来寻找解决方法，然后再通过请教教师探讨所遇到问题，最终获得满意的结果。

设计性实验从选题到实验，学生始终处于思考探索的情境中，完全做到以学生为主，教师为辅，充分发挥了学生的主体地位，充分锻炼和激发了学生的创新意识，培养了学生的创新能力，能使其初步掌握科学研究的思维方式[7]；综合性实验是将食品专业的各个知识点运用到食品工艺学的实验内容，如植物蛋白饮料、浑浊果蔬汁饮料、苹果清汁、肉制品的制作等，要考虑实验原料、实验条件、检测方法、品评体系等对实验的影响，将各门实验课的内容串联起来，使实验教学成为一个密不可分的有机整体，大大提高学生的积极性，而且使学生在做中学、学中做，充分发挥主观能动性，切实提高实践能力，以及分析问题、解决问题的能力。

2 将虚拟仿真融合传统实验教学有利于提高教学质量

传统实验教学中大部分是分组实验、分工合作，学生可以自己动手，但学生个人没有机会操作完整的实验。而且由于场地、设备等的限制，并不是每个人都能操作所有设备，从而造成只能部分学生亲自动手操作仪器，有的实验只能是极少人动手操作，如酸奶制作和油脂提取等，而虚拟仿真技术使学生身处一个真实环境模拟的虚拟状态，从而解决因空间和资金不足而导致的实验设备不齐全的问题[8]。

2.1 完善课程设置，丰富实验内容

随着科技的不断进步和仪器的不断更新，许多实验教学中的项目有了新的实验方法，这些方法各有利弊，适用于不同的加工需求。但是，由于课时和经费的限制，学生不能在有限的时间内将所有不同的方法都实际操作一次，而仅仅通过理论的讲解无法切实体会不同方法之间的区别，因此在教学中将传统教学和虚拟仿真技术结合，使学生切身体验差异，从而达到理论与实践相结合的目的。例如，在进行油脂的提取实验时，传统教学中学生使用有机溶剂浸提，而虚拟仿真实验中采用亚临界流体萃取和超临界CO2萃取技术，这2种设备是新型提取设备，无法实现每个人具体操作。但是，通过虚拟仿真，每个学生在样品选择、试剂添加、实验方案设计、实验流程操作、实验结果分析等过程中亲自参与、操作，完成整个实验过程，巩固了所学知识，激发了学生的思维能力和创新能力。

2.2 虚拟仿真模拟生产线，有利于专业技能培养

由于场地和经费的原因，许多食品工艺实验采用实验室模式，与现实中的规模化食品生产有所差异，当今的食品工厂大部分采用生产线生产，以便提高生产效益。通过虚拟仿真平台，如酸乳的制作，模拟整个车间的设计及生产线的运行，帮助学生了解酸奶生产实践中从原料奶到产品的整个生产过程，所用设备型号及参数清晰明了，通过该操作的完成明确液态奶在管道和罐体中的整个走向，管道和罐体是酸奶生产的关键，也是CIP清洗的典型，通过虚拟仿真可以清楚地看到原料奶通过管道的传递到达各个罐体进行各种操作的具体流程和生产完后CIP清洗消毒时各种试剂的流通过程。因此，通过虚拟仿真实验，有助于学生将课堂上、实验室中所学的内容与生产实践相结合，提升学生的综合应用能力[9]。

2.3 虚实结合，优势互补

在应用虚拟仿真技术进行“食品工艺综合实验”教学时，应以真实实验为基础，虚拟仿真技术为辅，不能一味地依赖于虚拟仿真技术，传统实验的重要性无可取代。在虚拟实验中，是按照既定的步骤进行操作，具体操作是机器按照所设定的程序进行，因此很多现实实验可能出现的情况不能完全真实展现出来，会导致很多错误被忽略和规避，而这些错误可能会导致实验产生很大误差甚至失败[10]。因此，虚拟仿真实验项目建成后，不应完全依赖于虚拟效果，而应“以虚补实”“虚实结合”。虚拟实验与真实实验二者各有利弊，应相互结合、优势互补，在课程设置中合理分配安排这2种实验[11]。

如何将虚拟仿真与传统实验教学有利结合，教师在此过程中发挥着更加重要的作用，在课堂上要将理论学习、虚拟仿真实验、实体实验相互补充、相互结合。在进行虚拟仿真实验之前，讲解传统理论时融入虚拟仿真实验模块，将实验中所涉及的实验原理和反应过程等实体实验中无法看到的现象呈现给学生，使学生更加直观地理解理论知识和内部原理，提高学习兴趣。而且学生可反复进行虚拟实验，逐步理解每一个设备的作用、每一步操作的意义、参数设定的依据和整体流程顺序的重要性，通过不断尝试，使学生充分理解和掌握实验的精髓，在此过程中如果出现问题可以及时将问题反馈给教师，教师亦可同步进行线上指导；在充分理解实验的基础上，再通过实体实验，由学生自主完成，将自己动手所得的结果与虚拟仿真实验相比较得出自己的实验心得。虚拟仿真实验和传统实验室2种不同方式的教学，对学生而言是一种全新的体验，对教师同样有着更高的要求，必须不断补充自己的知识库，而且还要积极与企业交流，切实掌握新动态、新方法。同样，教师可对学生学习过程中产生的大数据加以整理、对比，据此可进一步对虚拟仿真实验进行改进和优化[12]。

2.4 考核形式多样化，更具全面性

传统实验教学中，主要根据实验报告的撰写和实验过程的操作进行评分，但是很多学生并没有参与其中，因此分数存在一定的不公平性。而经过教学内容的重新设计和教学方式的改革后，增加了具备实验预约、课前预习、下载资料、互动讨论、上传实验报告、系统监控等功能的虚拟仿真实验平台，教师可对学生的预习测验情况、实验过程、讨论与思考情况、实验报告质量等多方面进行考核评价。因此，考核形式实现了多样化，除了实验报告之外，还包括设计方案、虚拟仿真实验成绩，能够更加全面地评价学生在实验中的表现。

3 结语

总之，针对“食品工艺综合实验”教学的开展，学校已经建成了肉制品加工、植物蛋白饮料、酸乳加工和油脂加工四大虚拟仿真实验，后续实验内容还将进一步完善。2021年第一次启用虚拟仿真实验平台，首先教师进行了认真详细的培训，构建了合理的教学队伍，完全能够胜任接下来的教学任务；再将虚拟仿真技术用于“食品工艺综合实验”时，使学生更好地了解了企业生产的实际场景，更加清楚了整个生产工艺流程，学生普遍反映受益匪浅，表示自己仿佛置身于工厂，增加了使命感，没有了依赖性，充满了责任感，提高了专业的热爱度；在进行传统实验教学时，学生很自然地将理论知识与实验相结合，严格按照步骤进行，提高了实验教学质量，从而有利于高校应用创新型人才的培养。